Вопрос 24. Репарация

Репарация- процесс, позволяющий живым организмам восстанавливать повреждения, возникающие в ДНК, называют репарацией .

Все репарационные механизмы основаны на том, что ДНК - двухцепочечная молекула, т.е. в клетке есть 2 копии генетической информации. Если нуклеотидная последовательность одной из двух цепей оказывается повреждённой, информацию можно восстановить, так как вторая (комплементарная) цепь сохранена. 

Процесс репарации происходит в несколько этапов. На первом этапе выявляется нарушение комплементарности цепей ДНК. В ходе второго этапа некомплементарный нуклеотид или только основание устраняется, на третьем и четвёртом этапах идёт восстановление целостности цепи по принципу комплементарности. Однако в зависимости от типа повреждения количество этапов и ферментов, участвующих в его устранении, может быть разным.  Очень редко происходят повреждения, затрагивающие обе цепи ДНК. Такие повреждения в половых клетках не репарируются, так как для осуществления сложной репарации с участием гомологичной рекомбинации требуется наличие диплоидного набора хромосом. 

Основные типы повреждения ДНК

• Повреждение одиночных нуклеотидов

• Повреждение пары нуклеотидов

• Разрыв цепи ДНК

• Образование поперечных сшивок между основаниями одной цепи или разных цепей ДНК

Типы репарации у прокариот

Прямая репарация — наиболее простой путь устранения повреждений в ДНК, в котором обычно задействованы специфические ферменты, способные быстро (как правило, в одну стадию) устранять соответствующее повреждение, восстанавливая исходную структуру нуклеотидов. Так действует, например, O6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза.

Эксцизионная репарация: процесс с участием ферментативной системы, которая удаляет короткую однонитевую последовательность двунитевой ДНК , содержащей ошибочно спаренные или поврежденные основания , и замещает их путем синтеза последовательности, комплементарной оставшейся нити.  Этот тип репарации базируется на распознавании модифицированного основания различными гликозилазами, белками, расщепляющими N-гликозидную связь этого основания с остатком фосфорной кислоты молекулы ДНК. При этом существуют гликозилазы, специфически распознающие присутствие в ДНК определенных модифицированных оснований (оксиметилурацила, гипоксантина, 5-метилурацила, 3-метиладенина, 7-метилгуанина).

Пострепликативная репарация Tип репарации, имеющей место в тех случаях, когда процесс эксцизионной репарации недостаточен для полного исправления повреждения: после репликации с образованием ДНК, содержащей поврежденные участки, образуются одноцепочечные бреши, заполняемые в процессе гомологичной рекомбинации при помощи белка RecA. Это единственный тип репарации, не имеющий этапа узнавания повреждения.

У эукариот к ним добавляется еще две:

Мисмэтч репарация (репарация ошибочно спаренных нуклеотидов)

Тогда, когда образуются некомплементарные пары. Неправильное спаривание затрагивает только дочернюю цепь. Система репарации мисмэтч должна найти дочернюю цепь и произвести замену некомплементарных нуклеотидов.

SOS -репарация

Обнаружена в 1974 г. М.Радманом. Когда повреждений в ДНК настолько много, что они угрожают жизни клетки. Индуцируется синтез белков, которые присоединяются к ДНК-П комплексу и строят дочернюю цепь ДНК напротив дефектной матричной. В результате ДНК удваивается с ошибкой и может произойти клеточное деление. Но если были задеты жизненно важные функции клетка погибнет.

РЕПАРАЦИЯ ДНК И НАСЛЕДСТВЕННЫЕ БОЛЕЗНИ ЧЕЛОВЕКА

Нарушение системы репарации у человека является причиной:

• Преждевременного старения

• Онкозаболеваний

• Аутоиммунных заболеваний (ревматоидный артрит, СКВ, болезнь Альцгеймера)

Вопрос 25. Одномембранные оргоноиды клетки их строение и функции.

Вопрос 26. Строение интрефазного ядра эукариотической клетки.

Классификация структурных элементов интерфазного ядра:

• хроматин;

• ядрышко;

• кариоплазма;

• кариолемма.

Хроматин представляет собой вещество, хорошо воспринимающие краситель (хромос), откуда и произошло его название. Хроматин состоит из хроматиновых фибрилл.

• эухроматин — рыхлый или деконденсированный хроматин, слабо окрашивается основными красителями;

• гетерохроматин — компактный или конденсированный хроматин, хорошо окрашивается этими же красителями.

При подготовке клетки к делению в ядре происходит спирализация хроматиновых фибрилл и превращение хроматина в хромосомы. После деления в ядрах дочерних клеток происходит деспирализация хроматиновых фибрилл и хромосомы снова преобразуются в хроматин. Следовательно, хроматин и хромосомы представляют собой различные фазы одного и того же вещества.

По химическому строению хроматин состоит из:

• дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) 40 %;

• белков около 60 %;

• рибонуклеиновой кислоты (РНК) 1 %.

Ядерные белки представлены формами:

• щелочными или гистоновыми белками80—85 %;

• кислыми белками 15—20%.

Гистоновые белки связаны с ДНК и образуют полимерные цепи дезоксирибонуклеопротеида (ДНП), которые и представляют собой хроматиновые фибриллы, отчетливо видимые при электронной микроскопии. На определенных участках хроматиновых фибрилл осуществляется транскрипция с ДНК различных РНК, с помощью которых осуществляется затем синтез белковых молекул. Процессы транскрипции в ядре осуществляются только на свободных хромосомных фибриллах, то есть в эухроматине. На хроматиновых фибриллах в S-периоде интерфазы осуществляется также процессы редупликации ДНК.

Ядрышко — сферическое образование хорошо воспринимающее основные красители и располагающееся среди хроматина. В одном ядре может содержаться от 1 до 4-х и даже более ядрышек. В области ядрышкового анализатора осуществляется транскрипция с ДНК рибосомальной РНК. В ядрышке происходит соединение рибосомальной РНК с белком и образование субъединиц рибосом.

Кариоплазма  состоит из воды, белков и белковых комплексов (нуклеопротеидов, гликопротеидов), аминокислот, нуклеотидов, сахаров. Белки кариоплазмы являются в основном белками-ферментами, в том числе ферментами гликолиза, осуществляющих расщепление углеводов и образование АТФ. Негистоновые (кислые) белки образуют в ядре структурную сеть (ядерный белковый матрикс), которая вместе с ядерной оболочкой принимает участие в создание внутреннего порядка. При участии кариоплазмы осуществляется обмен веществ в ядре, взаимодействие ядра и цитоплазмы.

Кариолемма  — ядерная оболочка отделяет содержимое ядра от цитоплазмы (барьерная функция), в то же время обеспечивает регулируемый обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Ядерная оболочка принимает участие в фиксации хроматина.

Кариолемма состоит из двух билипидных мембран — внешней и внутренней ядерной мембраны, разделенных перинуклеарным пространством.

Функции ядер:

• хранение генетической информации, закодированной в молекулах ДНК;

• репарация (восстановление) молекул ДНК после их повреждения с помощью специальныхрепаративных ферментов;

• редупликация (удвоение) ДНК в синтетическом периоде интерфазы;

• передача генетической информации дочерним клеткам во время митоза;

• реализация генетической информации, закодированной в ДНК, для синтеза белка и небелковых молекул: образование аппарата белкового синтезаинформационной, рибосомальной и транспортной РНК.

Вопрос 27. Генетический материал прокариот.

Генетический материал вирусов представлен одной молекулой нуклеиновой кислоты (либо ДНК, либо РНК), окруженной защитной белковой оболочкой – капсидом.  Вирусы могут существовать только как внутриклеточные паразиты.

Возможны два варианта развития вируса в клетке: либо интеграция с геномом хозяина – лизогения, либо синтез вирусных частиц на основе генетической программы вируса, но с помощью метаболической системы хозяина – лизис( разрушение клетки-хозяина).

Геном прокариот представлен одной кольцевой молекулой ДНК, формирующей компактную структуру нуклеоида посредством суперспирализации.

Главная особенность организации генома прокариот – это их объединение в группы, или кластеры, с общей регуляцией. Группа структурных генов прокариот, находящихся под контролем одного регуляторного участка, называется опероном . Организация генетического материала по типу оперона позволяет бактериям быстро переключать метаболизм с одного субстрата на другой.

Особый интерес представляют плазмиды – небольшие кольцевые молекулы ДНК внутри бактериальной клетки. Подобно вирусам, плазмиды способны либо интегрироваться с бактериальной ДНК, либо существовать обособленно от нее. Хорошо изучена плазмида F бактерии E. coli. Она представляет собой кольцевую молекулу ДНК и содержит более 60 генов. Плазмида F обеспечивает содержащим ее бактериальным клеткам возможность взаимодействовать с бесплазмидными бактериями и передавать им свою генетическую информацию.

Вопрос 28. Генетический материал эукариот. Особенности строения.

Генетический материал эукариот сконцентрирован в ядре и представлен хромосомами, в которых молекула ДНК образует сложный комплекс с различными белками.

Каждая клетка любого организма содержит определенный набор хромосом. Совокупность хромосом клетки называется кариотипом.

В кариотипе соматических клеток выделяются пары одинаковых (по форме и генному составу) хромосом – так называемые гомологичные хромосомы (1-я – материнская, 2-я – отцовская). Набор хромосом, содержащий пары гомологов, называется диплоидным (обозначается 2n). Половые клетки – гаметы, содержат половину диплоидного набора, по одной хромосоме из каждой пары гомологов. Такой набор называется гаплоидным (обозначается n).

Соединяются хроматиды в области центромеры (первичной перетяжки). В этой области при делении клетки на каждой сестринской хроматиде образуется фибриллярное тельце – кинетохор, к которому присоединяются нити веретена деления.

Концевые участки хромосом получили название теломеры. Они препятствуют слипанию хромосом, т. е. ответственны за их «индивидуальность». У взрослого организма с каждым новым делением клетки теряется участок теломеры. Потеря всей теломеры приводит к смерти клетки. Участок хроматиды между центромерой и теломерой называется плечом. 

В ядрышке происходит синтез р-РНК и образование субъединиц рибосом.

Митохондрии имеют кольцевые мт-ДНК.

Хлоропласты также имеют собственную кольцевую ДНК. Митохондрии и хлоропласты имеют собственные системы синтеза белка и синтезируют ряд белков, поэтому их относят к так называемым полуавтономным структурам. Однако следует заметить, что более 95 % митохондриальных белков кодируются в ядре.

Вопрос 29. Рибосомы, их строение и функции.

Рибосома=немембранные органоиды, функция которых – синтез белков. Каждая рибосома в рабочем состоянии состоит из двух субъединиц – большой и малой, в состав которых входят молекулы белка и рибосомальной РНК (рРНК). В цитоплазме рибосомы могут находиться в свободном состоянии или располагаться на шероховатых мембранах ЭПС. В зависимости от типа синтезируемого белка рибосомы могут «работать» поодиночке или объединяться в комплексы – полирибосомы. В таких комплексах рибосомы связаны одной молекулой иРНК.

Вопрос 30. Клеточные лизосомы.

Лизосома — это одномембранный органоид эукариотической клетки, имеющий в основном шаровидную форму и не превышающий по размеру 1 мкм. Характерны для клеток животных, где могут содержаться в больших количествах (особенно в клетках, способных к фагоцитозу). В растительных клетках многие функции лизосом выполняет центральная вакуоль.

Строение лизосомы

Элементарная мембрана лизосомы отграничивает от цитоплазмы несколько десятков гидролитических (пищеварительных) ферментов, расщепляющих белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Ферменты относятся к группам протеаз, липаз, нуклеаз, фосфатаз и др.

В отличие от гиалоплазмы, внутренняя среда лизосом имеет кислую реакцию, а содержащиеся здесь ферменты активны только при низком pH.

Изоляция ферментов лизосом необходима, иначе, оказавшись в цитоплазме, они могут разрушить клеточные структуры.

Образование лизосом

Лизосомы образуются в комплексе Гольджи. Ферменты (по-сути белки) лизосом синтезируются на шероховатой эндоплазматической сети, после чего транспортируются в Гольджи с помощью везикул (пузырьков, ограниченных мембраной). Здесь белки модифицируются, приобретают свою функциональную структуру, упаковываются в другие пузырьки – первичны лизосомы, – которые отрываются от аппарата Гольджи. Далее, превращаясь во вторичные лизосомы, выполняют функцию внутриклеточного переваривания. В некоторых клетках первичные лизосомы секретируют свои ферменты за пределы цитоплазматической мембраны.

Функции лизосом

О функциях лизосом говорит уже их название: lysis — расщепление, soma — тело.

При попадании в клетку питательных веществ, каких-либо микроорганизмов лизосомы принимают участие в их переваривании. Кроме того, они разрушают ненужные структуры самой клетки и даже целые органы организмов (например, хвост и жабры в процессе развития многих земноводных).

Ниже дается описание основным, но не единственным функциям лизосом.

Вопрос 31. Митоз.

В основе индивидуального развития всех организмов лежит клеточное деление. Время существования клетки от деления до деления называется клеточным (митотическим) циклом.  Типичный митотический цикл эукариотической клетки состоит из 4 периодов.

Пресинтетический период (G₁) – наиболее длительный период клеточного цикла. Он характеризуется ростом клетки, накоплением РНК, АТФ, белков, необходимых для образования клеточных структур, подготовкой клетки к синтезу ДНК.

Синтетический период (S) – период синтеза ДНК и репликации хромосом. В этот период происходит также интенсивный синтез гистонов, их перемещение в ядро, где они связываются с реплицированной ДНК. К концу периода каждая хромосома состоит из двух хроматид, имеющих идентичные копии молекулы ДНК. Гнетический материал клетки удваивается.

Постсинтетический период (G₂) – период формирования структур, необходимых для процесса деления клетки. Продолжается синтез РНК и белков. Запасается энергия в виде АТФ.

Периоды G₁, S, G₂ - интерфаза.

Период митоза (М) – период деления генетического материала и образования двух новых клеток. Этот период занимает менее 10 % времени клеточного цикла.

Митоз – основной способ деления эукариотической клетки. В нем выделяют 4 следующие друг за другом фазы: