Особенности организации генома
Генетический материал живых организмов имеет принципиальные различия в зависимости от наличия истинного ядра.
У прокариот ДНК представлена единой кольцевой молекулой, образующей так называемый нуклеоид. Эта структура свободно располагается в цитоплазме, так как не имеет мембранного ограничения. Специальные белки-гистоны здесь полностью отсутствуют. Геном прокариотической клетки достаточно компактен: он включает до полутора тысяч генов. При этом подавляющее большинство из них существует в единственной копии, что обуславливает гаплоидность. Сами гены устроены просто и состоят исключительно из кодирующих фрагментов — экзонов. Дополнительно в цитоплазме могут присутствовать плазмиды — автономные внехромосомные факторы наследственности.
У эукариот генетический материал организован значительно сложнее. ДНК имеет вид линейных двухцепочечных молекул, которые тесно связаны с гистоновыми белками и молекулами РНК. Этот сложный комплекс формирует хромосомы, надежно спрятанные внутри клеточного ядра. Эукариотический геном огромен: в зависимости от конкретного вида он может насчитывать от 5 до 200 тысяч генов. Около 45% этих генов многократно дублируются, что существенно повышает общую надежность работы генетического аппарата. Внутренняя структура эукариотического гена мозаична: кодирующие участки (экзоны) чередуются с некодирующими вставками (интронами). Плазмиды для эукариотических клеток не характерны, зато в их ядре обязательно присутствуют ядрышки.
Структурные компоненты ядрышка
Ядрышко представляет собой плотную, не ограниченную мембраной структуру внутри ядра. Его количество в клетке может варьировать от одного до нескольких, поскольку специализированные участки разных хромосом способны объединяться между собой. В структуре ядрышка выделяют два ключевых элемента:
- Фибриллярный центр. Он образован участками хроматина, которые локализуются в зоне вторичных перетяжек так называемых акроцентрических хромосом. В кариотипе человека к ним относятся 13, 14, 15, 21 и 22-я пары. Именно эти специфические зоны называются ядрышковыми организаторами. В них заложены многочисленные копии генов, кодирующих рибосомную ДНК (рДНК).
- Фибриллярный компонент. Эта зона состоит из рибосомной РНК (рРНК) и рибонуклеопротеидов. Основу химического состава здесь формируют разнообразные белки: рибосомные протеины, фермент РНК-полимераза I, различные нуклеазы и факторы транскрипции. Важнейшим маркерным белком данного компонента является фибрилларин, который отвечает за правильный процессинг синтезируемой рРНК.
Функциональные состояния хроматина
Внутри ядра эукариотической клетки хроматин может находиться в различных морфофункциональных состояниях. От этого напрямую зависит активность считывания генетической информации.
- Эухроматин. Представляет собой генетически активные области генома. В таком состоянии хроматиновые нити деспирализованы, то есть максимально раскручены и деконденсированы. Благодаря рыхлой структуре ферменты легко получают доступ к ДНК для синтеза молекул РНК. При стандартной световой микроскопии эухроматин практически неразличим, так как он очень слабо воспринимает гистологические красители.
- Гетерохроматин. Это генетически «молчащие», неактивные участки хромосом. Хроматин здесь плотно спирализован и максимально конденсирован. Из-за крайне высокой плотности упаковки под световым микроскопом эти зоны выглядят как интенсивно окрашенные крупные гранулы или глыбки.
Роль ядерного матрикса в процессах синтеза
Процессы реализации генетической информации неразрывно связаны с ядерным матриксом — внутренним белковым каркасом ядра.
- Репликация ДНК. Точки начала удвоения ДНК (origins of replication) всегда располагаются в непосредственной близости от мест, где молекула ДНК перманентно прикрепляется к белкам матрикса. Более того, сам сложный репликационный комплекс ферментов физически встроен в этот матрикс.
- Транскрипция (синтез РНК). В состав внутреннего матрикса жестко интегрирован фермент РНК-полимераза II, отвечающий за синтез информационных (матричных) РНК. Все транскрибирующиеся в данный момент гены надежно зафиксированы на элементах матрикса.
- РНК-компоненты. Каркас содержит богатый арсенал рибонуклеиновых кислот: рибосомные, гетерогенные, а также специализированные РНК в составе ядерных рибонуклеопротеидов.
Таким образом, ядерный матрикс выполняет не только опорную функцию, но и выступает структурной базой для синтеза, процессинга и пространственного транспорта РНК, а его элементы напрямую участвуют в тонкой регуляции транскрипции.
ЭУхроматин — Энергичный и Умный (генетически активный, раскрученный). ГЕТЕРОхроматин — Глухой (генетически неактивный, плотно свернутый в глыбки).
Вопросы с занятий и экзамена
В чем главное отличие гена прокариот от гена эукариот?
У прокариот ген устроен просто и состоит исключительно из кодирующих последовательностей — экзонов. Эукариотический ген имеет мозаичное строение: в нем кодирующие экзоны чередуются с некодирующими вставками, которые называются интронами.
На каких хромосомах человека располагаются ядрышковые организаторы?
Ядрышковые организаторы локализуются в области вторичных перетяжек пяти пар акроцентрических хромосом. В кариотипе человека это 13, 14, 15, 21 и 22-я пары.
Что такое фибрилларин и где он находится?
Фибрилларин — это маркерный белок фибриллярного компонента ядрышка. Он играет ключевую роль в процессах созревания (процессинга) рибосомной РНК.
Что ещё разобрать по теме
- Механизмы репликации ДНК в связке с ядерным матриксом
- Процессинг и сплайсинг матричной РНК эукариот
- Роль белков-гистонов в упаковке хроматина
- Внехромосомные факторы наследственности (строение и функции плазмид)
Разберите тему целиком в курсе «Биология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Генетический аппарат клетки» и ещё 3 793 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 124 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Клетка — элементарная единица живого»
Бесплатные видеоуроки: биологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.