Биосинтез белка, митотический коэффициент

Вопрос 18 (Репликация ДНК у про- и эукариот. Удвоение хромосом. Изменение количества ДНК и набора хромосом в различные периоды жизненного цикла клеток):

 
               Репликация у прокариот.

 

Наиболее изучен процесс репликации у Escherichia coli. У этой бактерии (как и ещё некоторых исследованных видов) в области точки инициации репликации (ori C, длиной примерно 245 п.н.) находятся повторы размером в 13 и 9 пар оснований (Рис.5). При инициации 10-20 молекул белка инициации реплика¬ции Dna A связывается с четырьмя девятимерными  повторами (9-mers) и расплетает ДНК в районе тандем¬ного набора тринадцатимеров, богатых АТ парами (что облегчает их расплетание, т.к. между А и Т только две водородные связи). Белок Dna C доставляет шестисубъединичный белок Dna B (геликаза) к матрице. На каж¬дую из одиночных цепей садится по одному Dna B  и они затем двигаются в разных направлениях расплетая ДНК.

 

 

К геликазе присоединяется праймаза и синтезирует РНК-затравку.  Две ДНК-полимеразы  с помощью своих двух b-субъединиц прикрепляются к нити ДНК и начинают синтез ДНК. Расплетанию спирали способст¬вует  SSB-белки, которые связываются с одноцепочечными участками ДНК, предотвращают образование шпи¬лек и тем са¬мым стабилизируют расплетённый дуплекс. Сбалансированное действие топоизомеразы II (гираза), способной индуцировать отрицательные сверхвитки(см.рис.4), и топоизомеразы I, снимающей отрицательные сверх¬витки(см.рис.3) регулирует степень сверхспиральности ДНК и таким образом влияет на скорость движе¬ния реп¬ликативной вилки. 

У прокариот обнаружено три типа ДНК-полимераз. Их свойства приведены ниже.

ДНК-полимераза III  осуществляет удлинение лидирующей цепи, а также удлинение РНК-праймеров с обра¬зова¬нием фрагментов Оказаки длиной от 1000 до 2000 нуклеотидов. Две ДНК-полимеразы связаны между со¬бой t-субъединицей. Удаление сегментов РНК с 5¢-конца каждого фрагмента Оказаки и заполнение пробелов между ними катализируетcя ДНК-полимеразой I ,способной удлинять цепь и осуществлять ник-трансляцию. Когда рас¬тущий 3¢-гидро¬ксильный конец каждого фрагмента Оказаки до¬ходит до 5¢ –дезоксинуклеотид¬ного конца соседнего фраг¬мента, вступает в действие ДНК- лигаза и образуется непре¬рыв¬ная отстающая цепь. Роль ДНК-полимеразы II в репликации не выяснена.

   Обнаружен специальный  белок терминации – Tus-белок. Он задерживает геликазу, в результате  чего прекращается расплетение нити и происходит терминация репликации.

 

    Репликация  у эукариот.

 

Как и в случае с E.coli исследования  репликации в эукариотических клетках сначала были сосредото¬чены на характеристике различных ДНК-полимераз (см. табл.2).

Следующим этапом стало создание систем для репликации хромосом вирусов животных in vitro. В ре¬зуль¬тате в настоящее время хромосома вируса SV40 может быть реплицирована in vitro с использованием всего лишь восьми компонентов клеток млекопитающих. По своим свойствам эти белки напоминают белки необхо¬димые для репликации в E.coli. Репликация ДНК эукариот также идёт в двух направлениях; для син¬теза ДНК нужны праймеры синтезируемые праймазой; синтез лидирующей цепи непрерывен, а отстающей прерывистый. Как показано на рис.7, инициация репликации ДНК вируса SV40 происходит в уникальном сайте, точке начала репликации, путём связывания кодируемого вирусом белка, называемого T antigen, или Tag.

Этот полифункциональный белок расплетает дуплекс ДНК благодаря своей геликазной активности. Распле¬тание дуплекса требует также наличия АТФ и белка репликации A (RPA), кодируемого клеткой-хозяи¬ном и обладающего способностью связываться с однонитчатой ДНК (как SSB-белки в E.coli). Одна молекула ДНК-полимеразы α (Pol α) прочно связывается с праймазой и затем связывается с образовавшейся однонит¬чатой ДНК. Праймаза образует РНК-праймеры, которые затем удлиняются на небольшую длину Pol α , обра¬зуя пер¬вую часть ведущих цепей, которые растут от точки ori в противоположных направлениях. Активность Pol α стимулируется фактором репликации C (RFC).

Затем  c 3-концамb удлинённых Pol α РНК-праймеров связывается PCNA (proliferating cell nuclear antigen) и замещает Pol α на обоих растущих ведущих цепях, прерывая их синтез. На следующем этапе Pol δ связывается с PCNA на 3¢-концах растущих цепей. PCNA повышает процессивность Pol δ так, что полимераза может непрерывно продолжать синтез ведущих цепей. Таким образом, функция PCNA аналогична функции β-субъединицы полимеразы III E.coli, т.к. оба белка образуют сходные структуры (“кольца”), охватывающие ДНК и способствующие удержанию полимераз на цепи ДНК. Они, однако, имеют различные первичные структуры; кроме того PCNA-тример, а не димер как β-субъединица полимеразы III E.coli.

Комплекс праймаза- Pol α. садится на цепь, являющуюся матрицей для отстающей цепи и вместе с RFC осуще¬ствляют синтез запаздывающей цепи.

Наконец, как и в E.coli топоизомеразы сни¬мают меха¬ническое напряжение, возникающее при распле¬тании ДНК в репликативной вилке, и участ¬вуют в разделе¬нии двух дочерних хромосом. Од¬нако топои¬зомеразы эукариот имеют некоторые от¬личия от прокариотиче¬ских: 1.топоизомеразы I эукариот взаи¬модействуют с 3¢-фосфорильным концом разорванной цепи (прока¬риотические --с 5¢-фосфорильным кон¬цом) 2. топои-зомеразы I эукариот устраняют как отри¬цательные, так и положительные сверх витки (прокариотиче-ские—только отрицательные) 3.топоизомеразы II эу¬кариот не способны инду¬циро¬вать образование отрица¬тельных сверхвит¬ков (как это делает в релаксирован¬ных кольцевых ДНК гираза бактерий).

Итак, получено много данных об эукариотических белках, осуществляющих репликацию ДНК вируса SV40 in vitro. Как упоминалось ранее, инициация репликации ДНК SV40 in vitro требует наличие вирусного белка - T антигена. Для инициации же репликации у эукариот хромосомной ДНК  необходим целый комплекс белков. Так, у дрожжей с сайтом ori в течение всего жизненного цикла связан комплекс из 6 разных белков (ORC), к которому в интерфазе присоединяется ещё целый ряд белков и образованный комплекс инициирует процесс репликации. Такие же белки синтезируются всеми эукариотическими клетками.

Хромосомы эукариот линейны и их концы представлены теломерами, со¬стоящими из повто-ряющихся олигомерных последо¬вательностей; у человека это 25-200 копий последовательности TTAGGG. Наличие специ¬альной области на концах эукариотических хро¬мосом абсолютно необходимо. Дело в том, что при удалении последнего РНК-праймера отстаю¬щей цепи, на 5-конце этой цепи остаётся брешь, которую не способна заполнить ни одна из ДНК-полимераз, т.к. всем им для работы необходим праймер со свободным 3-ОН концом. Без сущест¬вования какого-либо специального меха¬низма дочерняя нить ДНК, синтезируемая на от¬стающей цепи, укорачивалась бы с каждым клеточным де¬лением. Ферментом, предотвращаю¬щим такое укорочение, является теломераза. Этот фермент имеет ассоциированную с ним короткую нить РНК, комплиментарную шестичленной после¬до-вательности, повторяющейся в теломере и слу¬жащую матрицей для синтеза ДНК теломеров. Бла¬годаря этому механизму эукариотические хромо¬сомы могут реплицироваться полностью. Репликация в большинство соматических клеток проходит без участия теломеразы, поэтому с каж¬дым делением длина хромосом клетки укорачи¬ва¬ется и после определённого числа делений хромо¬сомы утрачивают теломеры и начинают терять смысловые участки , что приводит к гибели клетки.  Теломераза активна в половых, раковых клетках и клетках одноклеточных эукариот.

 

G1 – 2n2c

S – 

G2 – 2n4c

Gh – 2n2n

Митоз : 2n4n à2n2c

 

Вопрос 19 (уровни организации хромосом эукариот. Изменение организации (спирализация)хромосом в митотическом цикле клеток): 

Уровни организации хроматина: ДНК – нуклоеосомная нить – элементарная хроматиновая фибрилла – интерфазная хромонема  (укладка в петли, далее глыбки хроматина как компактная структура)– метафазная хроматида (суперспирализация, отдельные хромосомы хорошо различимы). Ядерная структура в интерфазе называется хроматин, в метафазе – хромосома.

Вопрос 20 (Митоз, характеристика фаз митоза. Значение митоза. Эндомитоз, политения. Патологические виды деления клеток):

В профазе происходит спирализация хромосом. Оболочка ядра разрушается. Центриоли расходятся к полюсам клетки. Формируется веретено деления — 2п4с.В метафазе хромосомы располагаются в экваториальной плоскости клетки. Нити веретена деления прикрепляются к центромерам хромосом — 2п4с.В анафазе центромеры делятся, и хроматиды хромосом рас¬ходятся к полюсам клетки за счет укорочения нитей веретена деления. Формула клетки становится 4п4с.В телофазе заканчивается кариокинез — деление ядра. Хромосомы деспирализуются, образуется ядерная оболочка. А далее происходит цитокинез — деление клетки. В конце телофазы из материнской клетки (4п4с) образуются две идентичные клетки с наборами генетического материала 2п2с.

Биологическое значение митоза в том, что в итоге его образуются две клетки с совершенно одинаковой наследственной информацией. Митоз позволяет увеличивать число клеток в организме, обеспечивая рост, вегетативное размножение, регенерацию и заживление повреждений тела.

Эндомитоз - кратное увеличение количества хромосом в клетке - появление полиплоидных клеток. 
Политения - кратное увеличение количества ДНК.

Амитоз – прямое деление клетки.

Вопрос 21 (Мейоз, характеристика фаз мейоза. Редукция и рекомбинация генетического материала в мейозе. Значение мейоза): 
К концу Профазы I центриоли мигрируют к полюсам клетки, формируются нити веретена деления, разрушается ядерная мембрана и ядрышки. Кроссенговер и конъюгация.

• Метафаза I — бивалентные хромосомы выстраиваются вдоль экватора клетки.
• Анафаза I — микротрубочки сокращаются, биваленты делятся и хромосомы расходятся к полюсам. Важно отметить, что, из-за конъюгации хромосом в зиготене, к полюсам расходятся целые хромосомы, состоящие из двух хроматид каждая, а не отдельные хроматиды, как в митозе.
• Телофаза I — хромосомы деспирализуются и появляется ядерная оболочка.

Второе деление мейоза следует непосредственно за первым, без выраженной интерфазы: S-период отсутствует, поскольку перед вторым делением не происходит репликации ДНК.

• Профаза II — происходит конденсация хромосом, клеточный центр делится и продукты его деления расходятся к полюсам ядра, разрушается ядерная оболочка, образуется веретено деления.
• Метафаза II — унивалентные хромосомы располагаются на «экваторе» в одной плоскости, образуя так называемую метафазную пластинку.
• Анафаза II — униваленты делятся и хроматиды расходятся к полюсам.
• Телофаза II — хромосомы деспирализуются и появляется ядерная оболочка.

Происходит редукция (уменьшение) числа хромосом и переход клеток из диплоидного состояния в гаплоидное; рекомбинация – перемешивание наследственного материала.

Значение

 У организмов, размножающихся  половым путем, предотвращается  удвоение числа хромосом в  каждом поколении, так как при  образовании половых клеток мейозом  происходит редукция числа хромосом.

 Мейоз создает возможность  для возникновения новых комбинаций  генов (комбинативная изменчивость), так как происходит образование  генетически различных гамет.

 Редукция числа хромосом  приводит к образованию "чистых  гамет", несущих только один  аллель соответствующего локуса.

 Расположение бивалентов  экваториальной пластинки веретена  деления в метафазе 1 и хромосом  в метафазе 2 определяется случайным  образом. Последующее расхождение  хромосом в анафазе приводит  к образованию новых комбинаций  аллелей в гаметах. Независимое  расхождение хромосом лежит в  основе третьего закона Менделя.

 

Вопрос 22 (регуляция пролиферации и дифференцировки клеток):

Регуляция пролиферации и дифференцировки клеток: геномная, внутриклеточные и тканевые регуляторы (фактор роста нервов, др), индукция клеточная и частей органов, целых органов и частей системы друг на друга, гормоны. Мутации как сбой регуляции.