Molekulaarbioloogia põhidogma. Molekulaarbioloogia keskne dogma. Molekulaarbioloogia põhipostulaat

Selleks et mitte ainult mõista raku struktuuriliste tunnuste olulisust, vaid, mis kõige tähtsam, mõista selle üksikute komponentide ja kogu raku funktsionaalseid funktsioone, et ühendada raku morfoloogia uurimine raku morfoloogia uurimisega. raku struktuuri ja töö olulisematest biokeemilistest ja geneetilistest tunnustest, et uurida rakku spetsiifiliselt kaasaegse rakubioloogia positsioonidega, on vaja vähemalt põgusalt meelde tuletada molekulaarbioloogia põhiprintsiipe ja veel kord lühidalt viidata raku sisule. Molekulaarbioloogia keskne dogma.

Rakk kui selline täidab palju erinevaid funktsioone. Nagu me juba ütlesime, on mõned neist üldised rakulised, mõned on erilised, iseloomulikud spetsiaalsetele rakutüüpidele. Peamised töömehhanismid nende funktsioonide täitmiseks on valgud või nende kompleksid teiste bioloogiliste makromolekulidega, nagu nukleiinhapped, lipiidid ja polüsahhariidid. Näiteks on teada, et erinevate ainete, ioonidest makromolekulideni, transpordiprotsessid rakus on määratud spetsiaalsete valkude või lipoproteiinikomplekside tööga, mis on osa plasmast ja teistest rakumembraanidest. Peaaegu kõik erinevate valkude, nukleiinhapete, lipiidide ja süsivesikute sünteesi, lagunemise ja ümberkorraldamise protsessid toimuvad iga üksiku reaktsiooni jaoks spetsiifiliste valgu-ensüümide aktiivsuse tulemusena. Üksikute bioloogiliste monomeeride, nukleotiidide, aminohapete, rasvhapete, suhkrute ja muude ühendite sünteesi viib läbi ka tohutu hulk spetsiifilisi ensüüme - valke. Kontraktsiooni, mis põhjustab rakkude liikuvust või ainete ja struktuuride liikumist rakkudes, teostavad ka spetsiaalsed kontraktiilsed valgud. Paljud raku reaktsioonid vastuseks välistele teguritele (viirused, hormoonid, võõrvalgud jne) saavad alguse nende tegurite koostoimest spetsiaalsete raku retseptorvalkudega.

Valgud on peaaegu kõigi rakustruktuuride põhikomponendid. Paljud rakus toimuvad keemilised reaktsioonid on määratud paljude ensüümidega, millest igaüks viib läbi ühe või mitu eraldi reaktsiooni. Iga üksiku valgu struktuur on rangelt spetsiifiline, mis väljendub nende primaarstruktuuri spetsiifilisuses - aminohapete järjestuses piki polüpeptiidvalgu ahelat. Veelgi enam, selle aminohappejärjestuse spetsiifilisus kordub eksimatult kõigis antud rakuvalgu molekulides.

Sellise korrektsuse valguahelas üheselt mõistetava aminohapete järjestuse reprodutseerimisel määrab geenipiirkonna DNA struktuur, mis lõppkokkuvõttes vastutab antud valgu struktuuri ja sünteesi eest. Need ideed on molekulaarbioloogia peamine postulaat, selle "dogma". Teave tulevase valgu molekuli kohta edastatakse selle sünteesikohtadesse (ribosoomidesse) vahendaja - messenger RNA (mRNA) kaudu, mille nukleotiidide koostis peegeldab DNA geenipiirkonna nukleotiidide koostist ja järjestust. Ribosoomi on ehitatud polüpeptiidahel, mille aminohapete järjestuse määrab mRNA nukleotiidide järjestus, nende kolmikute järjestus. Seega rõhutab molekulaarbioloogia keskne dogma teabe edastamise ühesuunalisust: ainult DNA-lt valgule, kasutades vahelüli - mRNA-d (DNA → mRNA → valk). Mõnede RNA-d sisaldavate viiruste puhul võib teabe edastamise ahel järgida mustrit RNA → mRNA → valk. Asja olemust see ei muuda, kuna määrav, määrav lüli on ka siin nukleiinhape. Valgu ja nukleiinhappe ja DNA või RNA määramise vastupidised teed ei ole teada.

Et edasi liikuda valgusünteesi kõigi etappidega seotud rakustruktuuride uurimise juurde, tuleb põgusalt peatuda peamistel protsessidel ja komponentidel, mis seda nähtust määravad.

Praegu saab selle keeruka ja mitmeetapilise protsessi kaasaegsete ideede põhjal anda järgmise üldpõhimõttelise diagrammi (joonis 16).

Peamine, "käsu" roll valkude spetsiifilise struktuuri määramisel kuulub desoksüribonukleiinhappele - DNA-le. DNA molekul on ülipikk lineaarne struktuur, mis koosneb kahest omavahel põimunud polümeeriahelast. Nende ahelate koostisosad – monomeerid – on nelja tüüpi desoksüribonukleotiidid, mille vaheldumine või järjestus piki ahelat on ainulaadne ja spetsiifiline iga DNA molekuli ja selle iga sektsiooni jaoks. Erinevate valkude sünteesi eest vastutavad erinevad üsna pikad DNA molekuli lõigud. Seega võib üks DNA molekul määrata suure hulga funktsionaalselt ja keemiliselt erinevate rakuvalkude sünteesi. Igat tüüpi valgu sünteesi eest vastutab ainult teatud osa DNA molekulist. Sellist DNA molekuli lõiku, mis on seotud ühe valgu sünteesiga rakus, nimetatakse sageli "tsistroniks". Praegu peetakse tsistronide mõistet samaväärseks geeni mõistega. Geeni ainulaadne struktuur – selle nukleotiidide spetsiifiline järjestikune paigutus piki ahelat – sisaldab kogu informatsiooni ühe vastava valgu struktuuri kohta.

Valgusünteesi ülddiagrammil on selge (vt joonis 16), et lähtepunktiks, millest algab infovoog valkude biosünteesiks rakus, on DNA. Järelikult on DNA see, mis sisaldab esmast teavet, mida tuleb säilitada ja reprodutseerida rakust rakku, põlvest põlve.

Lühidalt puudutades küsimust, kus geneetilist teavet hoitakse, s.t. DNA lokaliseerimise kohta rakus võib öelda järgmist. Juba ammu on teada, et erinevalt kõigist teistest valkude sünteesiaparaadi komponentidest on DNA-l eriline, väga piiratud lokalisatsioon: selle asukohaks kõrgemate (eukarüootsete) organismide rakkudes saab olema raku tuum. Madalamates (prokarüootsetes) organismides, millel puudub moodustunud rakutuum, seguneb DNA ka ülejäänud protoplasmast ühe või mitme kompaktse nukleotiidmoodustise kujul. Täielikult kooskõlas sellega on eukarüootide tuuma või prokarüootide nukleoidi peetud pikka aega geenide mahutiks, ainulaadseks rakuorganelliks, mis kontrollib organismide pärilike omaduste rakendamist ja nende edasikandumist põlvkondade kaupa.

DNA makromolekulaarse struktuuri peamine põhimõte on nn komplementaarsuse printsiip (joonis 17). Nagu juba mainitud, koosneb DNA molekul kahest omavahel põimunud ahelast. Need ahelad on üksteisega seotud nende vastandlike nukleotiidide interaktsiooni kaudu. Veelgi enam, struktuursetel põhjustel on sellise kaheahelalise struktuuri olemasolu võimalik ainult siis, kui mõlema ahela vastassuunalised nukleotiidid on steeriliselt komplementaarsed, s.t. täiendavad üksteist oma ruumilise struktuuriga. Sellised komplementaarsed nukleotiidipaarid on A-T paar (adeniin-tüümiin) ja G-C paar (guaniin-tsütosiin).

Järelikult, selle komplementaarsuse põhimõtte kohaselt, kui DNA molekuli ühes ahelas on teatud nelja tüüpi nukleotiidide järjestus, siis teises ahelas määratakse nukleotiidide järjestus üheselt, nii et esimese ahela iga A. vastab T-le teises ahelas, igale T-le esimeses ahelas - A-le teises ahelas, igale G-le esimeses ahelas - C-le teises ahelas ja igale C-le esimeses ahelas - G-le teises ahelas .

See DNA molekuli kaheahelalise struktuuri aluseks olev struktuurne põhimõte võimaldab hõlpsasti mõista algse struktuuri täpset reprodutseerimist, s.o. molekuli ahelatesse salvestatud teabe täpne reprodutseerimine nelja tüüpi nukleotiidide spetsiifilise järjestuse kujul. Tõepoolest, uute DNA molekulide süntees rakus toimub ainult olemasolevate DNA molekulide baasil. Sel juhul hakkavad algse DNA molekuli kaks ahelat ühest otsast lahknema ja igas lahknenud üheahelalises sektsioonis hakkab teine ahel koonduma keskkonnas esinevatest vabadest nukleotiididest rangelt kooskõlas põhimõttega. vastastikusest täiendavusest. Algse DNA molekuli kahe ahela lahknemise protsess jätkub ja vastavalt sellele täiendavad mõlemat ahelat komplementaarsed ahelad. Selle tulemusena (nagu on näha joonisel 17) ilmub ühe asemel kaks DNA molekuli, mis on täpselt identsed algse molekuliga. Igas saadud "tütar" DNA molekulis on üks ahel täielikult tuletatud algsest ja teine on äsja sünteesitud.

Tuleb rõhutada, et potentsiaalne võime täpseks reprodutseerimiseks peitub DNA enda kaheahelalises komplementaarses struktuuris ja selle avastamine on loomulikult üks bioloogia peamisi saavutusi.

Kuid DNA reprodutseerimise (reduplikatsiooni) probleem ei piirdu selle struktuuri võimaliku nukleotiidjärjestuse täpse reprodutseerimise võime avaldamisega. Fakt on see, et DNA ise ei ole üldse isepaljunev molekul. Sünteesiprotsessi läbiviimiseks - DNA reprodutseerimine vastavalt ülalkirjeldatud skeemile - on vajalik spetsiaalse ensümaatilise kompleksi, mida nimetatakse DNA polümeraasiks, aktiivsus. Just see ensüüm viib läbi kahe ahela järjestikuse lahknemise protsessi DNA molekuli ühest otsast teise koos nende vabade nukleotiidide samaaegse polümerisatsiooniga vastavalt komplementaarsele põhimõttele. Seega määrab DNA sarnaselt maatriksiga ainult nukleotiidide järjestuse sünteesitud ahelates ja protsessi ise viib läbi valk. Ensüümi töö DNA reduplikatsiooni ajal on tänapäeval üks huvitavamaid probleeme. Tõenäoliselt roomab DNA polümeraas aktiivselt mööda kaheahelalist DNA molekuli ühest otsast teise, jättes endast maha hargneva, korduva "saba". Selle valgu toimimise füüsikalised põhimõtted pole veel selged.

Kuid DNA ja selle üksikud funktsionaalsed sektsioonid, mis kannavad teavet valkude struktuuri kohta, ei osale ise otseselt valgumolekulide loomise protsessis. Esimene samm selle DNA ahelatesse salvestatud teabe realiseerimiseks on nn transkriptsiooniprotsess ehk “ümberkirjutamine”. Selles protsessis toimub DNA ühel ahelal, nagu maatriksil, keemiliselt sarnase polümeeri – ribonukleiinhappe (RNA) süntees. RNA molekul on üheahelaline, mille monomeerideks on nelja tüüpi ribonukleotiidid, mida peetakse DNA nelja tüüpi desoksüribonukleotiidide kergeks modifikatsiooniks. Nelja tüüpi ribonukleotiidide paiknemisjärjestus saadud RNA ahelas kordab täpselt kahest DNA ahelast ühe vastava desoksüribonukleotiidi asukoha järjestust. Nii kopeeritakse geenide nukleotiidne järjestus RNA molekulide kujul, st. antud geeni struktuuris salvestatud informatsioon transkribeeritakse täielikult RNA-ks. Igast geenist saab eemaldada suure, teoreetiliselt piiramatu arvu selliseid "koopiaid" - RNA molekule. Need molekulid, mis on paljudes koopiates ümber kirjutatud geenide "koopiateks" ja kannavad seetõttu geenidega sama teavet, hajuvad kogu rakus. Nad on juba otseses kontaktis raku valke sünteesivate osakestega ja võtavad "isiklikult" osa valgumolekulide loomise protsessidest. Teisisõnu, nad liigutavad teavet selle salvestamise kohast kohta, kus seda rakendatakse. Sellest tulenevalt nimetatakse neid RNA-sid messenger-RNA-deks (mRNA-deks) või messenger-RNA-deks (mRNA-deks).

Leiti, et mRNA ahel sünteesitakse otse, kasutades matriitsina vastavat DNA lõiku. Sel juhul kopeerib sünteesitud mRNA ahel täpselt ühte kahest DNA ahelast oma nukleotiidjärjestuses (eeldusel, et uratsiil (U) RNA-s vastab selle derivaadile tümiinile (T) DNA-s). See toimub sama struktuurse komplementaarsuse põhimõtte alusel, mis määrab DNA reduplikatsiooni (joonis 18). Selgus, et kui mRNA sünteesitakse DNA-l rakus, kasutatakse mRNA ahela moodustamisel mallina ainult ühte DNA ahelat. Siis vastab selle DNA ahela iga G C-le ehitatavas RNA ahelas, iga DNA ahela C vastab RNA ahela G-le, DNA ahela iga T vastab A-le RNA ahelas. ja iga DNA ahela A vastab RNA ahela Y-le. Selle tulemusena on saadud RNA ahel rangelt komplementaarne DNA matriitsi ahelaga ja seega nukleotiidjärjestuselt identne (võtab T = Y) teise DNA ahelaga. Nii “kirjutatakse” info DNA-st RNA-ks, s.t. transkriptsioon. "Ümberkirjutatud" nukleotiidide kombinatsioonid RNA ahelas määravad juba otseselt nende poolt kodeeritavate vastavate aminohapete paigutuse valguahelas.

Siin, nagu ka DNA reduplikatsiooni kaalumisel, on vaja välja tuua selle ensümaatiline olemus kui üks transkriptsiooniprotsessi kõige olulisematest aspektidest. DNA, mis on selles protsessis maatriks, määrab täielikult nukleotiidide asukoha sünteesitud mRNA ahelas, kogu saadud RNA spetsiifilisuse, kuid protsessi ise viib läbi spetsiaalne valk - ensüüm. Seda ensüümi nimetatakse RNA polümeraasiks. Selle molekulil on keeruline organisatsioon, mis võimaldab tal aktiivselt liikuda mööda DNA molekuli, sünteesides samal ajal ühe DNA ahelaga komplementaarset RNA ahelat. DNA molekuli, mis toimib mallina, ei tarbita ega muudeta, see jääb algkujule ja on alati valmis piiramatu arvu “koopiate” - mRNA - ümberkirjutamiseks. Nende mRNA-de voog DNA-st ribosoomidesse moodustab teabevoo, mis tagab raku valkude sünteesiaparaadi, kogu selle ribosoomide komplekti, programmeerimise.

Seega kirjeldab diagrammi vaadeldav osa DNA-st mRNA molekulide kujul tuleva informatsiooni liikumist valke sünteesivate rakusiseste osakesteni. Nüüd pöördume teistsuguse voolu poole – selle materjali voolu poole, millest valk tuleb luua. Valgu molekuli elementaarühikud - monomeerid - on aminohapped, mida on umbes 20. Valgu molekuli loomiseks (sünteesiks) peavad rakus olevad vabad aminohapped olema kaasatud vastavasse valku sünteesivasse osakesse sisenevasse voolu. , ja seal on nad paigutatud ahelasse teatud ainulaadsel viisil, mille dikteerib messenger RNA. See aminohapete – valgu ehitusplokkide – kaasamine toimub vabade aminohapete kinnitamisega suhteliselt väikese suurusega spetsiaalsetele RNA molekulidele. Nendel RNA-del, mille ülesanne on kinnitada neile vabu aminohappeid, kuigi nad ei ole informatiivsed, on erinev - adapter - funktsioon, mille tähendust nähakse edasi. Aminohapped on kinnitatud ülekande-RNA (tRNA) väikeste ahelate ühte otsa, üks aminohape RNA molekuli kohta. Iga sellise aminohappe jaoks on rakul oma spetsiifilised adapter-RNA molekulid, mis kinnitavad ainult neid aminohappeid. Sellisel kujul RNA-ga seotud aminohapped sisenevad valke sünteesivatesse osakestesse.

Valkude biosünteesi protsessi keskne punkt on nende kahe rakusisese voolu – infovoo ja materjalivoo – sulandumine raku valke sünteesivates osakestes. Neid osakesi nimetatakse ribosoomideks. Ribosoomid on molekulaarse suurusega ultramikroskoopilised biokeemilised “masinad”, kus vastavalt messenger-RNA-s sisalduvale plaanile pannakse kokku spetsiifilised valgud sissetulevatest aminohappejääkidest. Kuigi joonisel fig. 19 näitab ainult ühte osakest; iga rakk sisaldab tuhandeid ribisid. Ribosoomide arv määrab valgu sünteesi üldise intensiivsuse rakus. Ühe ribosoomiosakese läbimõõt on umbes 20 nm. Oma keemilise olemuselt on ribosoom ribonukleoproteiin: koosneb spetsiaalsest ribosomaalsest RNA-st (see on meile teadaolev kolmas RNA klass lisaks messenger- ja adapter-RNA-dele) ja struktuurse ribosoomivalgu molekulidest. Üheskoos moodustab see mitmekümnest makromolekulist koosnev kombinatsioon ideaalselt organiseeritud ja töökindla "masina", millel on võime lugeda mRNA ahelas sisalduvat teavet ja rakendada seda kindla struktuuriga valmis valgumolekuli kujul. Kuna protsessi olemus seisneb selles, et 20 erineva aminohappe lineaarne paigutus valguahelas on üheselt määratud nelja erineva nukleotiidi paiknemisega keemiliselt täiesti erineva polümeeri – nukleiinhappe (mRNA) ahelas, siis see protsess toimub ribosoomi nimetatakse tavaliselt "tõlkeks" või "tõlkeks" - translatsioon nukleiinhappeahelate neljatähelisest tähestikust kahekümnetäheliseks valgu (polüpeptiid) ahelate tähestikuks. Nagu näha, osalevad translatsiooniprotsessis kõik kolm teadaolevat RNA klassi: messenger RNA, mis on translatsiooni objekt; ribosomaalne RNA, mis mängib valke sünteesiva ribonukleoproteiini osakese - ribosoomi - organisaatori rolli; ja adapter-RNA-d, mis täidavad translaatori funktsiooni.

Riis. 19. Funktsioneeriva ribosoomi skeem

Valgu sünteesi protsess algab aminohappeühendite moodustumisega adapter-RNA molekulidega ehk tRNA-ga. Sel juhul "aktiveeritakse" aminohape kõigepealt energeetiliselt selle ensümaatilise reaktsiooni tõttu adenosiintrifosfaadi (ATP) molekuliga ja seejärel ühendatakse "aktiveeritud" aminohape suhteliselt lühikese tRNA ahela otsaga. aktiveeritud aminohappe keemiline energia salvestub aminohappe ja tRNA vahelise keemilise sideme energia kujul.

Samal ajal lahendatakse teine probleem. Fakt on see, et reaktsiooni aminohappe ja tRNA molekuli vahel viib läbi ensüüm, mida nimetatakse aminoatsüül-tRNA süntetaasiks. Igal 20 aminohappel on oma spetsiaalsed ensüümid, mis viivad läbi reaktsiooni, milles osaleb ainult see aminohape. Seega on olemas vähemalt 20 ensüümi (aminoatsüül-tRNA süntetaas), millest igaüks on spetsiifiline ühe konkreetse aminohappe suhtes. Kõik need ensüümid võivad reageerida mitte ühegi tRNA molekuliga, vaid ainult nendega, mille ahelas on rangelt määratletud nukleotiidide kombinatsioon. Seega, kuna on olemas hulk selliseid spetsiifilisi ensüüme, mis eristavad ühelt poolt aminohappe olemust ja teiselt poolt tRNA nukleotiidjärjestust, on kõik 20 aminohapet "määratud". ainult teatud tRNA-dele, millel on antud iseloomulik nukleotiidide kombinatsioon.

Skemaatiliselt on valgu biosünteesi protsessi mõned aspektid, nii palju kui me neid täna esindame, toodud joonisel fig. 19. Siin on esiteks selge, et messenger-RNA molekul on seotud ribosoomiga või, nagu öeldakse, on ribosoomi “programmeeritud” messenger-RNA poolt. Igal ajahetkel paikneb ainult suhteliselt lühike mRNA ahela segment otse ribosoomis endas. Kuid just see segment võib ribosoomi osalusel suhelda adapter-RNA molekulidega. Siingi mängib suurt rolli komplementaarsuse põhimõte.

See on selgitus mehhanismile, miks rangelt määratletud aminohape vastab mRNA ahela antud tripletile. Vajalik vaheühend või adapter, kui iga aminohape "tunneb ära" oma tripleti mRNA-l, on adapter-RNA (tRNA).

Joonisel fig. Joonisel 19 on näha, et ribosoomis on lisaks suspendeeritud aminohappega tRNA molekulile veel üks tRNA molekul. Kuid erinevalt ülalkirjeldatud tRNA molekulist kinnitub see tRNA molekul selle otsast sünteesiprotsessis oleva valgu (polüpeptiid) ahela lõppu. See olukord peegeldab valgumolekuli sünteesi ajal ribosoomides toimuvate sündmuste dünaamikat. Seda dünaamikat võib ette kujutada järgmiselt. Alustame teatud vahemomendist, mis kajastub joonisel fig. 19 ja seda iseloomustab juba ehitama hakatud valguahela, selle külge kinnitatud tRNA olemasolu, mis on just sisenenud ribosoomi ja seotud uue tRNA molekuli kolmikuga koos vastava aminohappega. Ilmselt juba tRNA molekuli kinnitumine mRNA kolmiku külge, mis asub ribosoomi antud kohas, viib sellise vastastikuse orientatsiooni ja tiheda kontakti aminohappejäägi ja ehitatava valguahela vahel, et nende vahel tekib kovalentne side. Ühendus toimub nii, et konstrueeritava valguahela ots (joonisel 19 kinnitatud tRNA-ga) kantakse sellelt tRNA-lt üle saabuva aminoatsüül-tRNA aminohappejäägile. Selle tulemusena vabaneb "õige" tRNA, mis on täitnud "doonori" rolli, ja valguahel kandub üle "aktseptorile", s.o. "vasakule" (sissetulevale) aminoatsüül-tRNA-le. Selle tulemusena pikeneb valguahel ühe aminohappe võrra ja kinnitub "vasakpoolse" tRNA külge. Pärast seda kantakse "vasakpoolne" tRNA koos sellega seotud mRNA nukleotiidide kolmikuga paremale, seejärel nihutatakse siit välja eelmine "doonor" tRNA molekul ja lahkub ribosoomidest. Selle asemele ilmub uus tRNA koos ehitatava valguahelaga, mida pikendatakse ühe aminohappejäägi võrra ja mRNA ahel edeneb ribosoomi suhtes ühe kolmiku võrra paremale. MRNA ahela ühe tripleti võrra paremale liikumise tulemusena tekib ribosoomi järgmine vaba kolmik (UUU) ja sellega liitub kohe vastavalt komplementaarsusele vastav aminohappega tRNA (fenüülalanüül-tRNA). põhimõte. See põhjustab taas kovalentse (peptiid) sideme moodustumist ehitatava valguahela ja fenüülalaniini jäägi vahel ning sellele järgneb mRNA ahela liikumine ühe tripleti võrra paremale koos kõigi sellest tulenevate tagajärgedega jne. Nii tõmmatakse messenger-RNA ahel järjestikku, kolmik-tripleti haaval, läbi ribosoomi, mille tulemusena “loetakse” mRNA ahel ribosoomi poolt tervikuna algusest lõpuni. Samal ajal ja koos sellega toimub järjestikuste aminohapete kaupa valguahela kasv. Vastavalt sellele sisenevad aminohapetega tRNA molekulid üksteise järel ribosoomi ja ilma aminohapeteta tRNA molekulid väljuvad. Leides end lahuses väljaspool ribosoomi, ühinevad vabad tRNA molekulid taas aminohapetega ja kannavad need uuesti ribosoomi, liikudes seega ilma hävimise ja muutumiseta ringi.

Loeng nr.

Tundide arv: 2

Molekulaarbioloogia keskne dogma

1) Transkriptsioon

2) Saade

50ndate alguses sõnastas F. Crick molekulaarbioloogia keskse dogma. Selle kontseptsiooni kohaselt edastatakse geneetiline teave DNA-st valkudesse RNA kaudu vastavalt järgmisele skeemile: DNA – RNA – valk.

Biosünteesi esimene etapp toimub tuumas ja seda nimetatakse transkriptsioonid (ümberkirjutamine).

Transkriptsioon- RNA molekulide biosüntees DNA maatriksil. Seda protsessi katalüüsib ensüüm RNA polümeraas. Ensüüm tunneb ära stardimärgitranskriptsioonid - promootor- ja ühineb temaga. Promootor on orienteeritud nii, et RNA polümeraas läbib antud geneetilist piirkonda kindlas suunas. Ensüüm kerib lahti DNA kaksikheeliksi ja kopeerib, alustades promootorist, ühe selle ahelatest. RNA polümeraasi liikumisel eemaldub kasvav RNA ahel matriitsist ja ensüümi taga olev DNA kaksikheeliks taastub. Transkriptsiooniprotsessi käigus sünteesitakse pro-m-RNA - translatsioonis osaleva küpse m-RNA eelkäija. Pro-m-RNA on suure suurusega ja sisaldab fragmente, mis ei kodeeri polüpeptiidahela sünteesi. Neid fragmente nimetatakse intronid, nimetatakse kodeerivaid fragmente eksonid. Nimetatakse intronite väljalõikamise ja eksonite ranges järjekorras splaissimise protsessi splaissimine. Fusiooniprotsessi käigus moodustub küps m-RNA M-RNA transport tuumast tsütoplasmasse toimub tuumapooride kaudu. Küpsed eukarüootsed mRNA-d kodeerivad tavaliselt ainult ühte polüpeptiidahelat.

Biosünteesi järgmine etapp toimub tsütoplasmas ribosoomidel ja seda nimetatakse translatsiooniks.

Saade- valkude polüpeptiidahelate süntees m-RNA maatriksil vastavalt geneetilisele koodile. Translatsiooniprotsessi käigus tõlgitakse info valgu struktuuri kohta m-RNA nukleotiidkoodist sünteesitud valkude spetsiifiliseks aminohapete järjestuseks. Valkude biosünteesi viib läbi kompleksne makromolekulaarne kompleks. Aminohapped toimetatakse ribosoomidesse tRNA abil. Valgusünteesi käigus on m-RNA osa polüribosoomist (sellel sünteesitakse korraga mitu kuni 100 ribosoomi).

Seega on transkriptsioon ja translatsioon ruumiliselt eraldatud. Transkriptsioon toimub tuumas ja translatsioon toimub tsütoplasmas.

Rakul kui sellisel on tohutul hulgal erinevaid funktsioone, nagu me juba ütlesime, mõned neist on üldised rakulised, mõned on erilised, iseloomulikud spetsiaalsetele rakutüüpidele. Peamised töömehhanismid nende funktsioonide täitmiseks on valgud või nende kompleksid teiste bioloogiliste makromolekulidega, nagu nukleiinhapped, lipiidid ja polüsahhariidid. Seega on teada, et erinevate ainete, ioonidest makromolekulideni, transpordiprotsessid rakus on määratud spetsiaalsete valkude või lipoproteiinikomplekside tööga plasmas ja teistes rakumembraanides. Peaaegu kõik erinevate valkude, nukleiinhapete, lipiidide ja süsivesikute sünteesi, lagunemise ja ümberkorraldamise protsessid toimuvad iga üksiku reaktsiooni jaoks spetsiifiliste valgu-ensüümide aktiivsuse tulemusena. Üksikute bioloogiliste monomeeride, nukleotiidide, aminohapete, rasvhapete, suhkrute jne sünteesi viib läbi ka tohutu hulk spetsiifilisi ensüüme – valke. Kontraktsiooni, mis põhjustab rakkude liikuvust või ainete ja struktuuride liikumist rakkudes, teostavad ka spetsiaalsed kontraktiilsed valgud. Paljud raku reaktsioonid vastuseks välistele teguritele (viirused, hormoonid, võõrvalgud jne) saavad alguse nende tegurite koostoimest spetsiaalsete raku retseptorvalkudega.

Sellise korrektsuse valguahelas üheselt mõistetava aminohapete järjestuse reprodutseerimisel määrab geenipiirkonna DNA struktuur, mis lõppkokkuvõttes vastutab antud valgu struktuuri ja sünteesi eest. Need ideed on molekulaarbioloogia peamine postulaat, selle "dogma". Teave tulevase valgu molekuli kohta edastatakse selle sünteesikohtadesse (ribosoomidesse) vahendaja - messenger RNA (mRNA) kaudu, mille nukleotiidide koostis peegeldab DNA geenipiirkonna nukleotiidide koostist ja järjestust. Ribosoomi on ehitatud polüpeptiidahel, mille aminohapete järjestuse määrab mRNA nukleotiidide järjestus, nende kolmikute järjestus. Seega rõhutab molekulaarbioloogia keskne dogma teabe edastamise ühesuunalisust: ainult DNA-lt valgule, vaheühendi, mRNA (DNA) abil.® mRNA ® valk). Teatud RNA-d sisaldavate viiruste puhul võib infoedastusahel järgida RNA – mRNA – valgu skeemi. Asja olemust see ei muuda, kuna määrav, määrav lüli on ka siin nukleiinhape. Valgu ja nukleiinhappe ja DNA või RNA määramise vastupidised teed ei ole teada.

Et edasi liikuda valgusünteesi kõigi etappidega seotud rakustruktuuride uurimise juurde, tuleb põgusalt peatuda peamistel protsessidel ja komponentidel, mis seda nähtust määravad.

Praegu saab selle keeruka ja mitmeetapilise protsessi kaasaegsete ideede põhjal anda järgmise üldpõhimõttelise diagrammi (joonis 16).

Peamine, “käsu” roll valkude spetsiifilise struktuuri määramisel kuulub desoksüribonukleiinhappele – DNA-le. DNA molekul on ülipikk lineaarne struktuur, mis koosneb kahest omavahel põimunud polümeeriahelast. Nende ahelate koostisosad – monomeerid – on nelja tüüpi desoksüribonukleotiidid, mille vaheldumine või järjestus piki ahelat on ainulaadne ja spetsiifiline iga DNA molekuli ja selle iga sektsiooni jaoks. Erinevate valkude sünteesi eest vastutavad erinevad üsna pikad DNA molekuli lõigud. Seega võib üks DNA molekul määrata suure hulga funktsionaalselt ja keemiliselt erinevate rakuvalkude sünteesi. Igat tüüpi valgu sünteesi eest vastutab ainult teatud osa DNA molekulist. Sellist DNA molekuli lõiku, mis on seotud ühe konkreetse valgu sünteesiga rakus, nimetatakse sageli "tsistroniks". Praegu peetakse tsistronide mõistet samaväärseks geeni mõistega. Geeni ainulaadne struktuur – selle nukleotiidide konkreetne järjestus ahelas – sisaldab kogu teavet ühe vastava valgu struktuuri kohta.

DNA makromolekulaarse struktuuri aluspõhimõte on nn komplementaarsuse printsiip (joonis 17). Nagu juba mainitud, koosneb DNA molekul kahest omavahel põimunud ahelast. Need ahelad on üksteisega seotud nende vastandlike nukleotiidide interaktsiooni kaudu. Veelgi enam, struktuursetel põhjustel on sellise kaheahelalise struktuuri olemasolu võimalik ainult siis, kui mõlema ahela vastassuunalised nukleotiidid on steeriliselt komplementaarsed, s.t. täiendavad üksteist oma ruumilise struktuuriga. Sellised komplementaarsed nukleotiidipaarid on A-T paar (adeniin-tüümiin) ja G-C paar (guaniin-tsütosiin).

Järelikult, selle komplementaarsuse põhimõtte kohaselt, kui DNA molekuli ühes ahelas on teatud nelja tüüpi nukleotiidide järjestus, siis teises ahelas määratakse nukleotiidide järjestus üheselt, nii et esimese ahela iga A. vastab T-le teises ahelas, iga esimese ahela T vastab A-le teises ahelas, igale G-le esimeses ahelas - C-le teises ahelas ja igale C-le esimeses ahelas - G-s teine kett.

On näha, et DNA molekuli kaheahelalise struktuuri aluseks olev näidatud struktuuriprintsiip võimaldab hõlpsasti mõista algse struktuuri täpset reprodutseerimist, s.o. molekuli ahelates salvestatud teabe täpne reprodutseerimine 4 tüüpi nukleotiidide spetsiifilise järjestuse kujul. Tõepoolest, uute DNA molekulide süntees rakus toimub ainult olemasolevate DNA molekulide baasil. Sel juhul hakkavad algse DNA molekuli kaks ahelat ühest otsast lahknema ja igas lahknenud üheahelalises sektsioonis hakkab teine ahel koonduma keskkonnas esinevatest vabadest nukleotiididest rangelt kooskõlas põhimõttega. vastastikusest täiendavusest. Algse DNA molekuli kahe ahela lahknemise protsess jätkub ja vastavalt sellele täiendavad mõlemat ahelat komplementaarsed ahelad. Selle tulemusena, nagu diagrammil näha, ilmub ühe asemel kaks DNA molekuli, mis on täpselt identsed algse molekuliga. Igas saadud "tütar" DNA molekulis näib, et üks ahel pärineb täielikult algsest, samas kui teine on äsja sünteesitud.

Peamine, mida tuleb veel kord rõhutada, on see, et DNA enda kaheahelalises komplementaarses struktuuris on omane potentsiaalne võime täpseks reprodutseerimiseks ja selle avastamine on loomulikult üks bioloogia peamisi saavutusi.

Kuid DNA reprodutseerimise (reduplikatsiooni) probleem ei piirdu selle struktuuri võimaliku nukleotiidjärjestuse täpse reprodutseerimise võime avaldamisega. Fakt on see, et DNA ise ei ole üldse isepaljunev molekul. DNA sünteesi ja reprodutseerimise protsessi läbiviimiseks vastavalt ülalkirjeldatud skeemile on vajalik spetsiaalse ensümaatilise kompleksi, mida nimetatakse DNA polümeraasiks, aktiivsus. Ilmselt viib see ensüüm läbi kahe ahela järjestikuse eraldamise DNA molekuli ühest otsast teise koos nende vabade nukleotiidide samaaegse polümerisatsiooniga vastavalt komplementaarsele põhimõttele. Seega määrab DNA sarnaselt maatriksiga ainult nukleotiidide järjestuse sünteesitud ahelates ja protsessi ise viib läbi valk. Ensüümi töö DNA reduplikatsiooni ajal on tänapäeval üks huvitavamaid probleeme. Ilmselt roomab DNA polümeraas aktiivselt mööda kaheahelalist DNA molekuli ühest otsast teise, jättes endast maha hargneva, korduva "saba". Selle valgu toimimise füüsikalised põhimõtted pole veel selged.

Kuid DNA ja selle üksikud funktsionaalsed sektsioonid, mis kannavad teavet valkude struktuuri kohta, ei osale ise otseselt valgumolekulide loomise protsessis. Esimene samm selle DNA ahelatesse salvestatud teabe realiseerimiseks on nn transkriptsiooniprotsess ehk “ümberkirjutamine”. Selles protsessis toimub keemiliselt sarnase polümeeri, ribonukleiinhappe (RNA) süntees DNA ahelas nagu maatriksil. RNA molekul on üheahelaline, mille monomeerideks on nelja tüüpi ribonukleotiidid, mida peetakse DNA nelja tüüpi desoksüribonukleotiidide kergeks modifikatsiooniks. Nelja tüüpi ribonukleotiidide paiknemisjärjestus saadud RNA ahelas kordab täpselt kahest DNA ahelast ühe vastava desoksüribonukleotiidi asukoha järjestust. Nii kopeeritakse geenide nukleotiidne järjestus RNA molekulide kujul, st. antud geeni struktuuris salvestatud informatsioon transkribeeritakse täielikult RNA-ks. Igast geenist saab eemaldada suure, teoreetiliselt piiramatu arvu selliseid "koopiaid" - RNA molekule. Need molekulid, mis on paljudes koopiates ümber kirjutatud geenide "koopiateks" ja kannavad seetõttu geenidega sama teavet, hajuvad kogu rakus. Nad on juba otseses kontaktis raku valke sünteesivate osakestega ja võtavad "isiklikult" osa valgumolekulide loomise protsessidest. Teisisõnu, nad liigutavad teavet selle salvestamise kohast kohta, kus seda rakendatakse. Sellest tulenevalt nimetatakse neid RNA-sid messenger- või messenger-RNA-deks, lühendatult mRNA-ks (või mRNA-ks).

Leiti, et sõnumitooja RNA ahel sünteesitakse otse, kasutades matriitsina vastavat DNA lõiku. Sel juhul kopeerib sünteesitud mRNA ahel täpselt ühte kahest DNA ahelast oma nukleotiidjärjestuses (eeldusel, et uratsiil (U) RNA-s vastab selle derivaadile tümiinile (T) DNA-s). See toimub sama struktuurse komplementaarsuse põhimõtte alusel, mis määrab DNA reduplikatsiooni (joonis 18). Selgus, et kui mRNA sünteesitakse DNA-l rakus, kasutatakse mRNA ahela moodustamisel mallina ainult ühte DNA ahelat. Siis vastab selle DNA ahela iga G C-le ehitatavas RNA ahelas, iga DNA ahela C vastab RNA ahela G-le, DNA ahela iga T vastab A-le RNA ahelas. ja iga DNA ahela A vastab RNA ahela Y-le. Selle tulemusena on saadud RNA ahel rangelt komplementaarne DNA matriitsi ahelaga ja seega nukleotiidjärjestuselt identne (võtab T = Y) teise DNA ahelaga. Nii “kirjutatakse” info DNA-st RNA-ks, s.t. transkriptsioon. "Ümberkirjutatud" nukleotiidide kombinatsioonid RNA ahelas määravad juba otseselt nende poolt kodeeritavate vastavate aminohapete paigutuse valguahelas.

Siin, nagu ka DNA reduplikatsiooni kaalumisel, on vaja välja tuua selle ensümaatiline olemus kui üks transkriptsiooniprotsessi kõige olulisematest aspektidest. DNA, mis on selles protsessis maatriks, määrab täielikult nukleotiidide asukoha sünteesitud mRNA ahelas, kogu saadud RNA spetsiifilisuse, kuid protsessi ise viib läbi spetsiaalne valk - ensüüm. Seda ensüümi nimetatakse RNA polümeraasiks. Selle molekulil on keeruline organisatsioon, mis võimaldab tal aktiivselt liikuda mööda DNA molekuli, sünteesides samal ajal ühe DNA ahelaga komplementaarset RNA ahelat. Mallina toimivat DNA molekuli ei tarbita ega muudeta, see jääb esialgsele kujule ja on alati valmis piiramatu arvu "koopiate" - mRNA - ümberkirjutamiseks. Nende mRNA-de voog DNA-st ribosoomidesse moodustab teabevoo, mis tagab raku valkude sünteesiaparaadi, kogu selle ribosoomide komplekti, programmeerimise.

Seega kirjeldab diagrammi vaadeldav osa DNA-st mRNA molekulide kujul tuleva informatsiooni liikumist valke sünteesivate rakusiseste osakesteni. Nüüd pöördume teistsuguse voolu poole – selle materjali voolu poole, millest valk tuleb luua. Valgu molekuli elementaarühikud - monomeerid - on aminohapped, mida on 20 erinevat sorti. Valgu molekuli loomiseks (sünteesimiseks) peavad rakus olevad vabad aminohapped olema kaasatud vastavasse valku sünteesivasse osakesesse sisenevasse voolu ja seal paiknevad nad teatud unikaalsel viisil, mille määrab sõnumitooja RNA. See aminohapete – valkude loomise ehitusplokkide – kaasamine toimub vabade aminohapete kinnitamise kaudu suhteliselt väikese suurusega spetsiaalsetele RNA molekulidele. Need RNA-d, mis kinnitavad neile vabu aminohappeid, ei ole informatiivsed, vaid kannavad teistsugust adapterfunktsiooni, mille tähendust nähakse edasi. Aminohapped on kinnitatud ülekande-RNA (tRNA) väikeste ahelate ühte otsa, üks aminohape RNA molekuli kohta.

Igat tüüpi aminohapete jaoks rakus on spetsiifilised adapter-RNA molekulid, mis kinnitavad ainult seda tüüpi aminohappeid. Sellisel kujul sisenevad aminohapped RNA-d külastades valke sünteesivatesse osakestesse.

Valkude biosünteesi protsessi keskne punkt on nende kahe rakusisese voolu – infovoo ja materjalivoo – sulandumine raku valke sünteesivates osakestes. Neid osakesi nimetatakse ribosoomideks. Ribosoomid on molekulaarse suurusega ultramikroskoopilised biokeemilised “masinad”, kus vastavalt messenger-RNA-s sisalduvale plaanile pannakse kokku spetsiifilised valgud sissetulevatest aminohappejääkidest. Kuigi see diagramm (joonis 19) näitab ainult ühte osakest, sisaldab iga rakk tuhandeid ribisid. Ribosoomide arv määrab valgu sünteesi üldise intensiivsuse rakus. Ühe ribosoomiosakese läbimõõt on umbes 20 nm. Oma keemilise olemuselt on ribosoom ribonukleoproteiin: koosneb spetsiaalsest ribosomaalsest RNA-st (see on meile teadaolev kolmas RNA klass lisaks messenger- ja adapter-RNA-dele) ja struktuurse ribosoomivalgu molekulidest. Üheskoos moodustab see mitmekümnest makromolekulist koosnev kombinatsioon ideaalselt organiseeritud ja töökindla "masina", millel on võime lugeda mRNA ahelas sisalduvat teavet ja rakendada seda kindla struktuuriga valmis valgumolekuli kujul. Kuna protsessi olemus seisneb selles, et 20 tüüpi aminohapete lineaarne paigutus valguahelas on üheselt määratud nelja tüüpi nukleotiidide asukohaga keemiliselt täiesti erineva polümeeri – nukleiinhappe (mRNA) ahelas, siis see protsess. Ribosoomis esinevat nähtust nimetatakse tavaliselt "tõlkeks" või "tõlkeks" - translatsioon nukleiinhappeahelate 4-tähelisest tähestikust valgu (polüpeptiid) ahelate 20-täheliseks tähestikuks. Nagu näha, osalevad translatsiooniprotsessis kõik kolm teadaolevat RNA klassi: messenger RNA, mis on translatsiooni objektiks, ribosomaalne RNA, mis mängib valke sünteesiva ribonukleoproteiini osakese – ribosoomi – organisaatori rolli ja adapter-RNA. , mis täidab tõlkija funktsiooni.

Kuid samal ajal on lahendamisel ka teine ülesanne. Fakt on see, et reaktsiooni aminohappe ja tRNA molekuli vahel viib läbi ensüüm, mida nimetatakse aminoatsüül-tRNA süntetaasiks. Iga 20 tüüpi aminohapete jaoks on olemas spetsiaalsed ensüümid, mis viivad läbi reaktsiooni, mis hõlmab ainult seda aminohapet. Seega on olemas vähemalt 20 ensüümi (aminoatsüül-tRNA süntetaas), millest igaüks on spetsiifiline ühte tüüpi aminohapete suhtes. Kõik need ensüümid võivad reageerida mitte ühegi tRNA molekuliga, vaid ainult nendega, mille ahelas on rangelt määratletud nukleotiidide kombinatsioon. Seega, tänu selliste spetsiifiliste ensüümide komplekti olemasolule, mis eristavad ühelt poolt aminohappe olemust ja teiselt poolt tRNA nukleotiidjärjestust, selgub igaüks 20 tüüpi aminohappetest. olema "määratud" ainult teatud tRNA-le, millel on antud iseloomulik nukleotiidide kombinatsioon.

Skemaatiliselt on valgu biosünteesi protsessi mõned aspektid, nii palju kui me neid täna esindame, toodud joonisel fig. 19.

Siin on esiteks selge, et messenger-RNA molekul on ühendatud ribosoomiga või, nagu öeldakse, on ribosoomi "programmeeritud" messenger-RNA. Igal ajahetkel paikneb ainult suhteliselt lühike mRNA ahela segment otse ribosoomis endas. Kuid just see segment võib ribosoomi osalusel suhelda adapter-RNA molekulidega. Ja siin mängib taas peamist rolli komplementaarsuse põhimõte, millest eespool juba kaks korda juttu oli.

See on selgitus mehhanismile, miks rangelt määratletud aminohape vastab mRNA ahela antud tripletile. On näha, et kui iga aminohape mRNA-l oma kolmiku ära tunneb, on vajalik vahelüli ehk adapter adapter-RNA (tRNA).

Diagrammil edasi (vt joonis 19) on selge, et ribosoomis on lisaks äsja arutatud tRNA molekulile koos seotud aminohappega veel üks tRNA molekul. Kuid erinevalt ülalkirjeldatud tRNA molekulist on see tRNA molekul kinnitatud oma otsast sünteesiprotsessis oleva valgu (polüpeptiid) ahela otsa. See olukord peegeldab valgumolekuli sünteesi ajal ribosoomides toimuvate sündmuste dünaamikat. Seda dünaamikat võib ette kujutada järgmiselt. Alustame teatud vahemomendist, mis kajastub diagrammil ja mida iseloomustab juba ehitama hakanud valguahela olemasolu, sellega seotud tRNA, mis on just sisenenud ribosoomi ja kontakteerunud uue tRNA molekuli kolmikuga. sellele vastav aminohape. Ilmselt juba tRNA molekuli kinnitumine mRNA kolmiku külge, mis asub ribosoomi antud kohas, viib sellise vastastikuse orientatsiooni ja tiheda kontakti aminohappejäägi ja ehitatava valguahela vahel, et nende vahel tekib kovalentne side. Ühendus toimub nii, et konstrueeritava valguahela ots, mis on diagrammil tRNA-ga seotud, kantakse sellelt tRNA-lt üle saabuva aminoatsüül-tRNA aminohappejäägile. Selle tulemusel vabaneb "parem" tRNA, mis on täitnud "doonori" rolli, ja valguahel kantakse üle "aktseptorile" - "vasakule" (saabunud) aminoatsüül-tRNA-le, selle tulemusena pikeneb valguahel ühe aminohappe võrra ja kinnitub "vasaku" » tRNA külge. Pärast seda kantakse "vasakpoolne" tRNA koos sellega seotud mRNA nukleotiidide kolmikuga "paremale", seejärel nihkub siit välja eelmine "doonor" tRNA molekul ja jätab ribosoomid oma kohale. ilmub uus tRNA koos valmimisjärgus oleva valguahelaga, mis on pikenenud ühe aminohappejäägi võrra ja mRNA ahel edeneb ribosoomi suhtes ühe tripleti võrra paremale. MRNA ahela ühe tripleti võrra paremale liikumise tulemusena tekib ribosoomi järgmine vaba kolmik (UUU) ja sellega liitub kohe vastavalt komplementaarsusele vastav aminohappega tRNA (fenüülalanüül-tRNA). põhimõte. See põhjustab taas kovalentse (peptiid) sideme moodustumist ehitatava valguahela ja fenüülalaniini jäägi vahel ning sellele järgneb mRNA ahela liikumine ühe tripleti võrra paremale koos kõigi sellest tulenevate tagajärgedega jne. Nii tõmmatakse messenger-RNA ahel järjestikku, kolmik-tripleti haaval, läbi ribosoomi, mille tulemusena “loetakse” mRNA ahel ribosoomi poolt tervikuna algusest lõpuni. Samal ajal ja koos sellega toimub järjestikuste aminohapete kaupa valguahela kasv. Vastavalt sellele sisenevad aminohapetega tRNA molekulid üksteise järel ribosoomi ja ilma aminohapeteta tRNA molekulid väljuvad. Leides end lahuses väljaspool ribosoomi, ühinevad vabad tRNA molekulid taas aminohapetega ja kannavad need uuesti ribosoomi, liikudes seega ilma hävimise ja muutumiseta ringi.

MobiilneCORE

1. Interfaasilise tuuma üldised omadused. Kerneli funktsioonid

1. Interfaasilise tuuma üldised omadused

Tuum on raku kõige olulisem komponent, mida leidub peaaegu kõigis hulkrakseliste organismide rakkudes. Enamikul rakkudel on üks tuum, kuid on kahe- ja mitmetuumalisi rakke (näiteks vöötlihaskiud). Binukleaarsuse ja multinukleaarsuse määravad rakkude funktsionaalsed omadused või patoloogiline seisund. Tuuma kuju ja suurus on väga muutlikud ning sõltuvad organismi tüübist, tüübist, vanusest ja raku funktsionaalsest seisundist. Keskmiselt moodustab tuuma maht ligikaudu 10% raku kogumahust. Kõige sagedamini on südamikul ümmargune või ovaalne kuju, mille läbimõõt on vahemikus 3 kuni 10 mikronit. Tuuma minimaalne suurus on 1 mikron (mõnedel algloomadel), maksimaalne 1 mm (mõnede kalade ja kahepaiksete mari). Mõnel juhul on tuuma kuju sõltuvus raku kujust. Tuum hõivab tavaliselt keskse positsiooni, kuid diferentseerunud rakkudes võib see nihkuda raku perifeersesse ossa. Peaaegu kogu eukarüootse raku DNA on koondunud tuuma.

Kerneli peamised funktsioonid on järgmised:

1) Geneetilise teabe säilitamine ja edastamine;

2) Valgu sünteesi, ainevahetuse ja energia reguleerimine rakus.

Seega ei ole tuum ainult geneetilise materjali hoidla, vaid ka koht, kus see materjal toimib ja paljuneb. Seetõttu põhjustab nende funktsioonide häirimine rakusurma. Kõik see näitab tuumastruktuuride juhtivat tähtsust nukleiinhapete ja valkude sünteesi protsessides.

Üks esimesi teadlasi, kes demonstreeris tuuma rolli raku elus, oli saksa bioloog Hammerling. Hammerling kasutas katseobjektina suuri üherakulisi vetikaid Atsetobulaariamediterranea ja A.crenulata. Need tihedalt seotud liigid eristuvad üksteisest selgelt nende "korgi" kuju järgi. Varre põhjas on tuum. Mõnes katses eraldati kübar varre alumisest osast. Selle tulemusena leiti, et mütsi normaalseks arenguks on vajalik tuum. Teistes katsetes ühendati ühe vetikaliigi tuumaga vars teise liigi tuumata varrega. Saadud kimääridel tekkis alati sellele liigile, millesse tuum kuulus, tüüpiline kübar.

Interfaaside tuuma üldine struktuur on kõigis rakkudes ühesugune. Tuum koosneb tuumaümbris, kromatiin, nukleoolid, tuumavalgu maatriks ja karüoplasma (nukleoplasma). Neid komponente leidub peaaegu kõigis eukarüootsete ühe- ja mitmerakuliste organismide mittejagunevates rakkudes.

2. Tuuma ümbris, struktuur ja funktsionaalne tähtsus

Tuumaümbris (karüolemma, karüoteka) koosneb välimisest ja sisemisest tuumamembraanist paksusega 7 nm. Nende vahel asub perinukleaarne ruum laius 20 kuni 40 nm. Tuumaümbrise peamised keemilised komponendid on lipiidid (13-35%) ja valgud (50-75%). Väikeses koguses DNA-d (0-8%) ja RNA-d (3-9%) leidub ka tuumamembraanides. Tuumamembraane iseloomustab suhteliselt madal kolesteroolisisaldus ja kõrge fosfolipiidide sisaldus. Tuumaümbris on otseselt seotud endoplasmaatilise retikulumi ja tuuma sisuga. Sellega külgnevad mõlemalt poolt võrgutaolised struktuurid. Sisemist tuumamembraani vooderdav võrgutaoline struktuur on õhukese kesta välimusega ja seda nimetatakse tuuma kiht. Tuuma kiht toetab membraani ja kontakteerub kromosoomide ja tuuma RNA-dega. Välist tuumamembraani ümbritsev võrgutaoline struktuur on palju vähem kompaktne. Välimine tuumamembraan on täis ribosoomid, mis osalevad valkude sünteesis. Tuumaümbris sisaldab arvukalt umbes 30-100 nm läbimõõduga poore. Tuumapooride arv sõltub rakutüübist, rakutsükli staadiumist ja konkreetsest hormonaalsest olukorrast. Seega mida intensiivsemad on sünteetilised protsessid rakus, seda rohkem on tuumamembraanis poore. Tuumapoorid on üsna labiilsed struktuurid, st olenevalt välismõjudest on nad võimelised muutma oma raadiust ja juhtivust. Pooriava on täidetud keerukalt organiseeritud kera- ja fibrillaarsete struktuuridega. Membraani perforatsioonide ja nende struktuuride kogumit nimetatakse tuumapooride kompleksiks. Keerulisel pooride kompleksil on kaheksanurkne sümmeetria. Tuumaümbrises oleva ümmarguse augu piiril on kolm rida graanuleid, igas 8 tükki: üks rida sisaldab vahendit tuumapoole kontseptuaalsete mudelite koostamiseks, teine on vahend tsütoplasma poole kontseptuaalsete mudelite koostamiseks. , kolmas asub pooride keskosas. Graanulite suurus on umbes 25 nm. Graanulitest ulatuvad fibrillaarsed protsessid. Sellised fibrillid, mis ulatuvad perifeersetest graanulitest, võivad koonduda keskele ja luua justkui vaheseina, diafragma üle poori. Ava keskel on sageli näha nn keskset graanulit.

Tuumatsütoplasmaatiline transport

Substraadi translokatsiooni protsess läbi tuumapoori (impordi korral) koosneb mitmest etapist. Esimeses etapis ankurdatakse transpordikompleks tsütoplasma poole suunatud fibrillile. Seejärel fibrill paindub ja viib kompleksi tuumapooride kanali sissepääsuni. Toimub kompleksi tegelik translokatsioon ja vabanemine karüoplasmasse. Tuntud on ka pöördprotsess – ainete ülekandmine tuumast tsütoplasmasse. See puudutab peamiselt ainult tuumas sünteesitud RNA transporti. On ka teine viis ainete transportimiseks tuumast tsütoplasmasse. Seda seostatakse tuumamembraani väljakasvude moodustumisega, mida saab tuumast vakuoolide kujul eraldada ja seejärel nende sisu välja valada või tsütoplasmasse vabaneda.

Seega toimub ainete vahetus tuuma ja tsütoplasma vahel peamiselt kahel viisil: läbi pooride ja nöörimise teel.

Tuumamembraani funktsioonid:

1. Barjäär.See funktsioon on eraldada tuuma sisu tsütoplasmast. Selle tulemusena eralduvad RNA/DNA sünteesi ja valgusünteesi protsessid ruumiliselt.

2. Transport.Tuumaümbris reguleerib aktiivselt makromolekulide transporti tuuma ja tsütoplasma vahel.

3. Korraldamine.Tuumaümbrise üks peamisi funktsioone on selle osalemine tuumasisese korra loomises.

3. Kromatiini ja kromosoomide ehitus ja funktsioonid

Pärilikkusaine võib rakutuumas esineda kahes struktuurses ja funktsionaalses olekus:

1. Kromatiin.See on dekondenseeritud, metaboolselt aktiivne olek, mis on loodud toetama transkriptsiooni- ja reduplikatsiooniprotsesse interfaasis.

2. Kromosoomid.See on maksimaalselt kondenseeritud, kompaktne, metaboolselt inaktiivne olek, mis on mõeldud geneetilise materjali jaotamiseks ja transportimiseks tütarrakkudesse.

Kromatiin.Raku tuumas tuvastatakse tiheda aine tsoonid, mis on põhivärvidega hästi värvitud. Neid struktuure nimetatakse "kromatiiniks" (kreeka keelest "chromo"– värv, värv). Interfaaside tuumade kromatiin esindab kromosoome, mis on dekondenseerunud olekus. Kromosoomide kondenseerumise aste võib varieeruda. Nimetatakse täieliku dekondensatsiooni tsoone eukromatiin. Mittetäieliku dekondensatsiooni korral nimetatakse kondenseerunud kromatiini alasid heterokromatiin. Kromatiini dekondensatsiooni aste interfaasis peegeldab selle struktuuri funktsionaalset koormust. Mida “hajusamalt” kromatiin faasidevahelises tuumas jaotub, seda intensiivsemad on selles sünteetilised protsessid. VähendadaRNA sünteesiga rakkudes kaasneb tavaliselt kondenseerunud kromatiini tsoonide suurenemine.Kondenseerunud kromatiini maksimaalne kondenseerumine saavutatakse mitootilise rakkude jagunemise ajal. Sel perioodil ei täida kromosoomid mingeid sünteetilisi funktsioone.

Keemiliselt koosneb kromatiin DNA-st (30-45%), histoonidest (30-50%), mittehistoonvalkudest (4-33%) ja vähesel määral RNA-st.Eukarüootsete kromosoomide DNA on lineaarsed molekulid, mis koosnevad tandemina (üksteise järel) paiknevatest erineva suurusega replikonitest. Replikoni keskmine suurus on umbes 30 mikronit. Replikonid on DNA lõigud, mis sünteesitakse sõltumatute üksustena. Replikonitel on DNA sünteesi algus- ja lõpp-punkt. RNA esindab kõiki teadaolevaid rakulisi RNA tüüpe, mis on sünteesi- või küpsemisprotsessis. Histoonid sünteesitakse tsütoplasma polüsoomidel ja see süntees algab mõnevõrra varem kui DNA reduplikatsioon. Sünteesitud histoonid migreeruvad tsütoplasmast tuuma, kus nad seonduvad DNA osadega.

Struktuurselt on kromatiin desoksüribonukleoproteiini (DNP) molekulide filamentne kompleks, mis koosneb histoonidega seotud DNA-st. Kromatiini niit on DNA kaksikheeliks, mis ümbritseb histooni südamikku. See koosneb korduvatest ühikutest – nukleosoomidest. Nukleosoomide arv on tohutu.

Kromosoomid(kreeka keelest chromo ja soma) on raku tuuma organellid, mis on geenide kandjad ja määravad rakkude ja organismide pärilikud omadused.

Kromosoomid on üsna püsiva paksusega erineva pikkusega vardakujulised struktuurid. Neil on esmane kitsendustsoon, mis jagab kromosoomi kaheks haruks.Kromosoome, mille väärtus on võrdne, nimetatakse metatsentriline, ebavõrdse pikkusega õlgadega - submetatsentriline. Nimetatakse väga lühikese, peaaegu märkamatu teise käega kromosoome akrotsentriline.

Esmase ahenemise piirkonnas on tsentromeer, mis on kettakujuline lamellstruktuur. Tsentromeeri külge on kinnitatud mitootilise spindli mikrotuubulite kimbud, mis kulgevad tsentrioolide suunas. Need mikrotuubulite kimbud osalevad mitoosi ajal kromosoomide liikumises raku poolustele. Mõnel kromosoomil on sekundaarne ahenemine. Viimane asub tavaliselt kromosoomi distaalse otsa lähedal ja eraldab väikese piirkonna, satelliidi. Sekundaarseid kitsendusi nimetatakse nukleolaarseteks organisaatoriteks. Siin paikneb rRNA sünteesi eest vastutav DNA. Kromosoomide käed lõpevad telomeeridega, terminaalsete piirkondadega. Kromosoomide telomeersed otsad ei ole võimelised ühenduma teiste kromosoomide või nende fragmentidega. Seevastu kromosoomide katkised otsad võivad olla kinnitatud teiste kromosoomide samade katkiste otste külge.

Erinevate organismide kromosoomide suurus on väga erinev. Seega võib kromosoomide pikkus varieeruda 0,2 kuni 50 mikronini. Väikseimad kromosoomid on leitud mõnedel algloomadel ja seentel. Kõige pikemad on mõnedel ortopteralistel putukatel, kahepaiksetel ja liiliatel. Inimese kromosoomide pikkus jääb vahemikku 1,5-10 mikronit.

Kromosoomide arv erinevates objektides varieerub samuti oluliselt, kuid on tüüpiline igale looma- või taimeliigile. Mõnes radiolaarias ulatub kromosoomide arv 1000-1600-ni. Taimede kromosoomide arvu rekordiomanik (umbes 500) on kõrreline sõnajalg, mooruspuul on 308 kromosoomi. Väikseim arv kromosoome (2 diploidse komplekti kohta) on täheldatud malaariaplasmoodiumil, hobuse ümarussil. Inimestel on kromosoomide arv 46,šimpansides, prussakates ja paprikates– 48, Drosophila äädikakärbes – 8, majakärbes – 12, karpkala – 104, kuusk ja mänd – 24, tuvi – 80.

Karüotüüp (kreeka keelest Karion - tuum, pähkli tuum, operaatorid - muster, kuju) on teatud liigile iseloomulike kromosoomikomplekti omaduste kogum (kromosoomide arv, suurus, kuju).

Sama liigi eri soost isendid (eriti loomad) võivad kromosoomide arvu poolest erineda (erinevus on enamasti üks kromosoom). Isegi lähedaste liikide puhul erinevad kromosoomikomplektid üksteisest kas kromosoomide arvu või vähemalt ühe või mitme kromosoomi suuruse poolest.Seetõttu võib karüotüübi struktuur olla taksonoomiline tunnus.

20. sajandi teisel poolel hakati kasutusele võtma kromosoomianalüüsi kromosoomide diferentsiaalse värvimise meetodid. Arvatakse, et üksikute kromosoomipiirkondade värvimisvõime on seotud nende keemiliste erinevustega.

4. Nucleolus. Karüoplasma. Tuumavalgu maatriks

Tuum (nucleolus) on eukarüootsete organismide raku tuuma oluline komponent. Siiski on mõned erandid. Seega puuduvad kõrgelt spetsialiseerunud rakkudes, eriti mõnedes vererakkudes, tuumad. Tuum on tihe ümar keha, mille suurus on 1-5 mikronit. Erinevalt tsütoplasma organellidest ei ole tuumal membraani, mis ümbritseb selle sisu. Tuuma suurus peegeldab selle funktsionaalse aktiivsuse astet, mis on erinevates rakkudes väga erinev. Tuum on kromosoomi derivaat. Tuum koosneb valgust, RNA-st ja DNA-st. RNA kontsentratsioon nukleoolides on alati suurem kui RNA kontsentratsioon raku teistes komponentides. Seega võib RNA kontsentratsioon tuumas olla 2-8 korda suurem kui tuumas ja 1-3 korda suurem kui tsütoplasmas. Suure RNA sisalduse tõttu värvuvad nukleoolid hästi aluseliste värvainetega. Tuuma DNA moodustab suuri silmuseid, mida nimetatakse "nukleolaarseteks organisaatoriteks". Neist oleneb nukleoolide moodustumine ja arv rakkudes. Tuum on oma struktuurilt heterogeenne. See paljastab kaks põhikomponenti: granulaarne ja fibrillaarne. Graanulite läbimõõt on umbes 15-20 nm, fibrillide paksus– 6-8 nm. Fibrillaarne komponent võib koonduda tuuma keskosas ja granuleeritud komponent - piki perifeeriat. Sageli moodustab granuleeritud komponent filamentseid struktuure - nukleoloneeme paksusega umbes 0,2 μm. Nukleoolide fibrillaarne komponent on ribosoomi prekursorite ribonukleoproteiini ahelad ja graanulid on küpsevad ribosoomi subühikud. Tuuma ülesandeks on ribosomaalse RNA (rRNA) ja ribosoomide moodustamine, millel tsütoplasmas toimub polüpeptiidahelate süntees. Ribosoomide moodustumise mehhanism on järgmine: nukleolaarse organisaatori DNA-le moodustub rRNA prekursor, mis on nukleolaarses tsoonis valguga kaetud. Nukleolaarses tsoonis toimub ribosomaalsete subühikute kokkupanek. Aktiivselt toimivates nukleoolides sünteesitakse 1500-3000 ribosoomi minutis. Tuuma ribosoomid sisenevad tuumaümbrises olevate pooride kaudu endoplasmaatilise retikulumi membraanidesse. Nukleoolide arv ja moodustumine on seotud nukleoolide organisaatorite aktiivsusega. Muutused nukleoolide arvus võivad toimuda nukleoolide liitumise või raku kromosomaalse tasakaalu nihke tõttu. Tuumad sisaldavad tavaliselt mitut tuuma. Mõnede rakkude (vesiloomade ootsüüdid) tuumad sisaldavad suurel hulgal tuumakesi. Seda nähtust nimetatakse võimendus. See seisneb kvaliteedijuhtimissüsteemide korraldamises, nii et toimub nukleolaarse organisaatori tsooni ülepaljunemine, arvukad koopiad lahkuvad kromosoomidest ja muutuvad täiendavalt töötavateks nukleoolideks. See protsess on vajalik tohutu hulga ribosoomide kogumiseks muna kohta. See tagab embrüo arengu varases staadiumis isegi uute ribosoomide sünteesi puudumisel. Superarvukad nukleoolid kaovad pärast munaraku küpsemist.

Tuuma saatus raku jagunemise ajal. Kui r-RNA süntees profaasis laguneb, nukleool lõdveneb ja valmis ribosoomid vabanevad karüoplasmasse ja seejärel tsütoplasmasse. Kromosoomide kondenseerumisel on tuuma fibrillaarne komponent ja osa graanulitest tihedalt seotud nende pinnaga, moodustades mitootiliste kromosoomide maatriksi aluse. See fibrillaarne-granulaarne materjal kandub kromosoomide kaudu tütarrakkudesse. Varajases telofaasis vabanevad maatriksi komponendid kromosoomide dekondenseerumisel. Selle fibrillaarne osa hakkab kogunema arvukateks väikesteks partneriteks - pretuumadeks, mis võivad üksteisega ühineda. Kui RNA süntees taastub, muutuvad prenukleoolid normaalselt funktsioneerivateks tuumadeks.

Karüoplasma(kreeka keelest< карион > – pähkel, pähklituum) või tuumamahl, mis on struktuuritu poolvedela massi kujul, mis ümbritseb kromatiini ja nukleoole. Tuumamahl sisaldab valke ja erinevaid RNA-sid.

Tuumavalgu maatriks (tuuma skelett) - tuumasisene raamistik, mis säilitab faasidevahelise tuuma üldise struktuuri, ühendades kõik tuumakomponendid. See on lahustumatu materjal, mis jääb pärast biokeemilisi ekstraheerimisi tuuma. Sellel ei ole selget morfoloogilist struktuuri ja see koosneb 98% ulatuses valkudest.

Sellise korrektsuse valguahelas üheselt mõistetava aminohapete järjestuse reprodutseerimisel määrab geenipiirkonna DNA struktuur, mis lõppkokkuvõttes vastutab antud valgu struktuuri ja sünteesi eest. Need ideed on molekulaarbioloogia peamine postulaat, selle "dogma". Teave tulevase valgu molekuli kohta edastatakse selle sünteesikohtadesse (ribosoomidesse) vahendaja - messenger RNA (mRNA) kaudu, mille nukleotiidide koostis peegeldab DNA geenipiirkonna nukleotiidide koostist ja järjestust. Ribosoomi on ehitatud polüpeptiidahel, mille aminohapete järjestuse määrab mRNA nukleotiidide järjestus, nende kolmikute järjestus. Seega rõhutab molekulaarbioloogia keskne dogma teabe edastamise ühesuunalisust: ainult DNA-lt valgule, vaheühendi, mRNA (DNA ® mRNA ® valgu) abil. Teatud RNA-d sisaldavate viiruste puhul võib infoedastusahel järgida RNA – mRNA – valgu skeemi. Asja olemust see ei muuda, kuna määrav, määrav lüli on ka siin nukleiinhape. Valgu ja nukleiinhappe ja DNA või RNA määramise vastupidised teed ei ole teada.