Ядерная оболочка

Ядерная оболочка представляет собой двойную мембрану, состоящую из внешнего и внутреннего двойного слоя фосфолипидов. Тонкое пространство между двумя слоями соединяется с просветом шероховатого эндоплазматического ретикулума (ГЭР), а наружный слой является продолжением внешней поверхности ГЭР.

Внутренняя поверхность ядерной оболочки имеет белковую выстилку, называемую ядерной пластинкой, которая связывается с хроматином и другим содержимым ядра.Вся оболочка перфорирована многочисленными ядерными порами. Эти транспортные пути полностью проницаемы для малых молекул размером с мельчайшие белки, но они образуют селективный барьер против движения более крупных молекул. Каждая пора окружена сложной белковой структурой, называемой комплексом ядерной поры, которая отбирает молекулы для входа в ядро. В ядро ​​через поры входят нуклеотидные строительные блоки ДНК и РНК, а также аденозинтрифосфат, обеспечивающий энергию для синтеза генетического материала. Гистоны и другие крупные белки также должны проходить через поры. Эти молекулы имеют специальные аминокислотные последовательности на своей поверхности, которые сигнализируют о проникновении комплексов ядерных пор. Комплексы также регулируют экспорт из ядра РНК и субъединиц рибосом.

ДНК у прокариот также организована в виде петель и связана с небольшими белками, напоминающими гистоны, но эти структуры не окружены ядерной мембраной.

Генетическая организация ядра

Структура ДНК

Некоторые черты являются общими для генетической структуры большинства организмов. Во-первых, это двухцепочечная ДНК. Каждая нить этой молекулы представляет собой серию нуклеотидов, и каждый нуклеотид состоит из сахаро-фосфатного соединения, присоединенного к одному из четырех азотсодержащих оснований. Соединения сахара и фосфата соединяются вместе, образуя основу нити. Каждое из оснований, расположенных вдоль остова, химически притягивается к соответствующему основанию на параллельной цепи молекулы ДНК. Это спаривание оснований соединяет две нити молекулы так же, как ступени соединяют две стороны лестницы, а химическая связь пар оснований скручивает двойные нити в спиральную или спиралевидную форму.

Четыре нуклеотидных основания — это аденин, цитозин, гуанин и тимин. ДНК состоит из миллионов таких оснований, образующих, по-видимому, бесконечное разнообразие последовательностей.Именно в последовательности оснований содержится генетическая информация, каждая последовательность определяет последовательность аминокислот, соединяемых в белки. Последовательность нуклеотидов, достаточная для кодирования одного белка, называется геном. Гены вкраплены вдоль молекулы ДНК с другими последовательностями, которые не кодируют белки. Некоторые из этих так называемых нетранслируемых областей регулируют активность соседних генов, например, маркируя точки, в которых ферменты начинают и прекращают транскрипцию ДНК в РНК.Смотри ниже Генетическая экспрессия через РНК).

Перестройка и модификация ДНК

Перестройки и модификации нуклеотидных последовательностей в ДНК являются исключениями из правил генетической экспрессии и иногда вызывают значительные изменения в структуре и функции клеток. Разные клетки организма обязаны своей специализированной структурой и функциями разным генам. Это не означает, что набор генетической информации различается между клетками организма. Действительно, для каждой клетки все ДНК-содержание хромосом обычно точно удваивается из поколения в поколение, и вообще генетическое содержание и расположение поразительно сходны среди разных типов клеток одного и того же организма. В результате дифференцировка клеток может происходить без потери или необратимой инактивации ненужных генов, что подтверждается наличием специфических генов в ряде тканей взрослого организма. Например, нормальные копии генов, кодирующих гемоглобин, присутствуют в том же количестве в эритроцитах, которые производят гемоглобин, что и в ряде других типов клеток, которые этого не делают.

Несмотря на общее единообразие генетического содержания во всех клетках организма, исследования показали несколько ярких примеров у некоторых организмов запрограммированных обратимых изменений в ДНК развивающихся тканей. Одна из самых драматических перестроек ДНК происходит в иммунной системе млекопитающих.Защита организма от вторжения чужеродных организмов включает синтез широкого спектра антител лимфоцитами (разновидность лейкоцитов). Антитела представляют собой белки, которые связываются со специфическими вторгающимися молекулами или организмами и либо инактивируют их, либо сигнализируют об их разрушении. Сайты связывания на каждой молекуле антитела образованы одной легкой и одной тяжелой аминокислотной цепью, которые кодируются разными сегментами ДНК в ядре лимфоцита. Эти сегменты ДНК претерпевают значительные перестройки, что приводит к синтезу большого разнообразия антител. Некоторые инвазивные организмы, такие как трипаносомные паразиты, вызывающие сонную болезнь, идут на многое, чтобы перестроить свою собственную ДНК, чтобы избежать универсальности выработки антител их хозяевами. Паразиты покрыты толстым слоем гликопротеина (белка с прикрепленными сахарами). Со временем организмы-хозяева могут преодолеть инфекцию, вырабатывая антитела к гликопротеиновой оболочке паразита, но эта реакция предвосхищается и уклоняется от избирательной перестройки ДНК трипаносом, кодирующей гликопротеин, таким образом, постоянно изменяя поверхность, представляемую иммунной системе хозяина. .

Тщательное сравнение структуры генов также выявило эпигенетические модификации, наследуемые изменения, которые происходят на сахаро-фосфатной стороне оснований в ДНК и, таким образом, не вызывают перестроек в самой последовательности ДНК. Пример эпигенетической модификации включает добавление метильной группы к цитозиновым основаниям. По-видимому, это вызывает инактивацию генов, которые не должны экспрессироваться в клетках определенного типа. Важная особенность метилирования цитозина заключается в его способности копироваться, так что метильные группы в ДНК делящейся клетки приведут к тому, что метильные группы будут занимать одни и те же позиции в ДНК обеих дочерних клеток.

Генетическая экспрессия через РНК

Транскрипция генетического кода с ДНК на РНК и трансляция этого кода с РНК на белок оказывают наибольшее влияние на модуляцию генетической информации. Процесс генетической экспрессии протекает в несколько стадий, и на каждой стадии есть потенциал для дальнейшей дифференцировки клеточных типов.

Как объяснялось выше, генетическая информация закодирована в последовательностях четырех нуклеотидных оснований, составляющих молекулу ДНК. Одна из двух цепей ДНК точно транскрибируется в информационную РНК (мРНК), за исключением того, что тиминовое основание ДНК заменено урацилом. РНК также содержит немного отличающийся сахарный компонент (рибозу) от ДНК (дезоксирибозу) в своей соединительной сахаро-фосфатной цепи. В отличие от ДНК, которая стабильна на протяжении всей жизни клетки и отдельные нити которой даже передаются многим поколениям клеток, РНК нестабильна. Он постоянно расщепляется и заменяется, позволяя клетке изменять свои схемы синтеза белка.

Помимо мРНК, которая кодирует белки, другие классы РНК производятся ядром. К ним относятся рибосомная РНК (рРНК), которая является частью рибосом и экспортируется в цитоплазму, чтобы помочь перевести информацию, содержащуюся в мРНК, в белки. Рибосомная РНК синтезируется в специализированной области ядра, называемой ядрышком, которая выглядит как плотная область внутри ядра и содержит гены, кодирующие рРНК. Это также место сборки рибосомных субъединиц из рРНК и рибосомных белков. Рибосомальные белки синтезируются в цитоплазме и транспортируются в ядро ​​для субсборки в ядрышке. Затем субъединицы возвращаются в цитоплазму для окончательной сборки. Другой класс РНК, синтезируемых в ядре, представляет собой транспортную РНК (тРНК), которая служит адаптором, сопоставляя отдельные аминокислоты с триплетами нуклеотидов мРНК во время синтеза белка.