13.1: ДНК
- Page ID
- 7872
До кінця цього уроку ви зможете:
- Обговоріть, як об'єднуються молекули рибози, фосфату, пурину та піримідину, щоб скласти ланцюжок ДНК.
- Підсумуйте, як нитка ДНК згортається і упаковується, щоб стати хромосомою.
- Перерахуйте кроки в клітинному циклі та опишіть, де в циклі ви знайдете певні типи клітин.
Введення в хромосоми
Перегляньте це відео для вступу в хромосоми (2:16)
Ви дізналися про два типи меристем: верхівкові меристеми, які призводять до первинного росту, і бічні меристеми, такі як судинний камбій і корковий камбій, які призводять до вторинного росту. Меристеми - це місця поділу клітин у рослин. Ці нові клітини можуть самі ділитися один-два рази, але потім вони починають збільшуватися і диференціюватися на клітини зі спеціалізованою функцією залежно від типу тканини, в якій вони відбуваються. (Клітини паренхіми є винятком, оскільки вони залишаються недиференційованими. Вони можуть стати меристематичними і ділитися, утворюючи частини рослин, такі як бічні корені, утворювати міжфасцикулярний камбій та реагувати на рани, заповнюючи простір новими клітинами, які називаються кістковою тканиною.)
Для того, щоб клітина ділилася на дві однакові клітини, дуже важливо, щоб всі компоненти вихідної клітини дублювалися до поділу клітин, а потім розподілялися між двома сестринськими клітинами, перш ніж вони відокремлюються. Також критично, щоб спадковий матеріал, ДНК в ядерних хромосомах, був точно продубльований і рівномірно розподілений між сестринськими клітинами. Точне дублювання і рівний розподіл гарантують, що кожна клітина в організмі має всі генетичні вказівки, необхідні їй для здійснення обмінних процесів, і що кожна клітина в організмі має однакові вказівки.
Тип поділу клітин, який відбувається в меристемах, який є типом, коли одна клітина ділиться на дві однакові сестринські клітини, називається мітозом.
Ділення мітотичних клітин вперше спостерігалося під легкими мікроскопами понад 150 років тому. Мікроскопісти, вчені, які використовують мікроскопи, помітили, що темно забарвлюються клітинні тіла, вишикувалися посередині клітини, яка ось-ось ділилася. Вони назвали ці клітини хромосомами (на основі латинського для темного фарбування, «khrôma», а тіла - «sôma»). Одного разу вишикувалися в середині клітини, хромосоми розділилися і перемістилися на протилежні полюси в клітці безпосередньо перед фактичним поділом клітини на дві сестринські клітини. Тим вченим було зрозуміло, що процес поділу клітин забезпечував, щоб хромосоми були спеціально і дбайливо оброблені під час поділу клітин. У 1902 році Уотер Саттон, вивчаючи коників, надала доказ (необов'язкове читання) того, що хромосоми містили спадковий для організму матеріал. Тому поділ клітин включає в себе такий ретельний розподіл хромосом — організм повинен стежити за тим, щоб кожна клітина мала точну копію всього спадкового матеріалу, пов'язаного з цим організмом.
З чого складаються ці хромосоми? Коротка відповідь полягає в тому, що хромосоми, знайдені в ядрі рослинних клітин, складаються з хроматину (необов'язкове читання). Хроматин складається з ДНК, обгорнутої навколо білків, званих гістонами. Ці білки, навколо яких обгортається ДНК, називаються гістонами. Почнемо зі структури ДНК і створимо до хромосоми.
структура ДНК
Перегляньте це відео для пояснення структури ДНК (4:35)
ДНК - це двожильний хімічний полімер (полімер - це кілька типів молекул, з'єднаних між собою), схожий на гнучку драбину, скручену на її довгій осі. Кожна сторона, або окрема нитка драбини, складається з ланцюжка з чергуються молекул рибози і фосфату. Рибоза - це молекула цукру, що складається з кільця з п'яти вуглеців. Ці молекули пов'язані між собою молекулою фосфату, що складається з одного атома фосфору та двох атомів кисню. Ця послідовність молекул рибози та фосфату становить те, що називається рибозофосфатною кісткою ДНК.
Сходинки, або ступені, сходів споруджуються з пар підстав. Чотири типи цих основ складають обидві нитки ДНК. Дві основи, які спільно називаються пуринами - аденін (A) і гуанін (G) - містять два кільця атомів вуглецю. Два інших, які спільно називаються піримідинами - цитозин (С) і тимін (Т) - мають лише одне кільце атомів вуглецю. Між сторонами сходів (або рибозофосфатної магістралі) достатньо місця для розміщення двох підстав із загальною кількістю трьох вуглецевих кілець, тому кожна сходинка сходів завжди має один пурин, пов'язаний з одним піримідином.
Недостатньо місця для двох пуринів, і для двох піримідинів занадто багато місця. А через молекулярні структури основ аденін (А) завжди зв'язується з тиміном (Т), тому що кожен з них може розділяти дві водневі зв'язки, а цитозин (С) завжди зв'язується з гуаніном (G), тому що кожен може розділяти три водневі зв'язки.
Як наслідок, сходинки на сходах завжди складаються з АТ, ТА, ГК або КГ. А послідовність або порядок As, Ts, Gs і Cs, що складають сходинки уздовж однієї нитки сходів, - це генетичний код, який переноситься в ДНК. За рідкісними винятками, код зчитується по три основи одночасно і кодує всю інформацію для життєвого циклу рослини.
- Якщо ви знаєте, що сходинка драбини ДНК має основу аденіну, то інша основа, до якої вона прив'язана, - тимін. Чому не гуанін? Чому не цитозин?
- Зараз ми сприймаємо як належне, що хромосоми є спадковим матеріалом у рослин. Коли це було доведено? А) близько 15 років тому, коли були розроблені перші генетично модифіковані продукти, B) приблизно в той час, коли була розроблена атомна бомба, C) безпосередньо перед Першою світовою війною, або D) тому, коли Мендель робив експерименти з горохом і відкривав свої принципи спадкування.
- Чому форма ДНК називається подвійною спіраллю?
Нуклеосоми
Перегляньте це відео для опису нуклеосом (2:46)
Тепер у нас є спіраль ДНК, що складається з чергуються рибози та фосфатних рейок із ступенями, що містять пурин та піримідин. Наступна ланцюг спіралі ДНК петлі навколо нуклеосом (необов'язкове читання), які складаються з гістонових білків (ілюстрація вище). Білки гістону - це, по суті, котушки, навколо яких обгортається нитка ДНК, за винятком того, що ДНК не обертається безперервно навколо одного білка гістону так, як нитка обертається навколо однієї котушки. Він робить пару петель, а потім переходить до наступного білка гістону.
Петлі ДНК навколо цих нуклеосом розділені частинами оголеної ДНК, званої лінкерною ДНК, тому ефект називається «намистинами на нитці» (див. Мікрографію нижче). де кульки - це петлі ДНК та білок гістону, а нитка - нитка ДНК компоновника. Цей опис датується ранніми днями дослідження ДНК за допомогою світлової мікроскопії. Хромосоми можна було спостерігати за допомогою мікроскопа і описати, але їх склад був невідомий.
Структура «намистини на нитці» додатково згортається в хроматинове волокно 30 нм (нм = нанометр, одна мільярдна частина метра), яке ще більше згортається, з асоціацією інших білків, утворюючи хромосому.
Тоді хромосома складається з ДНК, яка зациклена навколо гістонових білків, потім згорнута, потім складена. Подумайте про хромосому як щільно і ретельно упаковану довгу нитку ДНК, яка пов'язана з гістоновими білками, щоб допомогти з упаковкою.
Ось схема цієї намотки:
Вище - візуалізація мікрофотографії хромосоми на стадії поділу клітин, коли хромосома найбільш сильно конденсована (що знаходиться під час фази мітозу, яка називається метафазою, як ми побачимо пізніше) і компактно упакована. На цій фазі відбувається велике згортання (намотування ДНК називається «конденсацією») хроматину (ДНК + гістонові білки). Зверніть увагу, що є дві сестринські хроматиди. Незадовго до поділу клітин ці сестринські хроматиди відокремляться на центромері (звуженому місці, де вони прикріплені) і переміщуються на протилежні сторони клітини.
Корисно мати цю деталь, щоб ви могли розпізнати, де генетичний код знаходиться в молекулі ДНК, і як ДНК згортається і конденсується в щільний пакет під час поділу клітин. Коли клітина не ділиться, частини хромосоми розслабляються, розгортаються і розкотуються так, що пари основ ДНК в конкретних ділянках хромосоми, які забезпечують код для конкретних клітинних функцій, можуть відкриватися, копіюватися, а код може бути перетворений на білки, які роблять метаболічну справу клітини - фаза називається «міжфазний»). Однак під час поділу клітин упаковка щільно ущільнюється (метафаза).
Цей інтерактивний сайт має функцію, яка дозволяє обертати спіраль ДНК (необов'язково). Шукайте наступне:
- 5-вуглецеве рибозне кільце, що становить частину хребта
- фосфат, що зв'язує кільця рибози, завершуючи хребет
- 2-кільцева пуринова основа (по одному на сходинку)
- 1-кільцева піримідинова основа (по одному на сходинку)
- водневі зв'язки (два-три на щаблі в залежності від складу)
- Чому, на вашу думку, хромосома настільки сильно конденсована (мається на увазі загорнута і складена) під час метафази, яка знаходиться в середині поділу клітин? Подумайте, чому хромосому може знадобитися дуже щільно упаковувати під час поділу клітин.
- Який зв'язок між нуклеосом, лінкерною ДНК та намистинами на нитці?
Клітинний цикл
Дивіться це відео про клітинний цикл (3:38)
Нижче наведено діаграматичне резюме клітинного циклу, циклу, через який проходить клітина протягом свого життя. Ви побачите, що близько 3/4 циклу називається Interphase, а інший 1/4 називається M (для мітозу). Як зазначалося, під час інтерфази клітина не ділиться (але може готуватися до поділу); клітина ділиться під час M. Interphase ділиться на три частини: G1 («G» скорочується від «Gap» або «зростання»), S (S для ДНК «Синтез») та G2.
Зверніться до цієї сторінки на клітинному циклі (необов'язкове читання) для отримання додаткової інформації про клітинний цикл.
Етапами в клітинному циклі є:
- G1 - клітини збільшуються, а деякі диференціюються на спеціалізовані клітини, такі як епідерміс, колленхіма, склеренхіма та клітини тканини ксилеми та флоеми, які більше не будуть ділитися. Ці диференційовані клітини залишаються в G1 до смерті.
- S - хромосоми в клітині, як верхівкові меристемні клітини, судинний і пробковий камбій, або недиференційовані клітини паренхіми готуються до поділу шляхом реплікації своїх хромосом. Щоб підготуватися до поділу, клітина робить повну копію всієї своєї ДНК, тому в процесі копіювання ДНК відбувається синтез ДНК. Після того, як хромосома була реплікована, дві копії називаються сестринськими хроматидами, і вони тримаються разом у місці, яке називається центромером. Сестринські хроматиди точно схожі, аж до точного порядку основ AT, TA, CG та GC у ступенях хребта ДНК.
- G2 - клітина будує хімічну техніку, яка їй потрібна для поділу.
- М — нарешті, клітина опускається в мітоз (М), звернений далі.
Зверніть увагу, що розміри шматочків пирога на схемі вище не вказують на фактичну тривалість часу.
- Де б ви розмістили клітини мезофілу губки листя на клітинному циклі? Чому?
- Де б ви розміщували коркові клітини камбію? Чому?