Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

3.3: Ядро та реплікація ДНК

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    1513

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Цілі навчання

    • Опишіть будову і особливості ядерної мембрани
    • Перерахуйте вміст ядра
    • Поясніть організацію молекули ДНК всередині ядра
    • Опишіть процес реплікації ДНК

    Ядро є найбільшим і видатним з органел клітини (рис.\(\PageIndex{1}\)). Ядро, як правило, вважається центром управління клітиною, оскільки воно зберігає всі генетичні інструкції для виробництва білків. Цікаво, що деякі клітини в організмі, такі як м'язові клітини, містять більше одного ядра (рис.\(\PageIndex{2}\)), яке відоме як багатоядерне. Інші клітини, такі як еритроцити (еритроцити) ссавців, взагалі не містять ядер. Еритроциди викидають свої ядра в міру дозрівання, звільняючи простір для великої кількості молекул гемоглобіну, які переносять кисень по всьому тілу (рис.\(\PageIndex{3}\)). Без ядер тривалість життя еритроцитів коротка, і тому організм повинен виробляти нові постійно.

    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Ядро. Ядро є центром управління клітиною. Ядро живих клітин містить генетичний матеріал, який визначає всю структуру і функції цієї клітини.
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Багатоядерна м'язова клітина. На відміну від клітин серцевого м'яза і клітин гладкої мускулатури, які мають єдине ядро, клітина скелетної мускулатури містить багато ядер, і називається «багатоядерної». Ці м'язові клітини довгі і волокнисті (часто їх називають м'язовими волокнами). Під час розвитку багато менших клітин зливаються, утворюючи зріле м'язове волокно. Ядра злитих клітин зберігаються в зрілій клітині, тим самим надаючи багатоядерну характеристику зрілим м'язовим клітинам. ЛМ × 104,3. (Мікрофотографія, надана регентами Медичної школи Університету Мічигану © 2012)

    QR-код, що представляє URL-адресу

    Перегляньте Мічиганський університет WebScope на 141.214.65.171/Гістологія/Basi... svs/view.apml, щоб вивчити зразок тканини більш детально.

    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Червоні кров'яні клітини, що видавлюють своє ядро. Зрілим еритроцитам не вистачає ядра. У міру дозрівання еритробласти видавлюють своє ядро, звільняючи місце для більшої кількості гемоглобіну. Дві панелі тут показують еритробласт до і після викиду його ядра відповідно. (кредит: модифікація мікрофотографії, наданої регентами медичної школи Мічиганського університету © 2012)

    QR-код, що представляє URL-адресу

    Перегляньте Мічиганський університет WebScope на VirtualSlides.med.umich.edu/h... svs/view.apml, щоб вивчити зразок тканини більш детально.

    Всередині ядра лежить план, який диктує все, що зробить клітина, і всі продукти, які вона зробить. Ця інформація зберігається в ДНК. Ядро посилає «команди» клітині через молекулярні месенджери, які переводять інформацію з ДНК. Кожна клітина вашого тіла (за винятком статевих клітин) містить повний набір вашої ДНК. Коли клітина ділиться, ДНК повинна бути продубльована так, щоб кожна нова клітина отримувала повний доповнення ДНК. Наступний розділ буде досліджувати будову ядра і його вміст, а також процес реплікації ДНК.

    Організація ядра та його ДНК

    Як і більшість інших клітинних органел, ядро оточене мембраною, яка називається ядерною оболонкою. Це мембранозний покрив складається з двох сусідніх ліпідних бішарів з тонким рідким простором між ними. Охоплюють ці два двошарові ядерні пори. Ядерна пора - це крихітний прохід для проходження білків, РНК і розчинених речовин між ядром і цитоплазмою. Білки, звані порними комплексами, що вистилають ядерні пори, регулюють проходження матеріалів всередину і з ядра.

    Усередині ядерної оболонки знаходиться гелеподібна нуклеоплазма з розчиненими речовинами, до складу яких входять будівельні блоки нуклеїнових кислот. Також може бути темна фарбувальна маса, часто видима під простим світловим мікроскопом, звана ядерцем (множина = ядерця). Ядро - це область ядра, яка відповідає за виготовлення РНК, необхідної для побудови рибосом. Після синтезу новостворені рибосомальні субодиниці виходять з ядра клітини через ядерні пори.

    Генетичні інструкції, які використовуються для побудови та підтримки організму, впорядковано розташовані в нитках ДНК. Усередині ядра знаходяться нитки хроматину, що складаються з ДНК і пов'язаних з ними білків (рис.\(\PageIndex{4}\)). Along the chromatin threads, the DNA is wrapped around a set of histone proteins. A nucleosome is a single, wrapped DNA-histone complex. Multiple nucleosomes along the entire molecule of DNA appear like a beaded necklace, in which the string is the DNA and the beads are the associated histones. When a cell is in the process of division, the chromatin condenses into chromosomes, so that the DNA can be safely transported to the “daughter cells.” The chromosome is composed of DNA and proteins; it is the condensed form of chromatin. It is estimated that humans have almost 22,000 genes distributed on 46 chromosomes.

    Figure \(\PageIndex{4}\): DNA Macrostructure.Strands of DNA are wrapped around supporting histones. These proteins are increasingly bundled and condensed into chromatin, which is packed tightly into chromosomes when the cell is ready to divide.

    DNA Replication

    In order for an organism to grow, develop, and maintain its health, cells must reproduce themselves by dividing to produce two new daughter cells, each with the full complement of DNA as found in the original cell. Billions of new cells are produced in an adult human every day. Only very few cell types in the body do not divide, including nerve cells, skeletal muscle fibers, and cardiac muscle cells. The division time of different cell types varies. Epithelial cells of the skin and gastrointestinal lining, for instance, divide very frequently to replace those that are constantly being rubbed off of the surface by friction.

    A DNA molecule is made of two strands that “complement” each other in the sense that the molecules that compose the strands fit together and bind to each other, creating a double-stranded molecule that looks much like a long, twisted ladder. Each side rail of the DNA ladder is composed of alternating sugar and phosphate groups (Figure \(\PageIndex{5}\)). The two sides of the ladder are not identical, but are complementary. These two backbones are bonded to each other across pairs of protruding bases, each bonded pair forming one “rung,” or cross member. The four DNA bases are adenine (A), thymine (T), cytosine (C), and guanine (G). Because of their shape and charge, the two bases that compose a pair always bond together. Adenine always binds with thymine, and cytosine always binds with guanine. The particular sequence of bases along the DNA molecule determines the genetic code. Therefore, if the two complementary strands of DNA were pulled apart, you could infer the order of the bases in one strand from the bases in the other, complementary strand. For example, if one strand has a region with the sequence AGTGCCT, then the sequence of the complementary strand would be TCACGGA.

    Figure \(\PageIndex{5}\): Molecular Structure of DNA.The DNA double helix is composed of two complementary strands. The strands are bonded together via their nitrogenous base pairs using hydrogen bonds.

    DNA replication is the copying of DNA that occurs before cell division can take place. After a great deal of debate and experimentation, the general method of DNA replication was deduced in 1958 by two scientists in California, Matthew Meselson and Franklin Stahl. This method is illustrated in Figure \(\PageIndex{6}\) and described below.

    Figure \(\PageIndex{6}\): DNA Replication.DNA replication faithfully duplicates the entire genome of the cell. During DNA replication, a number of different enzymes work together to pull apart the two strands so each strand can be used as a template to synthesize new complementary strands. The two new daughter DNA molecules each contain one pre-existing strand and one newly synthesized strand. Thus, DNA replication is said to be “semiconservative.”

    Stage 1: Initiation. The two complementary strands are separated, much like unzipping a zipper. Special enzymes, including helicase, untwist and separate the two strands of DNA.

    Stage 2: Elongation. Each strand becomes a template along which a new complementary strand is built. DNA polymerase brings in the correct bases to complement the template strand, synthesizing a new strand base by base. A DNA polymerase is an enzyme that adds free nucleotides to the end of a chain of DNA, making a new double strand. This growing strand continues to be built until it has fully complemented the template strand.

    Stage 3: Termination. Once the two original strands are bound to their own, finished, complementary strands, DNA replication is stopped and the two new identical DNA molecules are complete.

    Each new DNA molecule contains one strand from the original molecule and one newly synthesized strand. The term for this mode of replication is “semiconservative,” because half of the original DNA molecule is conserved in each new DNA molecule. This process continues until the cell’s entire genome, the entire complement of an organism’s DNA, is replicated. As you might imagine, it is very important that DNA replication take place precisely so that new cells in the body contain the exact same genetic material as their parent cells. Mistakes made during DNA replication, such as the accidental addition of an inappropriate nucleotide, have the potential to render a gene dysfunctional or useless. Fortunately, there are mechanisms in place to minimize such mistakes. A DNA proofreading process enlists the help of special enzymes that scan the newly synthesized molecule for mistakes and corrects them. Once the process of DNA replication is complete, the cell is ready to divide. You will explore the process of cell division later in the chapter.

    QR Code representing a URL

    Перегляньте це відео, щоб дізнатися про реплікацію ДНК. Реплікація ДНК протікає одночасно на декількох ділянках на одній молекулі. Що відокремлює базову пару на початку реплікації ДНК?

    Огляд глави

    Ядро є командним центром клітини, що містить генетичні вказівки щодо всіх матеріалів, які створить клітина (і, таким чином, всі свої функції, які вона може виконувати). Ядро укладено в оболонку двох з'єднаних між собою ліпідних бішарів, пліч-о-пліч. Ця ядерна оболонка шипована порами, викладеними білками, які дозволяють продавати матеріали в ядро та з нього. Ядро містить одне або кілька ядерець, які служать ділянками для синтезу рибосом. В ядрі знаходиться генетичний матеріал клітини: ДНК. ДНК зазвичай зустрічається як нещільно міститься структура, яка називається хроматином всередині ядра, де вона загортається і асоціюється з різними гістоновими білками. Коли клітина ось-ось ділиться, хроматин щільно згортається і конденсується, утворюючи хромосоми.

    Існує пул клітин, які постійно діляться всередині вашого тіла. Результатом є мільярди нових клітин, які створюються щодня. Перш ніж будь-яка клітина буде готова до поділу, вона повинна повторити свою ДНК, щоб кожна нова дочірня клітина отримувала точну копію генома організму. Під час реплікації ДНК зараховуються різноманітні ферменти. Ці ферменти розмотують молекулу ДНК, відокремлюють дві нитки та допомагають у побудові додаткових ниток уздовж кожної батьківської нитки. Оригінальні нитки ДНК служать шаблонами, з яких визначається і синтезується нуклеотидна послідовність нових ниток. Коли реплікація завершена, існують дві однакові молекули ДНК. Кожна з них містить одну оригінальну пасмо і одну знову синтезовану комплементарну пасмо.

    Інтерактивні запитання щодо посилань

    Перегляньте це відео, щоб дізнатися про реплікацію ДНК. Реплікація ДНК протікає одночасно на декількох ділянках на одній молекулі. Що відокремлює базову пару на початку реплікації ДНК?

    Відповідь: фермент

    Переглянути питання

    Питання: Ядро і мітохондрії поділяють які з наступних ознак?

    А. мембранні пори, вистелені білками

    B. подвійна клітинна мембрана

    С. синтез рибосом

    D. виробництво клітинної енергії

    Відповідь: B

    Питання: Яку з наведених нижче структур можна знайти всередині ядерця?

    А. хроматин

    Б. гістони

    С. рибосоми

    D. нуклеосоми

    Відповідь: C

    Питання: Яка з наступних послідовностей молекули ДНК буде доповнювати GCTTATAT?

    А. ТЕҐ GCGCG

    Б. АТКCCGCGC

    C. КАГАТАТА

    Д. ТГККТК

    Відповідь: C

    Питання: Розмістіть наступні структури в порядку від найменш до найскладнішої організації: хроматин, нуклеосома, ДНК, хромосома

    А. ДНК, нуклеосома, хроматин, хромосома

    B. нуклеосома, ДНК, хромосома, хроматин

    C. ДНК, хроматин, нуклеосома, хромосома

    D. нуклеосома, хроматин, ДНК, хромосома

    Відповідь: A

    Питання: Що з наступного є частиною етапу подовження синтезу ДНК?

    А. витягування двох ниток ДНК

    Б. приєднання комплементарних нуклеотидів до шаблонної нитки

    C. розкручування спіралі ДНК

    D. жодне з перерахованих вище

    Відповідь: B

    Питання критичного мислення

    Питання: Поясніть своїми словами, чому реплікація ДНК називається «напівконсервативною»?

    А. реплікація ДНК, як кажуть, напівконсервативна, оскільки після завершення реплікації одна з двох материнських ниток ДНК становить половину кожної нової молекули ДНК. Інша половина - це щойно синтезована пасмо. Тому половина («semi») кожної дочірньої молекули ДНК - від материнської молекули, а половина - нова молекула.

    Питання: Чому важливо, щоб реплікація ДНК відбувалася до поділу клітин? Що станеться, якби поділ клітин клітини тіла відбувався без реплікації ДНК, або коли реплікація ДНК була неповною?

    А. під час поділу клітини одна клітина ділиться, утворюючи дві нові клітини. Для того, щоб всі клітини вашого тіла підтримували повноцінний геном, кожна клітина повинна повторити свою ДНК, перш ніж вона розділиться, щоб повний геном міг бути виділений кожній з її клітин потомства. Якби реплікація ДНК відбулася не повністю або взагалі, клітини потомства були б відсутні деякі або весь геном. Це може бути катастрофічним, якщо в клітині відсутні гени, необхідні для її функції та здоров'я.

    Глосарій

    хроматин
    речовина, що складається з ДНК і асоційованих білків
    хромосоми
    конденсований варіант хроматину
    ДНК-полімераза
    фермент, який функціонує при додаванні нових нуклеотидів до зростаючої нитки ДНК під час реплікації ДНК
    Реплікація ДНК
    процес дублювання молекули ДНК
    геном
    весь доповнення ДНК організму; зустрічається практично в кожній клітині
    спіраль
    фермент, який функціонує для відділення двох ниток ДНК подвійної спіралі під час реплікації ДНК
    гістон
    сімейство білків, які асоціюються з ДНК в ядрі з утворенням хроматину
    ядерна оболонка
    мембрана, яка оточує ядро; що складається з подвійного ліпід-бішару
    ядерна пора
    одне з невеликих, викладених білками отворів, знайдених розкиданих по всій ядерній оболонці
    ядерце
    мала область ядра, яка функціонує в синтезі рибосом
    нуклеосома
    одиниця хроматину, що складається з ланцюга ДНК, обгорнутого навколо гістонових білків