Ćwiczenia nr 1

Jądro komórkowe

• Jądro komórkowe to wyodosobiony obszar w komórkach eukariotycznych zawierający w swoim wnętrzu materiał genetyczny

• Zapis genetyczny jądrowy porządkuje różne reakcje metaboliczne odbywające się na terenie różnych organelli komórkowych

Komórki priokariotyczne, np. bakterie, nie mają systemów błon wewnątrzkomórkowych, dlatego nie posiadają błon otoczki jądrowej. Ale posiadają one wewnętrzny materiał jądrowy integrujący cały metabolizm tych komórek, tyle że nie skupiony w jednym miejscu komórki ale rozproszony po całej cytoplazmie.

Erytrocyt (czerwona krwinka) mimo iż jest komórką eukariotyczną nie ma jądra komórkowego, ale ten fakt wskazuje na przystosowanie erytrocyta do wykonywanej przez niego funkcji czyli przenoszenia tlenu.

Funkcją erytrocytów jest przenoszenie tlenu z wnętrza pęcherzyków płucnych do wszystkich tkanek organizmu. Dlatego erytrocytom potrzeba jak najwięcej cząsteczek hemoglobiny, gdyż właśnie one wiążą i przenoszą do tkanek tlen.

Dojrzewający erytrocyt zostaje pozbawiony jądra komórkowego i obszar ten zajmujący ok 30% cytoplazmy komórkowej, zostaje wypełniony hemoglobiną. Wobec tego prawie 100% cytoplazmy posiada hemoglobinę. Wtedy erytrocyt sprawnie wykonuje swoją funkcję.

Młode formy erytrocyta w obrębie szpiku czerwonego, w którym się rozwijają, zawierają jeszcze jądro komórkowe. Wyrzucenie jądra poza erytrocyt oznacza, że osiągnął on swoją dojrzałość i opuścił wtedy szpik dostając się do krwi obwodowej.

Erytrocyty ze względu na brak jądra przeżywają we krwi obwodowej tylko ok. 120 dni. Po tym czasie funkcjonujący erytrocyt zaczyna źle funkcjonować (słabo przeciska się przez światło naczyń gdyż traci swą elastyczność).

Stare erytrocyty dlatego są eliminowane z krążenia przez fagocytujące komórki obecne na terenie śledziony. Równolegle z eliminacją starego erytrocyta młody szpikowy erytrocyt traci swoje jądro komórkowe co oznacza jego dojrzewanie i wyrzucony zostaje do krwi obwodowej, gdzie znów funkcjonuje przez ok. 120 dni.

Erytrocytów w krwi obwodowej jest ok. 4-5 milionów w jednym milimetrze sześciennym krwi.

Wnętrze jądra od terenu cytoplazmy komórkowej oddzielają błony otoczki jądrowej.

Otoczka jądrowa to system dwubłonowy, składający się z błony zewnętrznej i wewnętrznej wyraźnie oddzielonych od siebie tzw. przestrzeni okołojądrową.

Błona zewnętrzna otoczki posiada na swojej powierzchni osadzone rybosomy, dlatego przypomina całkowicie cysterny siateczki szorstkiej. Natomiast błona wewnętrzna nigdy nie posiada rybosomów. Od strony wnętrza jądra przylegają do błony wewnętrznej skupiska włókienek białkowych, które pogrubiają błonę wewnętrzną i stabilizują w niej układ cząsteczek chemicznych oraz układ materiału genetycznego wewnątrz jądra.

Otoczka jądrowa nie jest elementem ciągłym lecz jest poprzerywana tzw. porami jądrowymi.

Struktury porów jądrowych służą do skomunikowania wnętrza jądra z terenem cytoplazmy. Przez pory jądrowe zostają transportowane cząsteczki tzw. messenger RNA (mRNA).

W procesie transkrypcji jądrowej na matrycy DNA powstają cząsteczki przepisanej informacji genetycznej w postaci mRNA.

Cząsteczki mRNA przez pory w otoczce jądrowej opuszczają teren jądra, dostają się do cytoplazmy komórkowej, gdzie na terenie rybosomów siateczki zostaje odczytana informacja i powstają ściśle określone cząsteczki białek.

Możliwy jest także transport cząsteczek w drugą stronę, tzn. niektóre białka powstające w cytoplazmie transportowane są przez pory do wnętrza jądra gdyż tam kontrolują one niektóre reakcje jądrowe.

Ćwiczenia nr 2

Chromatyna jądrowa

Jest to barwliwa substancja leżąca wewnątrz jądra komórkowego – ukazuje się ona wyłącznie w czasie barwienia preparatu.

Zbudowana jest ona z 2 rodzajów substancji. Są to:

1. Kwas dezoksyrybonukleinowy (kwas DNA)

2. niskocząsteczkowe białka zasadowe – histony

Kwas DNA jest materiałem genetycznym przekazywnym na następne pokolenia. Stanowi zapis wszystkich cech danego organizmu, natomiast białka histonowe nie są materiałem genetycznym, pozwalają one przestrzennie organizować chromatynę.

Umiejscowienie kwasu DNA w małym jądrze komórkowym jest możliwe wyłącznie dzięki bardzo silnej kondensacji DNA w jądrze.

• Pierwszym stopniem przestrzennej organizacji chromatyny jest jej ułożenie w postaci tzw. nukleosomów będących jednostką struktury chromatyny. Nukleosom składa się z kulistego skupiska białek histonowych, na które dwukrotnie nawinięta jest cząsteczka DNA. Kolejne nukleosomy leżą obok siebie i są połączone ze sobą niezwiniętymi cząsteczkami DNA.

• Drugim etapem spiralizacji chromatyny jest wytworzenie tzw. włókn chromatynowego. Składa się ono z dwóch szeregów skupisk białek histonowych tzn. skupiska wyższego i niższego, przy czym połączone są one jedną wspólną cząsteczką DNA.

• Trzecim stopniem organizowania przestrzennego chromatyny jest uzyskanie tzw. pętli DN a pomocne w tym są cząsteczki histonów.

• Ostatnim etapem spiralizacji chromatyny jest wytworzenie tzw. chromatydy. Wytworzenie takie polega na dalszej spiralizacji pętli, w efekcie czego powstaje pojedyncza cząsteczka kwasu DNA ostatecznie uformowana przestrzennie.

Na każdym etapie spiralizacji chromatyny osiągamy coraz większe zagęszczenie DNA umiejscowione na stosunkowo małym obszarze jądra.

Efektem wielokrotnej kondensacji DNA jest umiejscowienie całej puli DNA (ok. 2 metry długości) na terenie małego jądra komórkowego.

Różnica między chromosomem a chromatyną:

Chromosom jest to najsilniej skondensowana forma chromatyny, zbudowana z DNA i białek histonowych. Wysoki stopień skondensowania pozwala na oddzielenie od siebie poszczególnych chromosomów. Dzięki temu widoczne są one jako pojedyncze twory o specyficznym kształcie, które można w obrazie mikroskopowym policzyć.

Dla danego gatunku liczba chromosomów w każdej komórce jest taka sama. U człowieka są to 23 pary = 46 chromosomów.

Forma materiału genetycznego w postaci chromosomów jest typową dla podziału komórkowego, w czasie którego materiał genetyczny jest transportowany do dwóch powstających komórek potomnych. W okresie międzpodziałowym odbywa się rozspiralizowanie chromosomów, w efekcie czego powstaje sieć chromatynowa (niepoliczalna).

Budowa chemiczna sieci chromatynowej oraz chromosomow jest identyczna. Oznacza to, że chromosom od chromatyny różni się stopniem spiralizacji materiału genetycznego.

Ćwiczenia nr 3

Struktura i funkcja DNA

Jednostką budowy kwasu DNA jest tzw. nukleotyd. Składa się on z trzech elementów:

1. Cukier pięciowęglowy (pentoza) – dezoksyryboza. Jest to stały element każdego nukleotydu

2. Reszta fosforanowa PO₄. Jest to również stały element każdego nukleotydu.

3. Zasada azotowa: purynowa lub pirymidynowa. Jest ona elementem zmiennym w nukleotydach i ze względu na różną ich lokalizację występują cztery typy nukleotydów, zawierające różne zasady azotowe.

Istnieją cztery rodzaje zasad azotowych:

CYTOZYNA – nukleotyd cytozynowy

GUANINA – nukleotyd guaninowy

TYMINA – nukleotyd tyminowy

ADENINA – nukleotyd adeninowy

Dlatego występują cztery rodzaje nukleotydów, a każdy z odpowiednią zasadą azotową. Poszczególne nukleotydy są powiązane ze sobą za pomocą wiązań estrowych.

W wyniku łączenia nukleotydów ze sobą powstają bardzo długie cząsteczki w formie nici nazywane niciami polinukleotydowymi.

Układ nukleotydów w nici polinukleotydowej jest stały (stałość sekwencji nukleotydowej). W stałości sekwencji nukleotydowej zawarty jest kod genetyczny czyli informacja dotycząca budowy i funkcji każdego organizmu.

Odczytanie w rybosomie jednej trójki nukleotydowej, czyli kodonu, oznacza włączenie w biosyntezę białka ściśle określony aminokwas przypisany danemu kodonowi.

Zzgodnie z kodem genetycznym powstają w danym organizmie specyficzne białka – albo strukturalne (budulcowe), albo funkcjonalne, tzn. enzymy.

Enzymy sterują przemianami biochemicznymi w organizmie w wyniku których powstaje okreslona cecha typowa dla tego organizmu. Jeśli inny organizm ma inny kod genetyczny to u niego powstaje wtedy inne białko enzymatyczne, przebieg reakcji jest wtedy odmienny i dlatego powstaje wtedy inna cecha.

GEN → BIAŁKO → CECHA

Cząsteczka DNA składa się zawsze z dwóch łańcuchów polinukleotydowych. Tworzenie drugiej nici polinukleotydowej nie jest obojętne ani dowolne ale ściśle związane z pierwszym łańcuchem polinukleotydowym.

Podczas tworzenia drugiego łańcucha polinukleotydowego obowiązuje tzw. zasada komplementarności, to znaczy ścisłego dopasowania się zasad do siebie. Jest to drugorzędowa struktura.

• Z nukleotydem cytozynowym musi połączyć się nukleotyd guaninowy (lub odwrotnie: G-C).

• Natomiast z nukleotydem tyminowym musi połączyć się nukleotyd adeninowy (lub odwrotnie: A-T).

Watson i Crick w 1953 r podali trzeciorzędową strukturę – zasadę przestrzennej budowy kwasu DNA.

Cząsteczka kwasu DNA wygląda jak podwójna spirala, przy czym spirale te nie leżą równolegle względem siebie ale co pewien określony odcinek przecinają się.

Odkrycie struktury trzeciorzędowej kwasu DNA pozwoliło wytłumaczyć sposób namnażania się DNA w komórce, która ulega podziałowi. Otrzymane z tej komórki dwie komórki potomne muszą mieć taką samą ilość DNA jaką miała komórka macierzysta.

Replikacja DNA (namnażanie) odbywa się w dwóch etapach:

1. Rozdzielenie dwuniciowej cząsteczki DNA na dwie osobne nici

2. W drugim etapie n zasadzie komplementarności odbywa się dobudowa brakujących części.

Dlatego w wyniku replikacji z jednej cząsteczki DNA otrzymujemy dwie identyczne cząsteczki DNA.

Proces taki odbywa się przed podziałem komórkowym, dlatego dwie uzyskane potomne komórki otrzymują identyczną ilość DNA jak miała komórka macierzysta, gdyż tylko wtedy komórki potomne mogą prawidłowo funkcjonować.