Przeczytaj
Jądro komórkowe jako centrum informacyjne komórki
Jądro komórkowe jest organellą charakterystyczną dla komórek eukariotycznychkomórek eukariotycznych. Większość komórek ma jedno kuliste lub owalne jądro, położone zazwyczaj w ich środkowej części. W jądrze znajduje się DNA, które zawiera informację genetyczną niezbędną do prawidłowego funkcjonowania komórki. Niewielka część informacji genetycznej występuje również w DNA mitochondrialnym i DNA chloroplastowym. Obecność prawie całego DNA wewnątrz jądra komórkowego sprawia, że organella ta pełni funkcję centrum informacyjnego komórki. Ponadto kontroluje ona przebieg podziałów komórkowych – mitozę i mejozę. W nieobłonionej strukturze wewnątrz jądra komórkowego, tzw. jąderku, zachodzi synteza rybosomowego RNA (rRNA). Łączy się ono z białkami rybosomowymi, tworząc małe i duże podjednostki rybosomów.
Organizacja DNA w jądrze komórkowym
W komórkach, które się nie dzielą, informacja genetyczna występuje w postaci chromatynychromatyny, czyli kompleksu DNA z białkami. Struktura ta tworzy na terenie jądra komórkowego nieregularną, mniej lub bardziej zwartą sieć. W komórkach, które się dzielą, informacja genetyczna występuje w postaci chromosomówchromosomów, czyli silnie skondensowanej chromatyny. Pałeczkowate struktury umożliwiają precyzyjne rozdzielenie informacji genetycznej do komórek potomnych.
Najważniejsze odkrycia
Eksperyment Griffitha
Podstawy teorii, według której DNA jest czynnikiem warunkującym cechy organizmu, można znaleźć w eksperymencie przeprowadzonym przez Fredericka Griffitha z roku 1928. Naukowiec ten badał dwa szczepy bakterii Pneumococcus (dwoinka zapalenia płuc): szczep R niepowodujący objawów chorobowych oraz zjadliwy szczep S (wytwarzający otoczkę, która determinuje ich chorobotwórczość). W trakcie eksperymentu Griffith wstrzykiwał bakterie do ciała myszy, które umierały po kontakcie z formą S. W kolejnym etapie badania bakterie zjadliwe zostały poddane gotowaniu, a mieszanka ta została użyta do iniekcji. Po kilku dniach okazało się, że myszy przeżyły ten zabieg. Wyniki ostatniej testowanej kombinacji były jednak najbardziej interesujące. Po wstrzyknięciu martwych bakterii wywołujących chorobę (poddanych obróbce termicznej) z żywymi bakteriami szczepu R myszy umierały. Po analizie szczepów bakteryjnych wyizolowanych z martwych myszy okazało się, że są one zarażone szczepami typu S. Griffith stwierdził, że istnieje czynnik transformujący, odpowiedzialny za zjawisko zmiany typu szczepów bakteryjnych. Sam proces został nazwany transformacjątransformacją, a na odpowiedź, czym jest czynnik transformujący, trzeba było czekać 16 lat.
Doświadczenia Hämmerlinga
W 1931 r. Joachim Hämmerling, niemiecki botanik zajmujący się biologią i ekologią, przeprowadził serię doświadczeń mających na celu poznanie znaczenia jądra komórkowego i jego wpływu na cechy budowy komórki. Obiektem badań Hämmerlinga była jednokomórkowa roślina z grupy zielenic – acetabularia, (parasolowiec; Acetabularia sp.). W doświadczeniach Hämmerling wykorzystał dwa różniące się kształtem kapelusza gatunki parasolowców: Acetabularia mediterranea oraz Acetabularia crenulata. Osobniki należące do pierwszego gatunku mają kapelusze bez wcięć, w przeciwieństwie do przedstawicieli drugiego gatunku, którzy wykształcają kapelusz złożony z palczastych wyrostków.
Acetabularia to roślina, której ciało ma postać jednej komórki osiągającej długość do 10 cm. Plecha pokrojem przypomina grzyb kapeluszowy i składa się z: chwytnika (ryzoidu), trzonka i kapelusza. Korzeniowato rozgałęziony chwytnik przytwierdza roślinę do podłoża, a stosunkowo długi i cylindryczny trzonek zakończony jest lejkowatym kapeluszem. W jednym z odgałęzień ryzoidu znajduje się jądro komórkowe. Roślina występuje w ciepłych wodach morskich, m.in. w Morzu Śródziemnym.
W jednym z pierwszych doświadczeń Hämmerling odkrył, że gdy kapelusz zostaje usunięty, po kilku tygodniach w miejscu odcięcia wyrasta nowy. Obserwowane zjawisko to regeneracjaregeneracja. Zregenerowany kapelusz ma dokładnie ten sam kształt co wcześniej usunięty. Kształt nowego kapelusza zależy od gatunku parasolowca użytego w doświadczeniu. Zatem Acetabularia mediterranea regeneruje kapelusz bez wcięć, a Acetabularia crenulata – kapelusz powycinany. Jednak usunięcie części ryzoidu (eksperyment 2 na poniższej grafice), w której występuje jądro komórkowe, nie skutkowało regeneracją. Stąd założenie naukowca, że warunkiem regeneracji jest obecność jądra komórkowego.
W kolejnych doświadczeniach Hämmerling odkrył, że kształt kapelusza warunkowany jest przez informacje zawarte w jądrze komórkowym. Odcięcie górnej części komórki i usunięcie jądra komórkowego, na którego miejsce wprowadzano jądro drugiego gatunku parasolowca, powodowało regenerację kapelusza o kształcie charakterystycznym dla gatunku, od którego pochodziło przeszczepione jądro komórkowe. Dzięki temu eksperymentowi udało się wykazać rolę jądra komórkowego jako centrum informacji genetycznej, warunkującej m.in. cechy fenotypowefenotypowe.
DNA jako czynnik transformujący
Pracę Griffitha kontynuował Osvald Avery, który z determinacją dążył do odkrycia istoty czynnika transformującego. Dzięki postępowi nauki i rozwojowi nowych technik możliwe było usuwanie niektórych frakcji komórkowych, a tym samym eliminacja kolejnych czynników mogących stanowić podstawę procesu transformacji. Po usunięciu dużych struktur komórkowych poddane działaniu wysokiej temperatury bakterie szczepu S (zjadliwe) były inkubowane (hodowane w określonych warunkach) z enzymami proteolitycznymienzymami proteolitycznymi, odpowiedzialnymi za trawienie białek. Po usunięciu białek mieszanina została użyta do próby transformacji szczepu R. Bakterie wytworzyły odpowiedzialny za zjadliwość peptydoglikanpeptydoglikan, zatem to nie białka stanowiły czynnik transformujący. Mieszanina po działaniu proteaz została użyta do kolejnego testu, tym razem z udziałem deoksyrybonukleaz, czyli enzymów trawiących DNA. Po inkubacji ze szczepem R nie doszło do transformacji tego szczepu w formę S, zatem to DNA stanowił czynnik transformujący.
Aby ostatecznie potwierdzić, że to DNA, a nie białko jest nośnikiem informacji genetycznej, Alfred Hershey i Martha Chase wykonali eksperyment z użyciem bakteriofagabakteriofaga oraz bakterii E. coli. Hodowla bakteriofagów prowadzona była z użyciem promieniotwórczych form fosforu (wbudowywanych w skład DNA) oraz siarki (włączanej w skład białek). Aby umożliwić przekazanie materiału genetycznego do komórki gospodarza, inkubowano bakteriofagi z bakteriami. Następnie hodowlę wytrząsano, aby pozbyć się białkowych kapsydówkapsydów z powierzchni bakterii. Udało się uzyskać bakterie z wbudowanymi genami bakteriofaga. Po wirowaniu frakcji sprawdzono, który z izotopów zdołał wniknąć do ich wnętrza. Okazało się, że to znakowany fosfor, a większość białek wyznakowanych siarką pozostała w roztworze wraz z kapsydami wirusów. A zatem za transfer informacji genetycznej odpowiadało DNA.
Rola jądra komórkowego
Jądro komórkowe jest organellą niezbędną do prawidłowego funkcjonowania komórki. Potwierdza to doświadczenie A. M. Clark z 1942 r., w którym obiektem badawczym była ameba, przedstawiciel protistów zwierzęcych. W grupie badawczej za pomocą mikropętlimikropętli usuwano z jednokomórkowego ciała ameby jądro komórkowe. Pozbawiona tej organelli komórka przestała rosnąć, a po paru dniach obumarła. Próbę kontrolną przeprowadzono w celu wykluczenia hipotezy, że sam zabieg wprowadzenia mikropętli do organizmu ameby przyczynia się do jej śmierci. Dlatego w grupie kontrolnej do ciała ameby jedynie wprowadzano mikropętlę, natomiast nie usuwano jądra komórkowego. Po tym zabiegu ameba nadal rosła i rozmnażała się w prawidłowy sposób.
Słownik
fagi, wirusy, których naturalnym gospodarzem są bakterie
forma organizacji materiału genetycznego; cząsteczka DNA nawinięta na białka histonowe tworzy nukleosomy, pomiędzy którymi znajduje się DNA łącznikowe
forma organizacji materiału genetycznego, pojawiająca się w czasie mitozy i mejozy; najwyższy stopień upakowania chromatyny, umożliwiający równy podział informacji genetycznej między komórki potomne
zespół anatomicznych, fizjologicznych i biochemicznych cech organizmu, warunkowany zarówno genotypem, jak i oddziaływaniem środowiska, które można obserwować i mierzyć
białkowa osłonka kwasu nukleinowego (genomu) wirusa
narzędzie składające się z cienkiej rączki i małej pętli na końcu, służące do usuwania jąder komórkowych z komórek
typ komórki, której informacja genetyczna jest oddzielona od reszty cytoplazmy za pomocą otoczki jądrowej; wewnątrz komórki obecny jest system błon wewnątrzkomórkowych (siateczka śródplazmatyczna szorstka i gładka, aparaty Golgiego, lizosomy, mikrociałka), organelle półautonomiczne (mitochondria, chloroplasty) i cytoszkielet
podstawowy element szkieletu ściany komórek bakteryjnych; polimer składający się z ułożonych naprzemiennie łańcuchów N‑acetyloglukozoaminy i kwasu N‑acetylomuraminowego połączonych poprzecznie łańcuchami peptydowymi; biosyntezę mureiny hamują niektóre antybiotyki, np. antybiotyki betabeta‑laktamowe, do których należy penicylina
enzymy katalizujące proteolizę (hydrolityczne rozszczepienie) wiązań peptydowych
zdolność organizmów do odtwarzania uszkodzonych lub utraconych części ciała: komórek, tkanek i narządów
zmiana cech dziedzicznych danego szczepu bakterii (biorcy) pod wpływem pobranego z otoczenia DNA pochodzącego z rozpadu komórek innego szczepu (dawcy)