Ядро

Ядро (nucleus ) клетки - система генетической детерминации и регуляции белкового синтеза.

Ядро обеспечивает две группы общих функций: одну, связанную собственно с хранением и передачей генетической информации, другую - с ее реализацией, с обеспечением синтеза белка.

Хранение и поддержание наследственной информации в виде неизменной структуры ДНК связаны с наличием так называемых репарационных ферментов, ликвидирующих спонтанные повреждения молекул ДНК. В ядре происходит воспроизведение или редупликация молекул ДНК, что дает возможность при митозе двум дочерним клеткам получить совершенно одинаковые в качественном и количественном отношении объемы генетической информации.

Другой группой клеточных процессов, обеспечиваемых активностью ядра, является создание собственно аппарата белкового синтеза (рис. 16). Это не только синтез, транскрипция на молекулах ДНК разных информационных РНК, но и транскрипция всех видов транспортных и рибосомных РНК. В ядре происходит также образование субъединиц рибосом путем комплексирования синтезированных в ядрышке рибосомных РНК с рибосомными белками, которые синтезируются в цитоплазме и переносятся в ядро.

Таким образом, ядро является не только вместилищем генетического материала, но и местом, где этот материал функционирует и воспроизводится. Вот почему выпадание или нарушение любой из перечисленных выше функций гибельно для клетки в целом. Все это указывает на ведущее значение ядерных структур в процессах синтеза нуклеиновых кислот и белков.

Структура и химический состав клеточного ядра

Ядро неделящейся, интерфазной клетки обычно одно на клетку (хотя встречаются и многоядерные клетки). Ядро состоит из хроматина, ядрышка, кариоплазмы (нуклеоплазмы) и ядерной оболочки, отделяющей его от цитоплазмы (рис. 17).

Хроматин

При наблюдении живых или фиксированных клеток внутри ядра выявляются зоны плотного вещества, которые хорошо воспринимают разные красители, особенно основные. Благодаря такой способности хорошо окрашиваться этот компонент ядра и получил название «хроматин» (от греч. chroma - цвет, краска). В состав хроматина входит ДНК в комплексе с белком. Такими же свойствами обладают и хромосомы, которые отчетливо видны во время митотического деления клеток. В неделящихся (интерфазных) клетках хроматин, выявляемый в световом микроскопе, может более или менее равномерно заполнять объем ядра или же располагаться отдельными глыбками.

Хроматин интерфазных ядер представляет собой хромосомы, которые, однако, теряют в это время свою компактную форму, разрыхляются, деконденсируются. Степень такой деконденсации хромосом может быть различной. Зоны полной деконденсации их участков морфологи называют эухроматином (euchromatinum ). При неполном разрыхлении хромосом в интерфазном ядре видны участки конденсированного хроматина, иногда называемого гетерохроматином (heterochromatinum). Степень деконденсации хромосомного материала - хроматина в интерфазе может отражать функциональную нагрузку этой структуры. Чем «диффузнее» распределен хроматин в интерфазном ядре (т.е. чем больше эухроматина), тем интенсивнее в нем синтетические процессы.

Максимально конденсирован хроматин во время митотического деления клеток, когда он обнаруживается в виде плотных хромосом . В этот период хромосомы не выполняют никаких синтетических функций, в них не происходит включения предшественников ДНК и РНК.

Рис. 17. Ультрамикроскопическое строение ядра интерфазной клетки. А - схема; Б - электронная микрофотография участка ядра; 1 - ядерная оболочка (две мембраны, перинуклеарное пространство); 2 - комплекс поры; 3 - конденсированный хроматин; 4 - диффузный хроматин; 5 - ядрышко (гранулярная и фибриллярная части); 6 - межхроматиновые гранулы РНК; 7 - перихроматиновые гранулы; 8 - кариоплазма.

Таким образом, хромосомы клеток могут находиться в двух структурно-функциональных состояниях: в активном, рабочем, частично или полностью деконденсированном, когда с их участием в интерфазном ядре происходят процессы транскрипции и редупликации, и в неактивном, в состоянии метаболического покоя при максимальной их конденсированности, когда они выполняют функцию распределения и переноса генетического материала в дочерние клетки.

Наблюдения за структурой хроматина с помощью электронного микроскопа показали, что как в препаратах выделенного интерфазного хроматина или выделенных митотических хромосом, так и в составе ядра на ультратонких срезах всегда видны элементарные хромосомные фибриллы толщиной 20-25 нм.

В химическом отношении фибриллы хроматина представляют собой сложные комплексы дезоксирибонуклеопротеидов (ДНП), в состав которых входят ДНК и специальные хромосомные белки - гистоновые и негистоновые. В составе хроматина обнаруживается также РНК. Количественные отношения ДНК, белка и РНК составляют 1:1,3:0,2. Обнаружено, что длина индивидуальных линейных молекул ДНК может достигнуть сотен микрометров и даже сантиметров. Среди хромосом человека самая большая первая хромосома содержит ДНК с общей длиной до 7 см. Суммарная длина молекул ДНК во всех хромосомах одной клетки человека составляет около 170 см, что соответствует 6 10^12 г.

В хромосомах существует множество мест независимой репликации ДНК - репликонов . ДНК эукариотических хромосом представляют собой линейные молекулы, состоящие из тандемно (друг за другом) расположенных репликонов разного размера. Средний размер репликона около 30 мкм. В составе генома человека должно встречаться более 50 000 репликонов, участков ДНК, которые синтезируются как независимые единицы. Синтез ДНК как на участках отдельной хромосомы, так и среди разных хромосом идет неодновременно, асинхронно. Так, например, в некоторых хромосомах человека (1, 3, 16) репликация наиболее интенсивно начинается на концах хромосом и заканчивается (при высокой интенсивности включения метки) в центромерном районе (см. ниже). Наиболее поздно репликация заканчивается в хромосомах или в их участках, находящихся в компактном, конденсированном состоянии. Таким примером может являться поздняя репликация генетически инактивированной Х-хромосомы у женщин, формирующей в клеточном ядре компактное тельце полового хроматина.

Белки хроматина составляют 60-70% от его сухой массы. К ним относятся так называемые гистоны и негистоновые белки. Негистоновые белки составляют 20% от количества гистонов. Гистоны - щелочные белки, обогащенные основными аминокислотами (главным образом лизином и аргинином). Очевидна структурная роль гистонов, которые не только обеспечивают специфическую укладку хромосомной ДНК, но и имеют значение в регуляции транскрипции. Гистоны расположены по длине молекулы ДНК не равномерно, а в виде блоков. В один такой блок входят 8 молекул гистонов, образуя так называемую нуклеосому. Размер нуклеосомы около 10 нм. При образовании нуклеосом происходит компактизация, сверхспирализация ДНК, что приводит к укорачиванию длины хромосомной фибриллы примерно в 5 раз. Сама же хромосомная фибрилла имеет вид нитки бус или четок, где каждая бусина - нуклеосома (см. рис. 17). Такие фибриллы толщиной 10 нм дополнительно продольно конденсируются и образуют основную элементарную фибриллу хроматина толщиной 25 нм.

Негистоновые белки интерфазных ядер образуют внутри ядра структурную сеть, которая носит название ядерный белковый матрикс , представляющий собой основу, определяющую морфологию и метаболизм ядра.

В ядрах, кроме хроматиновых участков и матрикса, встречаются перихроматиновые фибриллы, перихроматиновые и интерхроматиновые гранулы. Они содержат РНК и встречаются практически во всех активных ядрах, представляют собой информационные РНК, связанные с белками, - рибонуклеопротеиды (информосомы). Матрицами для синтеза этих РНК являются разные гены, разбросанные по деконденсированным участкам хромосомных (точнее, хроматиновых) фибрилл.

Особый тип матричной ДНК, а именно ДНК для синтеза рибосомной РНК, собран обычно в нескольких компактных участках, входящих в состав ядрышек интерфазных ядер.

Ядрышко

Практически во всех живых клетках эукариотических организмов в ядре видно одно или несколько обычно округлой формы телец величиной 1-5 мкм, сильно преломляющих свет - это ядрышко, или нуклеола (nucleolus ). К общим свойствам ядрышка относится способность хорошо окрашиваться различными красителями, особенно основными. Такая базофилия определяется тем, что ядрышки богаты РНК. Ядрышко - самая плотная структура ядра - является производным хромосомы, одним из ее локусов с наиболее высокой концентрацией и активностью синтеза РНК в интерфазе. Оно не является самостоятельной структурой или органеллой.

В настоящее время известно, что ядрышко - это место образования рибосомных РНК (рРНК) и рибосом, на которых происходит синтез полипептидных цепей уже в цитоплазме.

Образование ядрышек и их число связаны с активностью и числом определенных участков хромосом - ядрышковых организаторов , которые расположены большей частью в зонах вторичных перетяжек; количество ядрышек в клетках данного типа может изменяться за счет слияния ядрышек или за счет изменения числа хромосом с ядрышковыми организаторами. При исследовании фиксированных клеток вокруг ядрышка всегда выявляется зона конденсированного хроматина, часто отождествляемая с хроматином ядрышкового организатора. Этот околоядрышковый хроматин, по данным электронной микроскопии, представляет собой интегральную часть сложной структуры ядрышка. ДНК ядрышкового организатора представлена множественными (несколько сотен) копиями генов рРНК: на каждом из этих генов синтезируется высокомолекулярный предшественник РНК, который превращается в более короткие молекулы РНК, входящие в состав субъединиц рибосомы.

Схему участия ядрышек в синтезе цитоплазматических белков можно представить следующим образом: на ДНК ядрышкового организатора образуется предшественник рРНК, который в зоне ядрышка одевается белком, здесь происходит сборка рибонуклеопротеидных частиц - субъединиц рибосом; субъединицы, выходя из ядрышка в цитоплазму, участвуют в процессе синтеза белка.

Ядрышко неоднородно по своему строению: в световом микроскопе можно видеть его тонковолокнистую организацию. В электронном микроскопе выявляются два основных компонента: гранулярный и фибриллярный. Диаметр гранул около 15-20 нм, толщина фибрилл - 6-8 нм.

Фибриллярный компонент может быть сосредоточен в виде центральной части ядрышка, а гранулярный - по периферии. Часто гранулярный компонент образует нитчатые структуры - нуклеолонемы толщиной около 0,2 мкм. Фибриллярный компонент ядрышек представляет собой рибонуклеопротеидные тяжи предшественников рибосом, а гранулы - созревающие субъединицы рибосом. В зоне фибрилл можно выявить участки ДНК ядрышковых организаторов.

Ультраструктура ядрышек зависит от активности синтеза РНК: при высоком уровне синтеза рРНК в ядрышке выявляется большое число гранул, при прекращении синтеза количество гранул снижается, ядрышки превращаются в плотные фибриллярные тельца базофильной природы.

Действие многих веществ (актиномицин, митомицин, ряд канцерогенных углеводородов, циклогексимид, гидрооксимочевина и др.) вызывает в клетках падение интенсивности ряда синтезов и в первую очередь активности ядрышек. При этом возникают изменения в структуре ядрышек: их сжатие, обособление фибриллярных и гранулярных зон, потеря гранулярного компонента, распад всей структуры. Эти изменения отражают степень повреждения ядрышковых структур, связанных главным образом с подавлением синтеза рРНК.

Ядерная оболочка

Ядерная оболочка (nucleolemma ) состоит из внешней ядерной мембраны (m. nuclearis externa ) и внутренней мембраны оболочки (m. nuclearis interna ), разделенных перинуклеарным пространством, или цистерной ядерной оболочки (cisterna nucleolemmae ). Ядерная оболочка содержит ядерные поры (pori nucleares ).

Мембраны ядерной оболочки в морфологическом отношении не отличаются от остальных внутриклеточных мембран. В общем виде ядерная оболочка может быть представлена как полый двухслойный мешок, отделяющий содержимое ядра от цитоплазмы.

Рис. 18. Строение комплекса поры (схема). 1 - перинуклеарное пространство; 2 - внутренняя ядерная мембрана; 3 - наружная ядерная мембрана; 4 - периферические гранулы; 5 - центральная гранула; 6 - фибриллы, отходящие от гранул; 7 диафрагма поры; 8 - фибриллы хроматина.

Внешняя мембрана ядерной оболочки, непосредственно контактирующая с цитоплазмой клетки, имеет ряд структурных особенностей, позволяющих отнести ее к собственно мембранной системе эндоплазматической сети: на ней со стороны гиалоплазмы расположены многочисленные рибосомы, а сама внешняя ядерная мембрана может прямо переходить в мембраны эндоплазматической сети. Внутренняя мембрана связана с хромосомным материалом ядра.

Наиболее характерными структурами ядерной оболочки являются ядерные поры . Они образуются за счет слияния двух ядерных мембран. Формирующиеся при этом округлые сквозные отверстия поры (annulus pori ) имеют диаметр около 80-90 нм. Эти отверстия в ядерной оболочке заполнены сложноорганизованными глобулярными и фибриллярными структурами. Совокупность мембранных перфораций и этих структур называют комплексом поры (complexus pori ) (рис. 18). Такой сложный комплекс поры имеет октагональную симметрию. По границе округлого отверстия в ядерной оболочке располагается три ряда гранул по 8 в каждом: один ряд лежит со стороны ядра, другой - со стороны цитоплазмы, третий расположен между ними в центральной части поры. Размер гранул около 25 нм. От этих гранул отходят фибриллярные отростки. Фибриллы, отходящие от периферических гранул, могут сходиться в центре и создавать как бы перегородку, диафрагму поперек поры (diaphragma pori ). Размеры пор у данной клетки обычно стабильны, так же как относительно стабилен размер ядерных пор клеток разных организмов.

Число ядерных пор зависит от метаболической активности клеток: чем интенсивнее синтетические процессы в клетках, тем больше пор на единицу поверхности клеточного ядра. Так, у эритробластов (клеток-предшественников ядерных эритроцитов) низших позвоночных животных во время интенсивного синтеза и накопления гемоглобина обнаруживается в ядре около 30 ядерных пор на 1 мкм2. После того как эти процессы заканчиваются, в ядрах зрелых клеток - эритроцитов прекращается синтез ДНК и РНК и количество пор снижается до 5 на 1 мкм2. В ядерных оболочках полностью зрелых сперматозоидов поры не обнаруживаются.

Из многочисленных свойств и функциональных нагрузок ядерной оболочки следует подчеркнуть ее роль как барьера, отделяющего содержимое ядра от цитоплазмы, ограничивающего свободный доступ в ядро крупных агрегатов биополимеров, регулирующего транспорт макромолекул между ядром и цитоплазмой. Одной из важных функций ядерной оболочки следует считать ее участие в создании внутриядерного порядка - в фиксации хромосомного материала в трехмерном пространстве ядра. В интерфазе часть хроматина структурно связана с внутренней ядерной мембраной. Описаны случаи примембранной локализации центромерных и теломерных участков интерфазных хромосом.

ЯДРО И ДЕЛЕНИЕ КЛЕТКИ

Встречающиеся безъядерные структуры (эритроциты, тромбоциты, роговые чешуйки) являются результатом специфической дифференцировки ядерных форм клеток

В организме имеются также структуры, содержащие десятки и сотни ядер. К ним относятся симпласты и синцитии.

Симпласты образуются в результате слияния клеток и представляют собой многоядерные протоплазматические тяжи.

Синцитий формируется в результате неполного деления клеток и представляет собой соклетие, группу клеток, объединённых цитоплазматическими мостиками.

Ядро имеет различную форму, чаще – округлую, реже – палочковидную или неправильную. Следует отметить, что форма ядра стремится к повторению формы клетки и отвечает функциональному назначению. Так, например, у гладких миоцитов, имеющих веретеновидную форму, ядро палочковидное. Лимфоциты крови имеют круглую форму и ядра у них обычно круглые.

Функции ядра:

Хранение и передача наследственной информации дочерним клеткам

Регуляция синтеза белка

Хранение генетической информации обеспечивается тем, что в ДНК хромосом имеются репарационные ферменты, которые восстанавливают хромосомы ядра после их повреждения. Передача наследственной информации происходит при равномерном распределении идентичных копий ДНК между дочерними клетками при делении материнской.

Синтез белка регулируются благодаря тому, что на поверхности ДНК хромосом транскрибируются все виды РНК: информационные, рибосомные и транстпортные, которые участвуют в синтезе белка на поверхности гранулярной ЭПС.

Структурные образования ядра наиболее выражены в определённый период жизни клетки – в интерфазе.

Структурные элементы интерфазного ядра:

1) хроматин

2) ядрышко

3) кариолемма

4) кариоплазма

ХРОМАТИН

Это элемент ядра, который хорошо воспринимает красители (хромос), откуда и произошло его название. В состав хроматина входят нити – элементарные фибриллы, толщиной 20-25 нм, расположенные в ядре рыхло или компактно. На этом основано деление хроматина на 2 вида:

1) эухроматин – рыхлый (деконденсированный), слабо окрашивается основными красителями.

2) гетерохроматин – компактный (конденсированный), хорошо окрашивается основными красителями.

Эухроматин называется активным, гетерохроматин – неактивным. Активность эухроматина объясняется тем, что фибриллы ДНК при этом деспирализованы, т.е. гены, на поверхности которых происходит транскрипция РНК, открыты. Благодаря этому создаются условия для транскрипции РНК. В том случае, если ДНК хромосомы не деспирализована, то гены здесь закрыты, что затрудняет транскрипцию РНК с их поверхности. Следовательно, снижается синтез белка. Вот почему гетерохроматин неактивен. Соотношение эу- и гетерохроматина в ядре является показателем активности синтетических процессов в клетке.

Хроматин изменяет своё физическое состояние в зависимости от функциональной активности клетки. В период деления наблюдается конденсация хроматина и превращение его в хромосомы. Следовательно, хроматин и хромосомы – это различные физические состояния одного и того же вещества.

Химический состав хроматина:

1. ДНК - 40%
2. Белки – 60%
3. РНК – 1%

Ядерные белки представлены двумя формами:

Основные (гистоновые) белки (80-85%)

Кислые (негистоновые) белки (15-20%).

Негистоновые белки формируют белковую сеть в кариоплазме (ядерный матрикс), обеспечивая внутренний порядок расположения хроматина. Гистоновые белки образуют блоки, каждый из которых состоит из 8 молекул. Эти блоки называются нуклеосомами. На нуклеосомы навёртывается фибрилла ДНК. Функции гистоновых белков:

Особая укладка ДНК хромосом

Регуляция синтеза белка.

В ядре клеток обнаруживаются мелкие зерна и глыбки материала, который окрашивается основными красителями и поэтому был назван хроматином (от греч. chroma – краска).

Хроматин – это деспирализованная форма существования хромосом в неделящемся ядре. Его химическую основу составляет дезоксирибонуклеопротеин – комплекс ДНК с гистоновыми и негистоновыми белками. При этом до момента репликации ДНК каждая хромосома содержит лишь одну линейную молекулу ДНК. Хроматин соответствует хромосомам, которые в интерфазном ядре представлены длинными перекрученными нитями и неразличимы как индивидуальные структуры. Выраженность спирализации каждой из хромосом неодинакова по их длине. Реализацию генетической информации осуществляют деспирализованные участки хромосом.

Белки составляют значительную часть вещества хромосом. На их долю приходится около 65 % массы этих структур. Все хромосомные белки разделяются на две группы: гистоны и негистоновые белки.

Гистоновые белки включают 5 главных видов белков: Н1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4 (Н – от histon). Гистоны первых трех классов (Н1, Н2А, Н2В) содержат большое количество аминокислоты лизина. В состав гистонов Н3 и Н4 входит много аминокислоты аргинина. Гистоны - это положительно заряженные основные белки, которые достаточно прочно соединяются с молекулами ДНК, фосфатные группы которых несут отрицательный заряд. Связь гистонов с ДНК препятствуют считыванию заключенной в ДНК биологической информации. В этом состоит их регуляторная роль. Кроме того, эти белки выполняют структурную функцию, обеспечивая пространственную организацию ДНК в хромосомах.

Общее массовое содержание кислых (негистоновых) белков в хромосомах существенно меньше, чем гистонов. Однако эти белки чрезвычайно разнообразны (число фракций негистоновых белков превышает 100).

Вероятно, некоторые из кислых белков играют структурную роль, участвуя в образовании наднуклеосомных уровней укладки хромосом.

Другую группу составляют многочисленные ферменты, обеспечивающие процессы репликации, модификации, репарации и транскрипции.

Самой разнообразной по составу, видимо, является группа регуляторных белков. Они контролируют активность вышеуказанных ферментов, а также доступность тех или иных участков ДНК для этих ферментов.

Классификация хроматина.

В ядрах абсолютного большинства клеток генетический материал представлен диффузно расположенным хроматином. Тем не менее, при окраске хроматина уже под световым микроскопом обнаруживается его неоднородность. Основная масса хроматина, имеющая бледную окраску, получила название эухроматина. Кроме эухроматина, в составе хроматина ядра выявляются участки хроматина с более темной окраской. Такой вариант хроматина называют гетерохроматином. (Эухроматин и гетерохроматин отличаются друг от друга по степени спирализации. Гетерохроматин конденсирован более сильно, поэтому и окрашивается более интенсивнее эухроматина.)

Итак, различают два вида хроматина:

1) эухроматин (от греч. eu – хорошо, полностью и хроматин), участки хромосом, сохраняющие деспирализованное состояние в покоящемся ядре (в интерфазе) и спирализующиеся при делении клеток (в профазе); эухроматин соответствует сегментам хромосом, локализующихся ближе к центру ядра. Эухроматин больше деспирализованный, менее компактный, содержит большинство генов и потенциально способен к транскрипции. Предполагается, что в нем сосредоточена та ДНК, которая в интерфазе генетически активна. Эухроматин отличается от гетерохроматина меньшим содержанием метилированных оснований и блоков повторяющихся последовательностей ДНК, большим количеством негистоновых белков и ацетилированных молекул гистонов, менее плотной упаковкой хромосомного материала, что, как полагают, особенно важно для активности эухроматина и делает его потенциально более доступным для ферментов, обеспечивающих транскрипцию. Эухроматин может приобретать свойства факультативного гетерохроматина – инактивироваться, что является одним из способом регуляции генной активности.

2) гетерохроматин часть хроматина, находящаяся в плотно спирализованном, упакованном состоянии в течение всего клеточного цикла. Гетерохроматин соответствует конденсированным, плотно скрученным сегментам хромосом (что делает их недоступными для транскрипции). Он интенсивно окрашивается основными красителями и в световом микроскопе имеет вид темных пятен, гранул. Гетерохроматин располагается ближе к кариолемме, более компактен, чем эухроматин и содержит «молчащие» гены, т.е. гены, которые в настоящий момент неактивны. Гетерохроматичные районы хромосом, как правило, реплицируются позже эухроматиновых и не транскрибируются, т.е. генетически весьма инертны. Ядра активных тканей и эмбриональных клеток большей частью бывают бедны гетерохроматином. Различают конститутивный и факультативный гетерохроматин.

2.1) конститутивный (структурный) хроматин впервые был обнаружен в начале 30-х годов Гейтцем, который заметил, что в интерфазных ядрах существуют постоянные участки конденсированного хроматина. Его наличие не зависит от степени дифференцированности ткани или от функциональной активности. Гетерохроматин – это компактные участки хромосом, которые в профазе появляются раньше других частей в составе митотических хромосом и в телофазе не декондесируются, переходя в интерфазное ядро в виде интенсивно красящихся плотных структур (хромоцентров), которые располагаются неподалеку от кариолеммы. Постоянно конденсированными зонами чаще всего являются центромерные и теломерные участки хромосом. Конститутативный хроматин не транскрибируется, реплицируется позже всего остального хроматина, в его состав входит (сателлитная) ДНК, обогащенная часто повторяющимися последовательностями нуклеотидов; служит для взаимодействия хромосом с ламиной.

2.2) факультативный (функциональный) гетерохроматин обнаруживается при сравнении ядер разных клеток одного организма, при этом выявляется, что определенные участки хроматина в одних клетках могут быть гетерохроматиновыми, а в других эухроматиновыми. В ДНК факультативного гетерохроматина локализованы гены, которые неактивны из-за его сильной конденсации. Тем не менее, эти гены способны функционировать, если данный район хроматина переходит в деконденсированное (эухроматиновое) состояние. Таким образом, факультативный гетерохроматин представляет собой отражение одного из способов регуляции действия генов – с его помощью в различных клетках можно «выключать» разные гены. Кроме того, факультативный гетерохроматин может присутствовать только в одной из гомологичных хромосом. Пример гетерохроматина такого типа – вторая Х-хромосома у женских особей млекопитающих, которая в ходе раннего эмбриогенеза инактивируется вследствие ее необратимой конденсации. Так, у человека сначала функционируют две Х-хромосомы (у ♀♀), что необходимо для нормального протекания оогенеза (развития женских половых клеток), на 16-е сутки во всех клетках женского эмбриона одна из Х-хромосом образует тельце полового хроматина (тельце Бара), которое может быть обнаружено вблизи ядерной мембраны интерфазных клеток в виде хорошо окрашивающегося гетерохроматинового образования.

Уровни компактизации хроматина.

Сохраняя преемственность в ряду клеточных поколений, хромосомы в зависимости от периода и фазы клеточного цикла меняют свое строение. В интерфазе они образуют хроматин. При переходе клетки к митозу, особенно в метафазе, хроматин приобретает вид хорошо различимых отдельных интенсивно окрашенных телец – хромосом. Интерфазную и метафазную формы существования хромосом расценивают как два полярных варианта их структурной организации, связанных в клеточном цикле взаимопереходами. Различают следующие уровни компактизации ДНК:

0) Двойная спираль ДНК представлена «голой» ДНК, не связанной с белками. Ширина двойной спирали ДНК составляет 2 нм.

1) Нуклеосомный уровень хроматина возникает при взаимодействии молекулы ДНК с молекулами белков-гистонов. Два с половиной витка двойной спирали ДНК (в146-200 пар нуклеотидов) наматываются снаружи на белковый кор, образуя нуклеосому (рис. 9,10).

Кор – это белковый октамер, состоящий из 8-ми гистоновых белков четырех типов (Н2А, Н2В, Н3, Н4). Каждый гистон представлен двумя молекулами. ДНК наматывается на кор снаружи, образуя два споловиной витка (рис. 10). Участок ДНК между нуклеосомами называется линкером и имеет протяженность 50-60 пар нуклеотидов. Толщина нуклеосомной фибриллы (нити)составляет 8-11 нм.

Рис. 10. Структура нуклеосомной коровой частицы .

2) Нуклеомерный (хроматиновая фибрилла, или нить). Нуклеосомная структура закручивается, образуя суперспираль. В ее образовании принимает еще один гистоновый белок Н1, лежащий между нуклеосомами и связанный с линкером. К каждому линкеру присоединяется 1 молекула гистона Н1. Молекулы Н1 в комплексе с линкерами взаимодействуют между собой и вызывают суперспирализацию нуклеосомной фибриллы. В результате образуется хроматиновая фибрилла (рис. 11), толщина которой составляет 30 нм:

Рис. 11. Хроматиновая фибрилла.

На нуклеомерном уровне ДНК компактизована в 40 раз. Суперспирализация происходит двумя способами. Нуклеосомная фибрилла может образовывать спираль второго порядка, которая имеет форму соленоида. При втором варианте суперспирализация 8-10 нуклеосом образуют крупную компактную структуру – нуклеомеру. В обоих случаях формируется новый уровень пространственной организации хроматина, который называют нуклеомерным уровнем. Этот уровень не допускает синтеза РНК с нуклеомерной ДНК (на нуклеомерном уровне организации хроматина транскрипция не происходит).

Рис. 12 Петельная структура хроматина.

4) Хромонемный (от chroma – краска, nema – нить) уровень . Хроматин является субстанцией, которая образует хромосомы. В простейшем случае хромосома содержит одну целостную гигантскую молекулу ДНК в комплексе с белками, т.е. фибриллу ДНП. Такая ДНП-фибрилла называется хромонемой. Хромонемный уровень образуется в результате сближения хромомеров по длине. Перед делением клетки, в S-период интерфазы, каждая хромосома, содержащая одну хромонему, удваивается и состоит из двух хромонем. Эти хромонемы соединены в определенном участке хромосомы специальной структурой – центромерой.

Метафазная хромосома состоит из двух хроматид (рис. 15 Е). Толщина ее составляет 1400 нм. Хроматиды соединены центромерой. При делении клетки хроматиды расходятся и попадают в разные дочерние клетки. Последовательность компактизации хроматина, начиная с молекулы ДНК до хромосомы можно проследить на рисунке 15.

Рис. 15. Уровни компактизации хроматина :

А - нуклесомная фибрилла, Б - элементарная хроматиновая фибрилла; В - интерфазная петельная структура, Г- хромонема; Д – хроматида; Е - метафазная хромосома.

Эухроматину соответствует нуклеосомный и нуклеомерный уровни компактизации ДНК. Гетерохроматину – хромомерный и хромонемный уровни компактизации ДНК, а хроматидный и хромосомный уровни наблюдаются во время митоза.

Таким образом, хроматин и хромосомы представляют собой дезоксирибонуклеопротеиды (ДНП), но хроматин* – это раскрученное, а хроматиды, следовательно, и хромосомы – скрученное состояние. Хроматид и хромосом в интерфазном ядре нет, они появляются при разрушении ядерной оболочки (во время деления: на стадиях поздней профазы, метафазы, анафазы, ранней телофазы).

* Термин хроматин употребляется также для обозначения наследственного вещества клетки, представляющего собой дезоксирибонуклеопротеидный комплекс различной степени компактизации.

Строение хромосом

Хромосомы представляют собой наиболее упакованное состояние хроматина. Наиболее компактные хромосомы видны на стадии метафазы, при этом они состоят из двух хроматид, связанных в области центромеры. Хроматиды генетически идентичны, они образуются во время репликации и поэтому называются сестринскими хроматидами.

Рис. 16. Метафазная хромосома.

В зависимости от места расположения центромеры различают следующие типы хромосом:

Рис. 17. Типы хромосом.

При хромосомных аномалиях (нарушениях строения хромосом) могут возникать и телоцентрические хромосомы, если в результате отрыва плеча от хромосомы у нее остается только одно плечо, а центромера находится в конце хромосомы. Концы плеч хромосом называются теломерами.

V. Ядрышко

Ядрышко – это хорошо заметная в световой микроскоп округлая структура, является самой плотной структурой ядра. Ядрышко находится внутри ядра. Ядрышко интенсивно окрашивается ядерными красителями, т.к. содержит большое количество РНК и ДНК. В состав ядрышка входят рибонуклеопротеиды (РНП). В ядрах клеток эукариот может быть одно, два или несколько ядрышек. Ядрышко – это не отдельная от хроматина структура, а его производная. Ядрышко лишено мембраны и образуется вокруг участков хромосом, в ДНК которых закодирована информация структуре р-РНК. Эти специализированные структуры (петли) хромосом носят название ядрышковых организаторов. Ядрышковые организаторы расположены в области вторичной перетяжки спутничных хромосом. На ДНК ядрышкового организатора синтезируются р-РНК. Обычно функцию ядрышкового организатора выполняет вторичная перетяжка спутничных хромосом. У человека такие участки имеются в 5-ти хромосомах – 13-й, 14-й, 15-й, 21-й и 22-й, где располагаются многочисленные копии генов, кодирующих рибосомальные РНК (р-РНК). Размеры и число ядрышек увеличивается при повышении функциональной активности клетки. Особенно крупные ядрышки характерны для эмбриональных и активно синтезирующих белки клеток, а также для клеток быстрорастущих злокачественных опухолей. Ядрышко исчезает в профазе митоза, когда ядрышковые организаторы «растаскиваются» в ходе конденсации соответствующих хромосом, вновь формируясь в телофазе.

Функции ядрышка заключаются в синтезе р-РНК и ее сборке в предшественники рибосомальных субъединиц.

Под электронным микроскопом в ядрышке обнаруживают две области:

1) фибриллярная область состоит из множества тонких нитей (5-8 нм) и располагаются во внутренней части ядрышка. Здесь же располагаются участки ДНК ядрышковых организаторов. В фибриллярной части ядрышка происходит образование р-РНК в процессе транскрипции, созревание (процессинг) р-РНК.

2) глобулярная часть (гранулярный компонент) образована скоплением плотных частиц диаметром 10-20 нм. В глобулярной части происходит объединение р-РНК с белками, поступившими из цитоплазмы, т.е. происходит образование субъединиц рибосом.

Фибриллярный и гранулярный и гранулярный компоненты ядрышка образуют т.н. ядрышковую нить (нуклеосому) толщиной 60-80 нм, которая в пределах ядрышка формирует широкопелистую сеть, выделяющуюся большей плотностью на фоне менее плотного матрикса.

Ядрышко окружено перинуклеальным хроматином, небольшое количество хроматина проникает с периферии внутрь ядрышка (интрануклеолярный хроматин). В ядрышке клеток обнаруживаются мелкие зернышки и глыбки хроматина, который окрашивается основными красителями; состоит из комплекса ДНК и белка и соответствует хромосомам, которые в интерфазном ядре представлены длинными тонкими перекрученными нитями и неразличимы как визуальные структуры.

text_fields

text_fields

arrow_upward

Ядро - центральный элемент клетки. Его оперативное удаление дискоординирует функции цитоплазмы. Ядро играет главную роль в передаче наследственных признаков и синтезе белков. Передача генетической информации от одной клетки к другой обеспечивается дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК), содержащейся в хромосомах. Удвоение ДНК предшествует клеточному делению. Масса ядра в клетках разных тканей различна и составляет, например, 10-18% от массы гепатоцита, 60% - в лимфоидных клетках. В интерфазе (межмитотическом периоде) ядро представлено четырьмя элементами: хроматином, нуклеолой (ядрышком), нуклеоплазмой и ядерной мембраной.

Хроматин

text_fields

text_fields

arrow_upward

Хроматин - это окрашенные основными красителями многочисленные гранулы, из которых сформированы хромосомы. Хромосомы же образованы комплексом нуклеопротеинов, содержащих нуклеиновые кислоты и белки. Различают два вида хроматина в находящихся в интерфазе ядрах клеток человека - дисперсный, слабо окрашенный хроматин (эухроматин), сформированный длинными, тонкими, переплетенными волокнами, метаболически очень активный и конденсированный хроматин (гетерохроматин), соответствующий районам хромосом, не вовлеченным в процессы контроля метаболической активности.

Для зрелых клеток (например, крови) характерны ядра богатые плотным, конденсированным хроматином, лежащим глыбками. В ядрах соматических клеток женщин он представлен глыбкой хроматина, сближенного с мембраной ядра: это женский половой хроматин (или тельца Барра), представляющий собой конденсированную Х-хромосому. Мужской половой хроматин представлен в ядрах мужских соматических клеток глыбкой, светящейся при окраске флюорохромами. Определение полового хроматина используется, например, для установления пола ребенка по клеткам, полученным из околоплодной жидкости беременной женщины.

Ядрышко

text_fields

text_fields

arrow_upward

Ядрышко - внутриядерная структура сферической формы, не имеющая мембраны. Оно развито во всех клетках, отличающихся высокой активностью белкового синтеза, что связано с образованием в нем субъединиц цитоплазмы, рРНК. Например, ядрышки обнаруживаются в ядрах способных к делению клеток - лимфобластах, миелобластах и др.

Мембрана ядра

text_fields

text_fields

arrow_upward

Мембрана ядра представлена двумя листами, просвет между которыми соединен с полостью эндоплазматического ретикулума. Мембрана имеет отверстия (ядерные поры) приблизительно до 100 нм в диаметре, через которые свободно проходят макромолекулы (рибо-нуклеазы, РНК). Вместе с тем, ядерная мембрана и поры поддерживают микросреду ядра, обеспечивая избирательный обмен различных веществ между ядром и цитоплазмой. В малодифференцированной клетке поры занимают до 10% поверхности ядра, но с созреванием клетки их суммарная поверхность уменьшается.

Нуклеоплазма (ядерный сок)

text_fields

text_fields

arrow_upward

Нуклеоплазма (ядерный сок) представляет собой коллоидный раствор, содержащий белки, который обеспечивает обмен метаболитов и быстрое перемещение молекул РНК к ядерным порам. Количество нуклеоплазмы уменьшается при созревании или старении клетки.

Деление клеток. Митоз.

text_fields

text_fields

arrow_upward

Митоз (рис. 1.5) занимает лишь часть клеточного цикла. В клетках млекопитающих фаза митоза (М) длится около часа.

За нею следует постмитотическая пауза (G1) , для которой характерна высокая активность биосинтеза белков в клетке, реализуются процессы транскрипции и трансляции. Продолжительность паузы около 10 часов, но это время значительно варьирует и зависит от влияния регулирующих факторов, стимулирующих и тормозящих деление клеток, от снабжения их питательными веществами.

Следующая фаза клеточного цикла характеризуется синтезом (репликацией) ДНК (фаза S) и занимает около 9 часов. Далее следует премитотическая фаза G2, продолжающаяся около 4 часов. Таким образом, весь клеточный цикл длится около 24 часов:

Клетки могут находиться также в фазе покоя - Go, длительно оставаясь вне клеточного цикла. Например, у человека до 90% стволовых кроветворных клеток находится в фазе Go, но их переход из Go в G1 ускоряется при возрастании потребностей в клетках крови.

Высокая чувствительность клеток к регулирующим их деление факторам в фазе G1 объясняется синтезом на мембранах клеток в этот период рецепторов гормонов, стимулирующих и ингибирующих факторов. Например, деление эритроидных клеток костного мозга в фазе G, стимулирует гормон эритропоэтин. Тормозит этот процесс ингибитор эритропоэза - вещество снижающее продукцию эритроцитов в случае уменьшения потребностей тканей в кислороде (глава 6).

Передача информации ядру о взаимодействии рецепторов мембраны со стимулятором деления клетки включает синтез ДНК, т.е. фазу S . В результате количество ДНК в клетке из диплоидного, 2N, переходит в тетраплоидное - 4N. В фазе G2 синтезируются структуры, необходимые для митоза, в частности, белки митотического веретена.

В фазе М происходит распределение идентичного генетического материала между двумя дочерними клетками. Собственно фаза М подразделяется на четыре периода: профазу, метафазу, анафазу и телофазу (рис.1.5.).

Профаза характеризуется конденсацией ДНК хромосом, образующих две хроматиды, каждая из которых представляет собой одну из двух идентичных молекул ДНК. Нуклеола и ядерная оболочка исчезают. Центриоли, представленные тонкими микротрубочками расходятся к двум полюсам клетки, образуя митотическое веретено.

В метафазу хромосомы располагаются в центре клетки, образуя метафазную пластинку, В эту фазу морфология каждой хромосомы наиболее отчетлива, что используется на практике для исследования хромосомного набора клетки.

Анафаза характеризуется движением хроматид, «растаскиваемых» волокнами митотического веретена к противоположным полюсам клетки.

Телофаза характеризуется образованием ядерной мембраны вокруг дочернего набора хромосом. Знание особенностей клеточного цикла используется на практике, например, при создании цитостатических веществ для лечения лейкозов. Так, свойство винкристина быть ядом для митотического веретена используется для остановки митоза лейкозных клеток.

Дифференциация клеток

text_fields

text_fields

arrow_upward

Дифференциация клеток - есть приобретение клеткой специализированных функций, связанное с появлением в ней структур, обес-печивающих выполнение этих функций (например, синтез и накопление гемоглобина в эритроцитах характеризует их дифференциацию в эритроциты). Дифференциация связана с генетически запрограм-мированным торможением (репрессией) функций одних участков генома и активацией других.

Половой хроматин в ядрах клеток может занимать, по Moore, Barr (1954) и Winger (1962), три следующих положения.
1. В большинстве случаев половой хроматин располагается на периферии ядра, на внутренней поверхности ядерной оболочки. Он имеет плоско-выпуклую, реже V-образную или треугольную форму. Иногда отмечаются гантелевидные очертания или формы тонких нитей, связанных с ядрышком (Reitalu, 1956, 1957; Klinger, 1958).
2. Половой хроматин нередко может располагаться свободно в нуклеоплазме и принимать сферическую или овальную форму.
3. Очень редко половой хроматин располагается на ядрышке (в нейронах кошки).

Barr и Bertram (1949) нашли, что тельца полового хроматина ядер клеток подъязычного нерва могут менять свое положение относительно ядрышка в зависимости от функционального состояния нейронов после их раздражения. Аналогично этому Lindsay и Barr (1955) показали, что во время усиленного синтеза нуклеопротеидов при восстановлении тигроидного вещества ядер нейронов после длительного раздражения подъязычного нерва наблюдались увеличение размеров ядрышка и перемещение массы полового хроматина по направлению к ядерной оболочке. Исходное положение восстанавливалось через 400 часов.

Graham (1954), исследуя нейроны на ранних эмбриональных стадиях развития кошки, находил глыбки полового хроматина на ядерной оболочке; после рождения котят они располагались около ядрышка. Аналогичная ситуация наблюдалась и в других соматических клетках, что, по мнению автора, связано с дифференцировкой.

При расположении полового хроматина около ядрышек и в нуклеоплазме его иногда трудно отличать от хроматиновых телец, имеющих те же размеры и форму. На этом основании большинство авторов склонно считать половым хроматином только такие тельца, которые расположены на периферии ядра, что наиболее характерно для тканей человека и большинства животных.

По А. В. Капустину (1961 -1964), в клетках тканей человека половым хроматином надо считать только глыбки, расположенные у ядерной мембраны. 3. П. Жемкова (1960) отмечает, что половой хроматин в ткани плаценты человека обладает «половой специфичностью» независимо от его локализации. В трофобласте зародышей крысы половой хроматин располагается преимущественно у ядерной мембраны (Е. В. Зыбина, 1960), а в печени куриного эмбриона - свободно в нуклеоплазме (В. Я. Азарова, 1961) (рис. 1).

Рис 1. Тельца Барра.
а - в соматической клетке женского организма; б - в соматической клетке мужского организма («псевдобарровское тельце»); в - в клетке опухоли женского организма. Окраска по Докумову, увеличение в 2200 раз.

Следовательно, размеры, форма и локализация телец Барра в определенной степени связаны с видовыми и тканевыми особенностями и зависят от функционального состояния клеток. По данным Thoenes (1961), изучавшего структуру полового хроматина в электронном микроскопе, тельца Барра имеют четкие контуры и располагаются, как правило, у ядерной мембраны. Вопрос о предпочтительной локализации телец Барра у ядерной мембраны анализируют И. Л. Гольдман и соавторы (1968). Гетеропикнотическая (поздно редуплицирующаяся) Х-хромосома располагается, как доказано исследованиями многих авторов, в периферической зоне метафазного ядра. Видимо, пространственная структура интеркинетического ядра адекватно отражает плоскую картину метафазной пластинки. Данные электронной микроскопии показывают наличие определенной связи между гетерохроматическими участками хромосом с ядерной мембраной; возможно, именно этот механизм определяет фиксированное положение в ядре Х-хромосомы, имеющей крупные блоки гетерохроматина. При этом имеют значение степень спирализации хромосомы и другие факторы.