ЯДЕРНЫЙ АППАРАТ И РЕПРОДУКЦИЯ КЛЕТОК

Ключевые слова и понятия: ядерная мембрана; хромосома; ядерные поры; кариотип; хроматин; процессинг РНК; эухроматин; гистоны; гетерохроматин; транскрипция; ядрышко; сплайсинг РНК; нуклеосома иРНК; нуклеомер тРНК; хромомер рРНК.

Структура и функции ядра. Структура хромосом. Структура хроматина. Упаковка ДНК

Ядро — важнейшая часть эукариотической клетки, в которой расположен генетический аппарат. В ядре находятся молекулы ДНК, в структуре которых записаны все наследственные свойства и признаки организма.

Функции ядра:

  • • хранение генетической информации;
  • • передача наследственной информации в ряду поколений посредством процесса репликации (удвоения) молекул ДНК;
  • • регуляция деятельности клетки путем транскрипции — синтеза молекул РНК разного типа с последующим их транспортом в цитоплазму.

Количество, форма и размеры ядер в клетках разных организмов и тканей может быть самым разным, но обычно в эукариотической клетке одно ядро (рис. 5.1).

Строение ядра. В ядре выделяют несколько компонентов: ядерная оболочка, ядерный матрикс и кариоплазма, хроматин, ядрышко.

Ядерная оболочка, или кариолемма, состоит из двух мембран: наружной и внутренней, которые являются частью общей мембранной системы клетки. Между ними располагается перинуклеарное пространство шириной в 15—40 нм. Наружная мембрана связана с системой мембран эндоплазматического ретикулума и на ее поверхности могут располагаться рибосомы. Внутренняя мембрана гладкая и содержит большое количество интегральных белков, которые связаны с системой внутриядерных фибрилл, образующих так называемую ядерную пластинку. Эта пластинка состоит из ламинов — разновидности промежуточных цитоскелетных филаментов (см. параграф 3.3). Ядерная пластинка играет очень важную роль в структурно-функциональной организации ядра. Она поддерживает форму ядра, участвует в упаковке хроматина и формировании пор в ядерной оболочке.

Структура ядра эукариотической клетки

Рис. 5.1. Структура ядра эукариотической клетки:

А — схема ядра; Б — схема порового комплекса; В — электронная микрофотография ядерных фибрилл (ламелл); Г — электронная микрофотография ядерной поры; 1 — ядерная оболочка; 2 — гетерофроматин; 3 — эухроматин;

  • 4, 5 — ядрышко и его компоненты: фибриллярный (4) и гранулярный (5);
  • 6 — цистерны шерохоаватого эндоплазматического ретикулума; 7 — ядерная пора; 8 — белки порового комплекса; 9 — наружное кольцо поровых белков;
  • 10 — внутреннее кольцо; 11 — центральная глобула; 12, 13 — наружная (12) и внутренняя (13) ядерные мембраны; 14 — перинуклеарное (межмембранное) пространство; 15 — цитоплазма клетки

Вся оболочка ядра пронизана порами (в среднем от 2 до 4 тыс. на ядро). Их количество варьирует в зависимости от активности ядра в данный момент жизни клетки и от типа клетки. Чем более активно идут синтетические процессы в ядре и клетке, тем больше пор в ядерной оболочке. Поры представляют собой очень сложное образование, состоящее из комплекса специальных поровых белков. Диаметр поры —10 нм.

Ядерная пора — это двусторонний транспортный коридор, связывающий ядро с цитоплазмой. Каждая пора состоит из двух колец по 8 белковых глобул каждое с одной центральной глобулой. Через поры транспортируются синтезируемые в ядре РНК и компоненты рибосом; в ядро поступают синтезируемые в цитоплазме белки, необходимые для работы ядра, различные ионы.

Ядерный матрикс и кариоплазма — это жидкий компонент ядра, в котором расположены хроматин и ядрышко. В состав матрикса входят фибриллярные белки, в том числе актин; комплексы РНК с белками; ферменты; ионы; вода; ядерные белки. Ядерный матрикс — поддерживает форму ядра и является основой для протекающих в нем биохимических процессов.

Хроматин (от греч. chroma — цвет, окраска) — комплекс интерфазных хромосом, представленных молекулами ДНК с белками. Это основная функциональная часть ядра, где происходит перевод генетической информации с молекул ДНК на молекулы РНК (транскрипция). Хроматин в ядре присутствует в двух морфологических и функциональных формах — эухроматин и гетерохроматин.

Эухроматин — это декондерсированные, деспирализованные участки хромосом, которые в данный момент находятся в активном состоянии и на которых происходит синтез РНК. Чем больше фракция эухроматина — тем более активно идут процессы в ядре. Эта часть хроматина не окрашивается и не видна в световой микроскоп.

Гетерохроматин — это конденсированные, спирализованные участки хромосом, которые неактивны, т. е. транскрипция на них не происходит. В световом и электронном микроскопе эти участки хроматина выглядят как уплотненные фрагменты, рассеянные по всему ядру. Гетерохроматин может переходить в эухроматин, что связано с функциональной активностью ядра. Однако не весь гетерохроматин может переходить в стадию эухроматина, поэтому его разделяют на две фракции: факультативный гетерохроматин — который может декон- денсироваться и перейти в эухроматин, и конститутивный (постоянный) гетерохроматин — который в любой ситуации не может декон- денсироваться и перейти в эухроматин.

Основу хроматина составляют молекулы ДНК в комплексе со специальными ядерными белками.

Ядрышко — участок ядра, где происходит синтез рРНК и формирование субъединиц рибосом. Участки хромосом (гены), в которых закодирована структура рРНК, называется ядрышковыми организаторами.

Транскрипция рРНК происходит в хромосомах 13, 14, 15, 21 и 22. Именно петли ДНК этих хромосом, содержащие соответствующие гены и формируют ядрышковый организатор. Размеры и количество ядрышек в ядре клеток колеблется в зависимости от типа клеток и активности ядра. В ядрышке выделяют два компонента: фибриллярный и гранулярный (рис. 5.2).

Ядрышко эукариотической клетки

Рис. 5.2. Ядрышко эукариотической клетки:

А — малое увеличение электронного микроскопа; Б — большое увеличение электронного микроскопа; 1 — ядро; 2 — ядрышко; 3 — гранулярные компоненты ядрышка; 4 — фибриллярные компоненты ядрышка

Фибриллярный компонент — это наиболее активная часть ядрышка, где происходит первичная транскрипция рибосомальных генов и синтез предшественника р-РНК в виде тонких фибрилл диаметром 5—8 нм. В гранулярном компоненте происходит упаковка этих фибрилл в гранулы. Здесь осуществляется созревание рРНК и сборка частиц рибосом.

В клеточном цикле ядрышко присутствует в течение всей интерфазы. В профазе по мере компактизации хромосом во время митоза, оно постепенно исчезает и отсутствует в мета- и анафазе, вновь появляясь в середине телофазы, чтобы сохраняться вплоть до следующего митоза или до гибели клетки.

В клетках встречаются разные морфологические типы ядрышек:

  • нуклеолонемный или ретикулярный тип ядрышка характеризуется большим количеством гранул и плотным фибриллярным компонентом. Данный тип ядрышка характерен для большинства клеток, как животных, так и растительных;
  • компактный тип характеризуется небольшой выраженностью гранулярного компонента и большим количеством фибриллярных центров. Встречается в пролиферирующих растительных и животных клетках, в которых активно происходит процессы синтеза белка и РНК;
  • кольцевидный тип в световой микроскоп ядрышко выглядит как кольцо со светлым фибриллярным центром. Характерен только для клеток животных и свидетельствует о низком уровне активности ядерного аппарата;
  • остаточный тип — ядрышко неактивное и синтез РНК практически не происходит, хотя при определенных условиях оно может активироваться. Фибриллярный и гранулярный компоненты практически не выделяются;
  • сегрегированный тип — фактически, это патологическая форма ядрышка, поскольку встречается в клетках, обработанных каким-либо химическим веществом, или клетка находится на стадии деградации и гибели.

Хромосомы. В интерфазном ядре без специальных методов окраски хромосомы не видны, и только в период митоза они конденсируются и становятся видимыми. Поэтому морфологию хромосом описывают на примере метафазных хромосом.

Но метафазные хромосомы неактивны, поэтому многие исследования по функции хросомом проводят на особых интерфазных хромосомах ооцитов ряда позвоночных, выявляемых в световом микроскопе. Они получили название — ламповых щеток (рис. 5.3). На петлях их ДНК интенсивно идет транскрипция (синтез иРНК).

Крупная интерфазная хромосома типа ламповой щетки из ооцита птиц (препарат проф. Е. Р. Гагинской, СПбГУ)

Рис. 5.3. Крупная интерфазная хромосома типа ламповой щетки из ооцита птиц (препарат проф. Е. Р. Гагинской, СПбГУ):

1 — петли ДНК (места интенсивной транскрипции); 2 — хромомерные участки (места конденсированного хроматина, где транскрипция не идет)

Метафазные хромосомы имеют вид палочковидных структур, разделенных специальным участком — перетяжкой (центромерой) на плечи разной длины. В зависимости от расположения центромеры хромосомы разделяются на несколько групп:

  • • акроцентрические (центромера расположена на конце хромосомы или одно из плеч очень мало);
  • • субметацентрические (с плечами разной длины);
  • • метацентрические (с плечами равной или почти равной длины).

Количество и тип хромосом является характерной чертой каждого

вида организмов и называется — кариотипом. В соматических клетках число хромосом диплоидное (парное), т. е. каждая клетка содержит по две копии каждой хромосомы: одна от отца, другая от матери. Хромосомы, одинаковые по форме, размеру и несущие одинаковые гены называются гомологичными. Хромосомы одной пары отличаются друг от друга, это половые хромосомы X и 7. Они являются негомологичными.

При окраске метафазных хромосом некоторыми красителями (например, красителем Гимза) на них выявляются характерные полоски или диски, расположение которых в каждой хромосоме уникальным и позволяет их определять и классифицировать (рис. 5.4).

Генотип человека

Рис. 5.4. Генотип человека:

1—22 — номера хромосом; линия — центромерные участки хромосом; X—Y — половые хромосомы

Структура хроматина. Упаковка ДНК. Средний размер ядра эукариотической клетки составляет 2—4 мк. И в этом ядре должны быть упакованы несколько хромосом (у человека 46 хромосом), каждая из которых представлена гигантской линейной молекулой ДНК. Длина всех молекул ДНК в геноме человека составляет 1,5—1,7 м, и их надо разместить и упаковать в очень ограниченном пространстве ядра. Как это происходит, до конца еще неизвестно, но многое уже удалось выяснить благодаря современным методам биохимии и молекулярной биологии (рис. 5.5).

Уровни упаковки ДНК

Рис. 5.5. Уровни упаковки ДНК:

1 — спираль ДНК; 2 — нуклеосома; 3 — линкерные участки ДНК; 4 — хроматиновая петля (домен); 5 — центромера; 6 — одна из пары хроматид

Первый уровень упаковки нитей ДНК — нуклеосомный. В этом процессе участвуют специальные ядерные белки — гистоны. Во всех эукариотических клетках выделено пять типов гистонов (HI, Н2А, Н2В, НЗ, Н4). Гистонов так много в клетке (60 млн молекул каждого типа), что их общее количество сопоставимо с количеством ДНК.

Гистоны формируют первый, базовый уровень упаковки ДНК. Группа из восьми молекул гистонов (по две молекулы каждого из гистонов Н2А, Н2В, НЗ,Н4), образуют глобулу, вокруг которой по спирали закручивается участок ДНК размером в 146 пар нуклеотидов. Эти глобулы («бусинки») были открыты в 1974 г. и названы нуклеосомами (рис. 5.6). Каждая нуклеосома отделена от соседней небольшим участком ДНК (80—200 пар нуклеотидов), который получил наименование линкер. На линкере расположена молекула гистона Н1, которая принимает участие в процессах скручивания и раскручивания молекулы ДНК. Гистоны, входящие в состав нуклеосомы практически одинаковы у всех эукариотных организмов.

Нуклеосомный уровень укладки хроматина позволяет «сжать» молекулу ДНК примерно до 1/3 ее первоначальной длины.

Нуклеосомный уровень упаковки ДНК

Рис. 5.6. Нуклеосомный уровень упаковки ДНК:

А — фотография выделенной нити ДНК с нуклеосомами; Б — схема строения

нуклеосом

Второй уровень упаковки нитей ДНК — нуклеомерный. На этом уровне активное участие принимает гистон Н1 и ряд специальных негистонных ядерных белков — стабилизаторов ДНК. Они способствуют тому, что несколько нуклеосом сближаются, формируют компактные группы — нуклеомеры, которые, в свою очередь образуют суперспираль. Такая компактная нить ДНК имеет диаметр 30 нм и получила наименование — хроматиновая фибрилла. При этом происходит сжатие ДНК более чем в 40 раз.

Третий уровень — петлевой или хромомерный. На этом уровне хроматиновые фибриллы образуют систему петель (доменов) диаметром 300 нм, в каждой из которых находится несколько генов. В образовании петель принимают участие белки ядерного матрикса. В конечном итоге длина нити ДНК уменьшается более чем в 10 тыс. раз.

Четвертый уровень — конденсированной хромосомы. Петлевые участки в результате еще большей конденсации образуют конденсированные хромосомы, которые видны только в период митоза.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >