Кариоплазма, хроматин - клеточное ядро. Ядро. Морфология ядра, физико-химические свойства ядра. Значение ядра Ядро и деление клетки

Ядро (nucleus) клетки представляет систему генетической детерминации и регуляции процессов белкового синтеза клетки.

Структура ядра и его химический состав

В состав ядра входит хроматин, ядрышко, кариоплазма (нуклеоплазма), ядерная оболочка.

В клетке, которая делится, в большинстве случаев имеется одно ядро, но встречаются клетки, которые имеют два ядра (20% клеток печени двуядерные), а также многоядерные (остеокласты костной ткани).

¨Размеры - колеблятся от 3-4 до 40 мкм.

Каждый тип клетки характеризуется постоянным соотношением объема ядра к объему цитоплазмы. Такое соотношение носит название индекса Гертвинга. В зависимости от значения этого индекса клетки делятся на две группы:

ядерные - индекс Гертвинга имеет большее значение;

цитоплазматические - индекс Гертвинга имеет незначительные значения.

¨Форма - может быть сферической, палочковидной, бобовидной, кольцевидной, сегментированной.

¨Локализация - ядро всегда локализуется в определенном месте клетки. Например, в цилиндрических клетках желудка оно находится в базальном положении.

Ядро в клетке может находится в двух состояниях:

а) митотическом (во время деления);

б) интерфазном (между делениями).

В живой клетке интерфазное ядро имеет вид оптически пустого, обнаруживается только ядрышко. Структуры ядра в виде нитей, зерен можно наблюдать только при действии на клетку повреждающих факторов, когда она переходит в состояние паранекроза (пограничное состояние между жизнью и смертью). С этого состояния клетка может вернуться к нормальной жизни или погибнуть. После гибели клетки морфологически, в ядре различают следующие изменения:

кариопикноз - уплотнение ядра;

кариорексис - разложение ядра;

кариолизис - растворение ядра.

Функции: 1) хранение и передача генетической информации,

2) биосинтез белка, 3) образование субъединиц рибосом.

Хроматин

Хроматин (от греч. сhroma - цвет краска) - это основная структура интерфазного ядра, которая очень хорошо красится основными красителями и обуславливает для каждого типа клеток хроматиновый рисунок ядра.

Благодаря способности хорошо окрашиваться различными красителями и особенно основными этот компонент ядра и получил название «хроматин» (Флемминг 1880).

Хроматин является структурным аналогом хромосом и в интерфазном ядре представляет собой несущие ДНК тельца.

Морфологически различают два вида хроматина:

гетерохроматин;

эухроматин.

Гетерохроматин (heterochromatinum) соответствует частично конденсированным в интерфазе участкам хромосом и является функционально неактивным. Этот хроматин очень хорошо окрашивается и именно его можна видеть на гистологических препаратах.

Гетерохроматин в свою очередь делится на:

1) структурный; 2) факультативный.

Структурный гетерохроматин представляет участки хромосом, которые постоянно находятся в конденсированном состоянии.

Факультативный гетерохроматин - это гетерохроматин, способный деконденсироваться и превращатся в эухроматин.

Эухроматин - это деконденсированные в интерфазе участки хромосом. Это рабочий, функционально активный хроматин. Этот хроматин не окрашивается и не обнаруживается на гистологических препаратах.

Во время митоза весь эухроматин максимально конденсируется и входит в состав хромосом. В этот период хромосомы не выполняют никаких синтетических функций. В связи с этим хромосомы клеток могут находится в двух структурно-функциональных состояниях:

активном (рабочем), иногда они частично или полностью деконденсированы и с их участием в ядре происходят процессы транскрипции и редупликации;

неактивном (нерабочем, метаболического покоя), когда они максимально конденсированы выполняют функцию распределения и переноса генетического материала в дочерние клетки.

Иногда в отдельных случаях целая хромосома в период интерфазы может оставаться в конденсированном состоянии, при этом она имеет вид гладкого гетерохроматина. Например, одна из Х-хромосом соматических клеток женского организма подлежит гетерохроматизации на начальных стадиях эмбриогенеза (во время дробления) и не функционирует. Этот хроматин называется половых хроматином или тельцами Барра.

В разных клетках половой хроматин имеет различный вид:

а) в нейтрофильных лейкоцитах - вид барабанной палочки;

б) в эпителиальных клетках слизистой - вид полусферической глыбки.

Определение полового хроматина используется для установления генетического пола, а также для определения количества Х-хромосом в кариотипе индивидума (оно равняется количеству телец полового хроматина+1).

При электронно-микроскопических исследованиях установлено, что препараты выделенного интерфазного хроматина содержат элементарные хромосомные фибриллы толщиной 20-25 нм, которые состоят из фибрилл толщиной 10 нм.

В химическом отношении фибриллы хроматина представляют собой сложные комплексы дезоксирибонуклеопротеидов, в состав которых входят:

б) специальные хромосомные белки;

Количественное соотношение ДНК, белка и РНК составляет 1:1,3:0,2. На долю ДНК в препарате хроматина приходится 30-40%. Длина индивидуальных линейных молекул ДНК колеблется в непрямых пределах и может достигать сотен микрометров и даже сантиметров. Суммарная длина молекул ДНК во всех хромосомах одной клетки человека составляет около 170 см, что соответствует 6х10 -12 г.

Белки хроматина составляют 60-70% от его сухой массы и представлены двумя группами:

а) гистоновыми белками;

б) негистоновыми белками.

¨Гистоновые белки (гистоны ) - щелочные белки, содержащие основные аминокислоты (главным образом лизин, аргинин) располагаются неравномерно в виде блоков по длине молекулы ДНК. Один блок содержит 8 молекул гистонов, которые образуют нуклеосому. Размер нуклеосомы около 10 нм. Нуклеосома образуется путем компактизации и сверхспирализации ДНК, что приводит к укорачиванию длины хромосомной фибриллы примерно в 5 раз.

¨Негистоновые белки составляют 20% от количества гистонов и в интерфазных ядрах образуют внутри ядра структурную сеть, которая носит название ядерного белкового матрикса. Этот матрикс представляет основу, которая определяет морфологию и метаболизм ядра.

Перихроматиновые фибриллы имеют толщину 3-5 нм, гранулы имеют диаметр 45нм и интерхроматиновые гранулы имеют диаметр 21-25 нм.

Биохимические исследования в генетике - важный способ изучения основных её элементов - хромосом и генов. В данной статье мы рассмотрим, что такое хроматин, выясним его строение и функции в клетке.

Наследственность - основное свойство живой материи

К главным процессам, характеризующим организмы, живущие на Земле, относятся дыхание, питание, рост, выделение и размножение. Последняя функция является наиболее значимой для сохранения жизни на нашей планете. Как не вспомнить, что первой заповедью, данной Богом Адаму и Еве была следующая: «Плодитесь и размножайтесь». На уровне клетки генеративная функция выполняется нуклеиновыми кислотами (составляющее вещество хромосом). Эти структуры будут рассмотрены нами в дальнейшем.

Добавим также, что сохранение и передача наследственной информации потомкам осуществляется по единому механизму, который совершенно не зависит от уровня организации особи, то есть и для вируса, и для бактерий, и для человека он универсален.

Что является веществом наследственности

В данной работе мы изучаем хроматин, строение и функции которого напрямую зависят от организации молекул нуклеиновых кислот. Швейцарским ученым Мишером в 1869 году в ядрах клеток иммунной системы были обнаружены соединения, проявляющие свойства кислот, названные им сначала нуклеином, а затем нуклеиновыми кислотами. С точки зрения химии, это высокомолекулярные соединения - полимеры. Их мономерами являются нуклеотиды, имеющие следующее строение: пуриновое или пиримидиновое основание, пентоза и остаток Ученые установили, что в клетках могут присутствовать два вида и РНК. Они входят в комплекс с белками и образуют вещество хромосом. Так же как и белки, нуклеиновые кислоты имеют несколько уровней пространственной организации.

В 1953 году лауреатами Нобелевской премии Уотсоном и Криком было расшифровано строение ДНК. Она представляет собой молекулу, состоящую из двух цепей, соединенных между собой водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями по принципу комплементарности (напротив аденина располагается тиминовое основание, напротив цитозина - гуаниновое). Хроматин, строение и функции которого мы изучаем, содержит молекулы дезоксирибонуклеиновой и рибонуклеиновой кислоты различной конфигурации. На этом вопросе мы остановимся более подробно в разделе «Уровни организации хроматина».

Локализация вещества наследственности в клетке

ДНК присутствует в таких цитоструктурах, как ядро, а также в органеллах, способных к делению - митохондриях и хлоропластах. Это связано с тем, что данные органоиды выполняют важнейшие функции в клетке: а также синтез глюкозы и образование кислорода в клетках растений. На синтетической стадии жизненного цикла материнские органеллы удваиваются. Таким образом, дочерние клетки в результате митоза (деления соматических клеток) или мейоза (образования яйцеклеток и сперматозоидов) получают необходимый арсенал клеточных структур, обеспечивающих клетки питательными веществами и энергией.

Рибонуклеиновая кислота состоит из одной цепи и имеет меньшую молекулярную массу, чем ДНК. Она содержится как в ядре, так и в гиалоплазме, а также входит в состав многих клеточных органоидов: рибосом, митохондрий, эндоплазматической сети, пластид. Хроматин в этих органеллах связан с белками-гистонами и входит в состав плазмид - кольцевых замкнутых молекул ДНК.

Хроматин и его структура

Итак, мы установили, что нуклеиновые кислоты содержатся в веществе хромосом - структурных единицах наследственности. Их хроматин под электронным микроскопом имеет вид гранул или нитевидных образований. Он содержит, кроме ДНК, еще и молекулы РНК, а также белки, проявляющие основные свойства и названные гистонами. Все вышеперечисленные нуклеосом. Они содержатся в хромосомах ядра и называются фибриллами (нити-соленоиды). Подводя итог всему вышесказанному, определим, что такое хроматин. Это комплексное соединение и специальных белков - гистонов. На них, как на катушки, накручиваются двухцепочечные молекулы ДНК, образуя нуклеосомы.

Уровни организации хроматина

Вещество наследственности имеет различную структуру, которая зависит от многих факторов. Например, от того, какую стадию жизненного цикла переживает клетка: период деления (метоз или мейоз), пресинтетический или синтетический период интерфазы. Из формы соленоида, или фибриллы, как наиболее простой, происходит дальнейшая компактизация хроматина. Гетерохроматин - более плотное состояние, образуется в интронных участках хромосомы, на которых невозможна транскрипция. В период покоя клетки - интерфазы, когда отсутствует процесс деления, - гетерохроматин располагается в кариоплазме ядра по периферии, вблизи его мембраны. Уплотнение ядерного содержимого происходит в постсинтетическую стадию жизненного цикла клетки, то есть непосредственно перед делением.

От чего зависит конденсация вещества наследственности

Продолжая изучать вопрос "что такое хроматин", ученые установили, что его уплотнение зависит от белков-гистонов, входящих наряду с молекулами ДНК и РНК в состав нуклеосом. Они состоят из белков четырёх видов, называемых коровыми и линкерными. В момент транскрипции (считывание информации с генов с помощью РНК) вещество наследственности слабо конденсировано и носит название эухроматина.

В настоящее время особенности распределения молекул ДНК, связанных с гистоновыми белками, продолжают изучаться. Например, ученые выяснили, что хроматин различных локусов одной и той же хромосомы отличается уровнем конденсации. Например, в местах прикрепления к хромосоме нитей веретена деления, называемых центромерами, он более плотный, чем в теломерных участках - концевых локусах.

Гены-регуляторы и состав хроматина

В концепции регуляции генной активности, созданной французскими генетиками Жакобом и Моно, дается представление о существовании участков дезоксирибонуклеиновой кислоты, в которых нет информации о структурах белков. Они выполняют чисто бюрократические - управленческие функции. Называясь генами-регуляторами, эти части хромосом, как правило, в своей структуре лишены белков-гистонов. Хроматин, определение которого было проведено методом секвенирования, получил название открытого.

В ходе дальнейших исследований было установлено, что в этих локусах расположены последовательности нуклеотидов, препятствующие присоединению к молекулам ДНК белковых частиц. Такие участки содержат регуляторные гены: промоторы, эхансеры, активаторы. Компактизация хроматина в них высока, а длина этих участков в среднем составляет около 300 нм. Существует определения открытого хроматина в изолированных ядрах, при котором используют фермент ДНК-азу. Он очень быстро расщепляет локусы хромосом, лишенные белков-гистонов. Хроматин в этих участках был назван сверхчувствительным.

Роль вещества наследственности

Комплексы, включающие ДНК, РНК и белок, называемые хроматином, участвуют в онтогенезе клеток и изменяют свой состав в зависимости от типа ткани, а также от стадии развития организма в целом. Например, в эпителиальных клетках кожи такие гены, как эхансер и промотор, заблокированы белками-репрессорами, а эти же регуляторные гены в секреторных клетках эпителия кишечника активны и находятся в зоне открытого хроматина. Ученые-генетики установили, что на долю ДНК, не кодирующей белки, приходится более 95 % всего генома человека. Это значит, что управляющих генов намного больше, чем тех, которые ответственны за синтез пептидов. Внедрение таких методов, как ДНК-чипы и секвенирование, позволило выяснить, что такое хроматин, и, как следствие, провести картирование генома человека.

Исследования хроматина очень важны в таких отраслях науки, как генетика человека и медицинская генетика. Это связано с резко возросшим уровнем появления наследственных заболеваний - как генных, так и хромосомных. Раннее выявление этих синдромов повышает процент положительных прогнозов при их лечении.

Хроматин — это вещество хромосом — комплекс ДНК, РНК и белков. Хроматин находится внутри ядра клеток эукариот и входит в состав нуклеоида у прокариот. Именно в составе хроматина происходит реализация генетической информации, а также репликация и репарация ДНК.

При наблюдении некоторых живых клеток, особенно растительных или же клеток после фиксации и окраски, внутри ядра выявляются зоны плотного вещества. В состав хроматина входит ДНК в комплексе с белком. В интерфазных клетках хроматин может равномерно заполнять объем ядра или же располагаться отдельными сгустками (хромоцентры). Часто он особенно четко выявляется на периферии ядра (пристеночный, примембранный хроматин) или образует внутри ядра переплетения довольно толстых (около 0. 3 мкм) и длинных тяжей, образующих подобие внутриядерной цепи.

Хроматин интерфазных ядер представляет собой несущие ДНК тельца (хромосомы), которые теряют в это время свою компактную форму, разрыхляются, деконденсируются. Степень такой деконденсации хромосом может быть различной в ядрах разных клеток. Когда хромосома или ее участок полностью деконденсирован, тогда эти зоны называют диффузным хроматином. При неполном разрыхлении хромосом в интерфазном ядре видны участки конденсированного хроматина (иногда называемого гетерохроматин). Показано, что степень деконденсации хромосомного материала в интерфазе может отражать функциональную нагрузку этой структуры. Чем более диффузен хроматин интерфазного ядра, тем выше в нем синтетические процессы. Падение синтеза РНК в клетках обычно сопровождается увеличением зон конденсированного хроматина.

Максимально конденсирован хроматин во время митотического деления клеток, когда он обнаруживается в виде плотных телец - хромосом. В этот период хромосомы не несут никаких синтетических нагрузок, в них не происходит включение предшественников ДНК и РНК.

В рабочем, частично или полностью деконденсированном, когда с их участием в интерфазном ядре происходят процессы транскрипции и редупликации;

В неактивном - в состоянии метаболического покоя при максимальной их конденсированности, когда они выполняют функцию распределения и перенося генетического материала в дочерние клетки.

В химическом отношении препараты хроматина представляют собой сложные комплексы дезоксирибонуклеопротеидов, в состав которых входит ДНК и специальные хромосомные белки - гистоны. В составе хроматина обнаружено также РНК. В количественном отношении ДНК, белок и РНК находятся как 1: 1, 3: 0, 2. О значении РНК в составе хроматина еще нет достаточно однозначных данных. Возможно, что эта РНК представляет собой сопутствующую препарату функцию синтезирующейся РНК и поэтому частично связанной с ДНК или это особый вид РНК, характерный для структуры хроматина.

Схема конденсации хроматина:

Общая характеристика интерфазного ядра

Ядро - это важнейшая составная часть клетки, которая имеется практически во всех клетках многоклеточных организмов. Большинство клеток имеет одно ядро, но бывают двуядерные и многоядерные клетки (например, поперечно-полосатые мышечные волокна). Двуядерность и многоядерность обусловлены функциональными особенностями или патологическим состоянием клеток. Форма и размеры ядра очень изменчивы и зависят от вида организма, типа, возраста и функционального состояния клетки. В среднем объем ядра составляет приблизительно 10% от общего объема клетки. Чаще всего ядро имеет округлую или овальную форму размером от 3 до 10 мкм в диаметре. Минимальный размер ядра составляет 1 мкм (у некоторых простейших), максимальный - 1 мм (яйцеклетки некоторых рыб и земноводных). В некоторых случаях наблюдается зависимость формы ядра от формы клетки. Ядро обычно занимает центральное положение, но в дифференцированных клетках может быть смещено к периферийному участку клетки. В ядре сосредоточена практически вся ДНК эукариотической клетки.

Основными функциями ядра являются:

1) Хранение и передача генетической информации;

2) Регуляция синтеза белка, обмена веществ и энергии в клетке.

Таким образом, ядро является не только вместилищем генетического материала, но и местом, где этот материал функционирует и воспроизводится. Поэтому нарушение любой из этих функций приведет к гибели клетки. Все это указывает на ведущее значение ядерных структур в процессах синтеза нуклеиновых кислот и белков.

БЛЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯ

Ядро. Хроматин, гетерохроматин, эухроматин.

Ядро (лат. nucleus) - это один из структурных компонентов эукариотической клетки, содержащий генетическую информацию (молекулы ДНК), осуществляющий основные функции: хранение, передача и реализация наследственной информации с обеспечением синтеза белка. Ядро состоит из хромати́на, я́дрышка, кариопла́змы (или нуклеоплазмы) и ядерной оболочки. В клеточном ядре происходит репликация (или редуплика́ция) - удвоение молекул ДНК, а также транскрипция - синтез молекул РНК на молекуле ДНК. Синтезированные в ядре молекулы РНК модифицируются, после чего выходят в цитоплазму. Образование обеих субъединиц рибосом происходит в специальных образованиях клеточного ядра - ядрышках. Таким образом, ядро клетки является не только вместилищем генетической информации, но и местом, где этот материал функционирует и воспроизводится.

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.

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.

Хроматин

Огромная длина молекул ДНК эукариот предопределила появление специальных механизмов хранения, репликации и реализации генетического материала. Хроматином называют молекулы хромосомной ДНК в комплексе со специфическими белками, необходимыми для осуществления этих процессов. Основную массу составляют «белки хранения», так называемые гистоны. Из этих белков построены нуклеосомы - структуры, на которые намотаны нити молекул ДНК. Нуклеосомы располагаются довольно регулярно, так что образующаяся структура напоминает бусы. Нуклеосома состоит из белков четырех типов: H2A, H2B, H3 и H4. В одну нуклеосому входят по два белка каждого типа - всего восемь белков. Гистон H1, более крупный чем другие гистоны, связывается с ДНК в месте ее входа на нуклеосому. Нуклеосома вместе с H1 называется хроматосомой.

Нить ДНК с нуклеосомами образует нерегулярную соленоид-подобную структуру толщиной около 30 нанометров, так называемую 30 нм фибриллу. Дальнейшая упаковка этой фибриллы может иметь различную плотность. Если хроматин упакован плотно, его называют конденсированным или гетерохроматином , он хорошо видим под микроскопом. ДНК, находящаяся в гетерохроматине, не транскрибируется, обычно это состояние характерно для незначимых или молчащих участков. В интерфазе гетерохроматин обычно располагается по периферии ядра (пристеночный гетерохроматин). Полная конденсация хромосом происходит перед делением клетки. Если хроматин упакован неплотно, его называют эу- или интерхроматином . Этот вид хроматина гораздо менее плотный при наблюдении под микроскопом и обычно характеризуется наличием транскрипционной активности. Плотность упаковки хроматина во многом определяется модификациями гистонов - ацетилированием и фосфорилированием.

Считается, что в ядре существуют так называемые функциональные домены хроматина(ДНК одного домена содержит приблизительно 30 тысяч пар оснований), то есть каждый участок хромосомы имеет собственную «территорию». К сожалению, вопрос пространственного распределения хроматина в ядре изучен пока недостаточно. Известно, что теломерные (концевые) и центромерные (отвечающие за связывание сестринских хроматид в митозе) участки хромосом закреплены на белках ядерной ламины.

2. Хроматин

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.

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.