СТРУКТУРНАЯ
ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТКИ
СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ЯДРА
3 Ч А С Т Ь
СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ЯДРА
Ядро (лат. nucleus, греч. karyon) – главный компонент эукариотической клетки. При повреждении ядра клетка погибает.
Форма ядра обычно круглая, шарообразная, но может быть и другой: палочковидной, серповидной, лопастной и зависит как от формы клетки, так и от функций, которые она выполняет.
В клетках с высокой физиологической активностью форма ядер сложная, что увеличивает отношение поверхности ядра к его объёму.
Например, сегментоядерные лейкоциты имеют многолопастные ядра. Размеры ядра, как правило, зависят от величины клетки: при увеличении объёма цитоплазмы растёт и объём ядра.
Соотношение объёмов ядра и цитоплазмы называется ядерно-плазменным соотношением. Нарушение этого соотношения в процессе роста клетки приводит к клеточному делению.
Ядро чаще всего расположено в центре клетки, и только у растительных клеток с центральной вакуолью - в пристеночной протоплазме.
Размеры ядер колеблются в широких пределах - от 3 до 25 мкм. Наиболее крупным ядром обладает яйцеклетка.
Количество ядер клетки также неодинаково — большинство клеток имеет одно ядро, хотя встречаются двуядерные (некоторые нейроны, клетки печени, кардиомиоциты) и многоядерные клетки (например, часть клеток печени, мышц и костного мозга). В клетках низших растений и простейших количество ядер может достигать десятков и даже сотен.
Положение ядра в клетке является характерным для клеток каждого типа. В зародышевых клетках ядро обычно находится в центре клетки, но может смещаться по мере развития клетки и образования в цитоплазме специализированных участков или отложения в ней резервных веществ.
Сам термин “ядро” впервые был применен Робертом БРОУНОМ в 1833 г. для обозначения шаровидных постоянных структур в клетках растений. Позднее такую же структуру описали во всех клетках высших организмов.
В современном представлении в структуру ядра (рис.1) входят:
1) поверхностный аппарат ядра;
2) кариоплазма;
3) ядрышки;
4) хроматин (хромосомы).
◈ КАРИОПЛАЗМА – внешне бесструктурный компонент ядра, который по химическому составу аналогичен гиалоплазме, но в отличие от цитоплазматического матрикса содержит очень много нуклеиновых кислот. Он создает специфическое микроокружение для ядерных структур и обеспечивает взаимосвязь с цитоплазмой.
ЯДЕРНЫЙ МАТРИКС представлен фибриллярными белками, осуществляющими структурную (скелетную) функцию в топографической организации всех ядерных компонентов, регуляторную (принимают участие в репликации, транскрипции, процессинге), транспортную (перемещают продукты транскрипции внутри ядра и за его пределы).
Рис. 1 Строение ядра
◈ ПОВЕРХНОСТНЫЙ АППАРАТ ЯДРА состоит из трех основных компонентов:
1 – ядерной оболочки;
2 – поровых комплексов;
3 – ядерной ламины (плотной пластинки).
① Ядерная оболочка образуется за счет расширения и слияния друг с другом цистерн ЭПС и имеет соответственно наружную и внутреннюю мембрану.
Наружная мембрана ядерной оболочки переходит во внутреннюю лишь в области ядерных пор.
Между мембранами находится перинуклеарное пространство 10 – 50 нм и сохраняет сообщение с полостями ЭПС. Со стороны цитоплазмы наружная мембрана покрыта рибосомами.
Внутренняя поверхность ядерной оболочки подстилается ядерной ламиной, жёсткой белковой структурой, образованной белками-ламинами, к которой прикреплены нити хромосомной ДНК.
Ламины прикрепляются к внутренней мембране ядерной оболочки при помощи заякоренных в ней трансмембранных белков — рецепторов ламинов.
② Ядерные поры составляют 10 – 12% площади поверхностного аппарата ядра. Это не просто сквозные дыры в ядерной оболочке, а комплексы, в которых, кроме мембран, имеется система правильно ориентированных в пространстве периферических и центральных глобул (рис. 2).
По границе поры в ядерной оболочке располагаются 3 ряда гранул, по 8 штук в каждом: один ряд расположен со стороны ядра, другой – со стороны цитоплазмы, третий – в центральной части поры.
От этих глобул отходят фибриллярные отростки. Такие фибриллы, идущие от периферических гранул, обычно сходятся в центре. Здесь же располагается центральная глобула.
Типичные поровые комплексы у большинства эукариотических клеток имеют диаметр около 120 нм.
Рис. 2. Детали организации поровых комплексов:
А – вид сверху;
Б – на срезе.
1 – центральная глобула; 2 – периферическая глобула;
3 – связующие фибриллярные тяжи;
4 – тяжи в цитозоле; 5 – плотная пластинка;
6 – перинуклеарное пространство.
③ Периферическая плотная пластинка (ядерная ламина) образована структурными белками ядерного матрикса, которые на всем протяжении сопровождают внутреннюю мембрану.
Ядерная ламина (рис. 3) обеспечивает структурную функцию (принимает участие в упорядоченной укладке хроматина ядра и структурной организации порового комплекса). Она определяет форму ядра, взаимодействует с поровыми комплексами, генетическим материалом и ядерным матриксом.
Рис. 3. Ядерная ламина
◈ ЯДРЫШКИ – несамостоятельные и непостоянные структуры ядра, представляющие собой округлые плотные тельца, погруженные в ядерный сок (рис. 4).
Их количество (обычно от 1 до 10), форма может значительно варьировать в зависимости от функционального состояния ядра и типа клеток.
Ядрышки образуются на определенных участках (спутничных) хромосом, несущих информацию о структуре р-РНК. Такие участки называются ядрышковым организатором и содержат многочисленные копии генов, кодирующих р-РНК.
Ядрышки активно функционируют в период между делениями клетки, в начале деления (профазу) они исчезают. Образуются в телофазу на специфических участках, называемых «ядрышковыми организаторами».
Рис. 4. Схема строения ядра клетки.
У человека это 13 – 15; 21 – 22 хромосомы. Ядрышки представляют собой определенные участки ДНП хроматина, связанные со структурными и функциональными белками ядерного матрикса.
В них синтезируется р-РНК и происходит формирование субъединиц рибосом. Через ядерную оболочку субъединицы попадают в цитоплазму, где собираются в целостные рибосомы, осуществляющие синтез белка в клетке. Таким образом, ядрышки являются местом синтеза р-РНК и образования субъединиц рибосом.
◈ ХРОМОСОМЫ (ХРОМАТИН) – самый главный постоянный компонент ядра эукариотической клетки.
По химической природе является дезоксирибонуклеопротеидным комплексом – ДНП (ДНП = ДНК + белки).
Молекулы ДНК способны к репликации и транскрипции. В неделящейся клетке ДНП ядра представлены в виде длинных тонких нитей, носящих название «хроматин», на которых происходит транскрипция.
Хроматин — внутренние нуклеопротеидные структуры ядра, окрашивающиеся некоторыми красителями и отличающиеся по форме от ядрышка.
Хроматин имеет вид глыбок, гранул и нитей. Химический состав хроматина:
1) ДНК (30 – 45%),
2) гистоновые белки (30 – 50%),
3) негистоновые белки (4 – 33%), следовательно, хроматин является дезоксирибонуклеопротеидным комплексом (ДНП).
В зависимости от функционального состояния хроматина различают: гетерохроматин и эухроматин.
Эухроматин — генетически активные, гетерохроматин — генетически неактивные участки хроматина. Эухроматин при световой микроскопии не различим, слабо окрашивается и представляет собой деконденсированные (деспирализованные, раскрученные) участки хроматина.
Гетерохроматин под световым микроскопом имеет вид глыбок или гранул, интенсивно окрашивается и представляет собой конденсированные (спирализованные, уплотненные) участки хроматина. Хроматин — форма существования генетического материала в интерфазных клетках. Во время деления клетки (митоз, мейоз) хроматин преобразуется в хромосомы.
В начале деления клетки (профаза) удвоенные в S-период интерфазы ДНП-комплексы спирализуются и представляют собой короткие палочковидные структуры – хромосомы. Хроматин – это интерфазное состояние хромосом клетки.
Химический состав хромосом такой же, как у хроматина: ДНК до 40%, белки до 60%. Основу хромосомы составляет одна непрерывная двухцепочечная молекула ДНК; длина ДНК одной хромосомы может достигать нескольких сантиметров. Молекула такой длины не может располагаться в клетке в вытянутом виде, а подвергается укладке, приобретая определенную трехмерную структуру, или конформацию (рис. 5).
Выделяют следующие уровни пространственной укладки ДНК и ДНП:
1) нуклеосомный (накручивание ДНК на белковые глобулы),
2) нуклеомерный,
3) хромомерный,
4) хромонемный,
5) хромосомный.
СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ХРОМАТИНА
Двойная спираль молекулы ДНК соединяется с гистоновыми и негистоновыми белками, образуя нуклеопротеидные фибриллы. Длина этих фибрилл в диплоидном наборе хромосом человека равна примерно 2 м, а совокупная длина всех хромосом в метафазе составляет около 150 мкм.
Каждая хроматида хромосомы содержит одну непрерывную молекулу ДНК. Упаковка генетического материала достигается путем спирализации (конденсации).
1. Нуклеосомная нить. Этот уровень организации хроматина обеспечивается четырьмя видами нуклеосомных гистонов: Н2А, Н2В, Н3, Н4. Они образуют белковые тела — коры, состоящие из восьми молекул (по две молекулы каждого вида гистонов).
Молекула ДНК комплектируется с белковыми корами, спирально накручиваясь на них. При этом в контакте с каждым кором оказывается участок ДНК, состоящий из 146 пар нуклеотидов (п. н.).
Свободные от контакта с белковыми телами участки ДНК называют связующими или линкерными. Они включают от 15 до 100 п. н. (в среднем 60 п. н.) в зависимости от типа клетки.
Отрезок молекулы ДНК длиной около 200 п. н. вместе с белковым кором составляет нуклеосому.
Благодаря такой организации в основе структуры хроматина лежит нить, представляющая собой цепочку повторяющихся единиц — нуклеосом.
Вдоль нуклеосомной нити имеются области ДНК, свободные от белковых тел. Эти области, расположенные с интервалами в несколько тысяч пар нуклеотидов, играют важную роль в дальнейшей упаковке хроматина, так как содержат нуклеотидные последовательности, специфически узнаваемые различными негистоновыми белками.
В результате нуклеосомной организации хроматина двойная спираль ДНК диаметром 2 нм приобретает диаметр 10 – 11 нм и сокращает ее длину приблизительно в 7 раз.
Нуклеосомный уровень упаковки обнаруживается в электронном микроскопе в интерфазе и в начале митоза.
2. Хроматиновая фибрилла. Дальнейшая компактизация нуклеосомной нити обеспечивается гистоном H1, который, соединяясь с линкерной ДНК и двумя соседними белковыми телами, сближает их друг с другом и образуется спираль диаметром около 30 нм, более компактная структура, построенная по типу соленоида. Такая хроматиновая фибрилла, называемая также элементарной.
Один виток спирали содержит 6 — 10 нуклеосом. Этим достигается укорочение нити еще в 6 раз.
3. Серия петельных доменов. В их образовании принимают участие негистоновые белки, которые способны узнавать специфические нуклеотидные последовательности вненуклеосомной ДНК, отдаленные друг от друга на расстояние в несколько тысяч пар нуклеотидов.
Эти белки сближают указанные участки с образованием петель (доменов) из расположенных между ними фрагментов хроматиновой фибриллы.
Участок ДНК, соответствующий одной петле, содержит от 20000 до 80000 п. н. Возможно, каждая петля является функциональной единицей генома. В результате такой упаковки хроматиновая фибрилла диаметром 20 – 30 нм преобразуется в структуру диаметром 200 – 300 нм, нить ДНП укорачивается в 10 – 20 раз.
4. Интерфазная хромонема. Отдельные участки ДНП подвергаются дальнейшей компактизации, образуя структурные блоки, объединяющие соседние петли с одинаковой организацией. В результате такой упаковки образуется структура диаметром 700 нм, нить ДНП укорачивается в 10 – 20 раз.
5. Метафазная хромосома. Отдельные участки интерфазной хромонемы подвергаются дальнейшей компактизации, с образованием метафазных хромосом, происходит укорочение в 20 раз. Метафазные хромосомы имеют длину от 2,3 до 11 мкм и диаметр от 0,2 до 5,0 мкм. Общий итог конденсации – укорочение нити ДНП в 10 000 раз.
Митотическая суперкомпактизация хроматина делает возможным изучение внешнего вида хромосом с помощью световой микроскопии.
В первой половине митоза они состоят из двух хроматид, соединенных между собой в области первичной перетяжки (центромеры или кинетохора) особым образом организованного участка хромосомы, общего для обеих сестринских хроматид.
Во второй половине митоза происходит отделение хроматид друг от друга. Из них образуются однонитчатые дочерние хромосомы, распределяющиеся между дочерними клетками.
Хромосомы во взаимодействии с внехромосомными механизмами обеспечивают:
1) хранение, наследственной информации;
2) использование этой информации для создания и поддержания клеточной организации;
3) регуляцию считывания наследственной информации;
4) самоудвоение генетического материала;
5) передачу его от материнской клетки дочерним.
ХРОМОСОМА перед делением клетки состоит из двух хроматид. В процессе преобразования хроматина в хромосомы ДНП образует не только спирали и суперспирали, но еще петли и суперпетли. Поэтому процесс формирования хромосом, который происходит в профазу митоза или профазуI мейозаI, лучше называть не спирализацией, а конденсацией хромосом.
Хромосомы дифференцированы по длине. Метафазная хромосома (хромосомы изучаются в метафазу митоза) состоит из двух хроматид (рис. 6).
В хромосоме различают ПЕРВИЧНУЮ ПЕРЕТЯЖКУ, которая делит хромосому на плечи, ТЕЛОМЕРЫ богатые структурным гетерохроматином, концевые участки плеч, защищающие хромосомы от слипания.
Некоторые хромосомы имеют ВТОРИЧНЫЕ ПЕРЕТЯЖКИ, отделяющие часть хромосомы, называемую СПУТНИКОМ (у человека пять пар хромосом имеют вторичные перетяжки – 13, 14, 15, 21, 22). Они, в отличие от первичной перетяжки (центромеры), не служат местом прикрепления нитей веретена и не играют никакой роли в движении хромосом.
Рис. 6. Строение хромосом
В области вторичных перетяжек расположены копии генов, несущих информацию о строении р-РНК, поэтому эти хромосомы называются ядрышкообразующими.
Хромосомы, имеющие спутник, называются спутничными.
В зависимости от положения центромеры выделяют (рис. 7):
а) метацентрические (равноплечие),
б) субметацентрические (умеренно неравноплечие),
в) акроцентрические (резко неравноплечие),
г) телоцентрические хромосомы.
Рис. 7. Типы хромосом
Функции ядра:
1) хранение наследственной информации и передача ее дочерним клеткам в процессе деления,
2) регуляция жизнедеятельности клетки путем регуляции синтеза различных белков,
3) место образования субъединиц рибосом.
КАРИОТИП — совокупность признаков (число, размеры, форма и т. д.) полного набора хромосом, присущая клеткам данного биологического вида (видовой кариотип), данного организма (индивидуальный кариотип) или линии (клона) клеток.
Кариотипом иногда также называют и визуальное представление полного хромосомного набора (кариограммы).
Термин «кариотип» был введён в 1924 году отечественным цитологом Г. А. Левитским.
Длительное время полагали, что кариотип человека состоит из 48 хромосом. Однако в начале 1956 г. было опубликовано сообщение, согласно которому число хромосом в кариотипе человека равно 46 (рис 8).
У представителей разных видов кариотипы разные, одного вида — одинаковые.
Аутосомы — хромосомы, одинаковые для мужского и женского кариотипов. Половые хромосомы — хромосомы, по которым мужской кариотип отличается от женского. Хромосомный набор человека (2n = 46, n = 23) содержит 22 пары аутосом и 1 пару половых хромосом.
Функции хромосом – хранение наследственной информации и передача генетического материала от материнской клетки к дочерним. Постоянство кариотипа в клетках одного организма обеспечивается митозом, а в пределах вида — мейозом. Диплоидный набор аскариды равен 2, дрозофилы — 8, шимпанзе — 48, речного рака — 196.
Хромосомы диплоидного набора разбиваются на пары; хромосомы одной пары имеют одинаковое строение, размеры, набор генов и называются гомологичными.
Идиограмма — графическое изображение кариотипа. Аутосомы в идиограмме распределены по группам и пронумерованы при их избирательном окрашивании:
1 - 22 - порядковый номер хромосомы (аутосомы), 23 - половые хромосомы.
Рис. 8. Расположение полос в хромосомах человека
В идиограмме кариотипа человека хромосомы делят на 7 групп, в зависимости от их размеров и формы (таб. 1).
Таблица 1
ПОЛОВОЙ ХРОМАТИН
В клетках мужчин (кариотип 46, XY) Х-хромосома всегда выполняет активную функцию, а у женщин (46, XX) одна Х-хромосома является активной, а другая Х-хромосома находится в неактивном, спирализованном состоянии.
Она выявляется в виде компактной темной глыбки в интерфазном ядре соматических клеток нормальных женщин и называется ТЕЛЬЦЕМ БАРРА или половым Х-хроматином.
Инактивация одной из двух Х-хромосом происходит в эмбриогенезе, причем закономерности в инактивации отцовской или материнской хромосомы нет (гипотеза Лайон). При любом числе Х-хромосом в активном состоянии будет только одна, следовательно, половой Х-хроматин в норме выявляется только у женщин и отсутствует у мужчин.
Зная число глыбок полового хроматина, можно определить число Х-хромосом по формуле n + 1, где n — число глыбок, а 1 — активная Х-хромосома; и наоборот, зная число Х-хромосом, можно определить число телец Барра по формуле n – 1, где n — число Х-хромосом, а 1 — активная Х-хромосома.
У мужчин в норме выявляется Y-ПОЛОВОЙ ХРОМАТИН (он представляет длинное плечо Y-хромосомы), который обнаруживается с помощью люминесцентной микроскопии и выглядит в виде яркого пятна диаметром 0,3 – 1 мкм.
Изменение числа глыбок полового хроматина происходит при геномных мутациях (изменение числа X- и Y-хромосом).
Определение полового хроматина используется как экспресс-метод при пренатальном и постнатальном определении пола и диагностике хромосомных болезней (табл. 2).
Таблица 2
Кариотип организма может изменяться, если половые клетки (гаметы) претерпевают изменения под влиянием мутаций.
Иногда кариотип отдельных клеток отличается от видового кариотипа в результате хромосомных или геномных так называемых соматических мутаций (таб. 2).
Таблица 3
КАРИОТИПЫ |
БОЛЕЗНЬ |
КОММЕНТАРИЙ |
47, XXY; 48, XXXY; |
Синдром Клайнфельтера |
Полисомия по X-хромосоме у мужчин. |
45, X0; 45, X0/46XX; 45, X/46, XY; |
Синдром Шерешевского — Тёрнера |
Моносомия по X хромосоме, в том числе и мозаицизм. |
47, ХХX; 48, ХХХХ; 49, ХХХХХ |
Полисомии по X хромосоме |
Наиболее часто — трисомия X. |
47, ХХ, 21+; 47, ХY21+ |
Синдром Дауна |
Трисомия по 21-й хромосоме. |
47, ХХ, 18+; 47, ХY, 18+ |
Синдром Эдвардса |
Трисомия по 18-й хромосоме. |
47, ХХ, 13+; 47, ХY, 13+ |
Синдром Патау |
Трисомия по 13-й хромосоме. |
46, XX, 5р- |
Синдром кошачьего крика |
Делеция короткого плеча 5-й хромосомы. |