Клеточное ядро

Клеточное ядро состоит из ядерной оболочки, хроматина, ядрышка и кариоплазмы.

Хроматин – это ДНК (30-40%) в комплексе с белками-гистонами (50-65%) и негистоновыми регуляторными белками (10-15%).

Гистоны – сильноосновные белки, не имеют в своем составе триптофана и делятся на пять фракций:

Н₁ – богатый лизином гистон, M_m 2100,

Н_2а – умеренно богатый лизином гистон, M_m 14500,

Н_2б – умеренно богатый лизином гистон, M_m 13700,

Н₃ – богатый аргинином гистон, M_m 15300,

Н₄ – богатый аргинином гистон, M_m 11300.

Н₁ является очень вариабельным гистоном даже в пределах одного организма, его в 2 раза меньше, чем остальных. Остальные гистоны чрезвычайно сходны по структуре, мутации в них являются гибельными для клетки, их поровну.

В сперматозоидах некоторых позвоночных для более плотной упаковки ДНК гистоны замещены сильноосновными, богатыми аргинином белками – протаминами.

Взаимодействие между гистонами и ДНК носит ионный характер. Все гистоны в ядрах подвергаются посттрансляционным изменениям аминокислотных остатков: фосфорилированию серина и треонина, метилированию лизина, аргинина и гистидина, ацетилированию лизина и серина. Гистоны синтезируются раньше репликации ДНК и достаточно метаболически стабильны, выдерживают примерно четыре клеточных деления.

Гистоны обеспечивают специфическую укладку хромосомной ДНК, мнение о гистонах как о регуляторах активности хроматина в настоящее время устарело, регуляторную роль выполняют негистоновые кислые белки.

Фракция негистоновых белков весьма гетерогенна. Она включает:

а) многочисленные белки-ферменты, обеспечивающие процессы репликации, транскрипции и вторичных преобразований гистонов;

б) белки ядерного матрикса;

в) кислые белки, регулирующие транскрипцию, их действие на определенные гены частично или полностью опосредовано взаимодействием с белками матрикса и гистонами дезоксирибонуклеопротеида.

Уровни компактизации ДНК:

1) фибрилла дезоксирибонуклеопротеида,

2) нуклеосома – первый уровень компактизации ДНК, укорачивание происходит в 7 раз. Восемь гистонов (по два Н_2а, Н_2б, Н₃, Н₄) и 140 пар нуклеотидов уложены в бусину, в которой гистоны находятся в сердцевине, а ДНК обматывает их снаружи спиралью в 1,75 витков. Далее идут 60 пар нуклеотидов, не связанных с октомером – «линкерный участок»,

3) нуклеомера – второй уровень компактизации ДНК, характерен для неактивного хроматина и митотических хромосом, укорачивание происходит в 20 раз. Глобулы, состоящие из 8-10 нуклеосом, соединяются с помощью гистона Н₁ через линкерные участки.

4) хромомера – третий уровень компактизации хроматина. Приводит к укорочению 200 раз. Представляет собой петли нуклеомер, объединенные скрепками из негистоновых фибрилл, которые при искусственной деконденсации дадут розеткообразные структуры («ламповые щетки»),

5) хромонема – у высших растений обнаружена полинемная организация хромосом, когда сближенные в линейном порядке спирализованные хромомеры образуют толстые (0,1-0,2 мкм) хромосомные нити, которые уже можно наблюдать в световой микроскоп,

6) хроматида – унинемная хромосома, то есть содержащая в своей основе единичную продольную структуру, характер упаковки еще неизвестен.

ДНК эукариотических клеток гетерогенна по составу. В ней встречаются:

1) фракция часто повторяющихся последовательностей (более миллиона раз), эти последовательности не транскрибируются, а нужны для упаковки ДНК и обеспечивают конъюгацию гомологичных хромосом при мейозе,

2) фракция умеренно повторяющихся последовательностей (от ста до ста тысяч раз), представляют собой блоки истинных генов – тРНК, рРНК и мРНК, кодирующие гистоны,

3) фракция уникальных последовательностей, несет информацию обо всех белках клетки, отдельный ген не повторяется.

Хромосомы клеток могут находиться в двух структурно-функциональных состояниях: а) рабочее – деконденсированный, диффузный хроматин, существует в интерфазном ядре, где происходят процессы транскрипции и репликации, б) неактивное – конденсированный хроматин, состояние метаболического покоя, когда происходит распределение и перенос генетического материала по дочерним клеткам.

При делении клеток хромосомы находятся в максимально конденсированном состоянии. В строении митотических хромосом различают теломеры – два плеча хромосомы и зону первичной перетяжки. В области первичной перетяжки расположена центромера (кинетохор). От нее отрастают пучки микротрубочек веретена деления, идущие по направлению к центриолям. Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку – ядрышковый организатор. Именно на этих участках хромосом в интерфазе происходит образование ядрышка. Здесь же локализована ДНК, ответственная за синтез рРНК (фракция умеренно повторяющихся нуклеотидов).

Теломерные концы не способны соединяться с другими хромосомами или их фрагментами в отличие от концов хромосом, лишенных теломерных участков в результате разрывов. Последние могут присоединяться к таким же разорванным концам других хромосом.

Нуклеосомная организация сохраняется при репликации ДНК. В работающих рибосомальных генах нуклеосомы отсутствуют. При синтезе иРНК нуклеосомы сохраняются, при этом характер взаимоотношений между ДНК и гистонами может изменяться за счет модификации их свойств в результате фосфорилирования, метилирования и так далее.

Эухроматин – деконденсированное состояние хромосомных участков, наиболее активен и содержит весь основной комплекс генов клетки.

Гетерохроматин – конденсированные участки хромосомы, обычно располагается в теломерных, центромерных, околоядрышковых участках. Его утеря не приводит к гибели клетки. Он не активен в отношении синтеза РНК, его репликация происходит в конце периода синтеза основной ДНК. Гетерохроматин содержит большую долю ДНК с умеренно и высоко повторяющимися последовательностями. Гетерохроматин бывает структурный (всегда конденсированный) и факультативный, например, в лейкоцитах, в ядерных эритроцитах, может переходить в эухроматин.

Функции структурного хроматина:

1) поддерживает общую структуру ядра,

2) участвует в прикреплении хроматина к ядерной оболочке,

3) может быть местом узнавания и ассоциации гомологичных хромосом при мейозе,

4) играет роль разделительных зон между соседними генами.

Интерфазное ядро представляет собой сложную, но упорядоченную структуру, что определяется взаимодействием некоторых участков хромосом с ядерной оболочкой. Можно представить себе следующую модель организации интерфазного ядра: развернутая хромосома в интерфазе «заякорена» на ядерной оболочке с помощью гетерохроматических участков (теломерный гетерохроматин, околоядрышковый гетерохроматин, прицентромерный гетерохроматин, вставочные зоны гетерохроматина) так, что ее расположение становится фокусированным в пространстве ядра, часто повторяя телофазную ориентацию, и занимает в нем определенный объем.

Ядерная оболочка состоит из внешней и внутренней мембран, разделенных перинуклеарным пространством. В состав ядерной оболочки входят ядерные поры.

На внешней ядерной мембране обычно располагается большое количество рибосом. Существуют многочисленные наблюдения о непосредственном переходе внешней ядерной мембраны в систему каналов эндоплазматического ретикулума.

Внутренняя мембрана контактирует с хромосомным материалом ядра. В некоторых случаях непосредственно под внутренней ядерной мембраной расположен плотный слой.

Ядерная пора – округлое сквозное отверстие в ядерной оболочке, заполнено сложноорганизованными глобулярными и фибриллярными структурами. Их совокупность называют комплексом пор ядра. Компоненты комплекса пор имеют белковую природу. Сложный комплекс пор имеет октагональную симметрию. По границе округлого отверстия в ядерной оболочке располагаются три ряда гранул, по 8 штук в каждом: один ряд лежит со стороны ядра, другой – со стороны цитоплазмы, третий расположен в центральной части поры. От этих гранул отходят фибриллярные отростки, они могут сходиться в центре и создавать как бы перегородку поперек поры. В центре можно видеть так называемую центральную гранулу.

Размеры пор у данной клетки обычно стабильны. Число же пор подвержено значительным вариациям, оно зависит от размеров пор и от функциональной активности клеток. Чем выше синтетические процессы в клетках, тем больше пор на единицу поверхности клеточного ядра. Число пор резко падает в местах ассоциации с ядерной оболочкой участков гетерохроматина, ядрышкового организатора, теломерных участков.

Функции ядерной оболочки:

1) барьер, отделяющий содержимое ядра от цитоплазмы, ограничивающий свободный доступ в ядро крупных агрегатов биополимеров, активно регулирующий транспорт макромолекул между ядром и цитоплазмой;

2) создание внутриядерного порядка, фиксация хромосомного материала в трехмерном пространстве ядра;

3) создание стабильной системы репликации и распределения множественного хромосомного материала у низших животных.

При митозе ядерная оболочка теряет связь с хромосомами и распадается на мелкие мембранные пузырьки. В конце анафазы мембранные пузырьки цитоплазмы, в первую очередь шероховатого эндоплазматического ретикулума, начинают контактировать с хромосомами и строить ядерную оболочку. Поры появляются на самых ранних этапах. Для реконструкции ядерной оболочки необходимым условием является деконденсация хромосом.

Ядрышко – не самостоятельная структура или органоид, оно является производным хромосомы, одним из ее локусов, активно функционирующим в интерфазе. Ядрышко – это место образования рибосомных РНК и рибосом, на которых происходит синтез полипептидных цепей. На ДНК ядрышкового организатора образуется рРНК, которая в зоне ядрышка одевается белком и превращается в рибосому. Рибосома выходит из ядрышка в ядро, а затем в цитоплазму, где участвует в процессе синтеза белка.

Количество ядрышек в клетке может меняться, однако их число на ядро зависит от генного баланса клетки. Общее число ядрышек на ядро определяется числом ядрышковых организаторов и увеличивается согласно плоидности ядра. Ядрышки могут сливаться, в образовании одного ядрышка иногда участвуют несколько организаторов.

Дата добавления: 2013-12-13