БИОЛОГИЯ Конспект лекций - Золотые страницы 2003

2. СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ЯДЕРНОГО АППАРАТА КЛЕТКИ

Ядро клетки (от греч. nucleus — ядро) является мембранной структурой клетки.

Обычно эукариотическая клетка имеет одно ядро, но есть и многоядерные клетки. Ядро расположено в центре клетки и имеет овальную форму. Объем ядра составляет 10-15 % клетки. Ядро имеет две мембраны, пронизанные порами. Между мембранами находится перинуклеарное пространство. Наружная мембрана ядра связана с мембранами эндоплазматического ретикулума.

Обе мембраны имеют типичное строение — липидный бислой со встроенными белками. Перинуклеарное пространство через каналы эндоплазматического ретикулума сообщается с различными участками цитоплазмы. Внутренняя мембрана не содержит рибосом и изнутри покрыта сетью белков, образующих ядерную ламину. Благодаря ей, к внутренней мембране прикрепляются теломерные участки хромосом. Во время митоза ламина играет важную роль в процессе циклической разборки и восстановления ядерной оболочки. Ядерная ламина обуславливает форму и объем ядра.

Ядерная мембрана обладает свойством избирательной проницаемости. Потоки вещества регулируются специфическими свойствами белков мембран и ядерных пор. Количество ядерных пор колеблется от 1000 до 10 000 на каждое ядро. Это сложно организованные каналы. Внутрь ядра поступают белки, АТФ, нуклеотиды. Из ядра в цитоплазму выходят субъединицы рибосомы, транспортная РНК, матричная РНК. Белки из цитоплазмы в ядро избирательно переносятся в несколько этапов. Сначала они связываются со специальными белками цитоплазмы и образуют комплексы. Эти комплексы связываются с белками-рецепторами порового комплекса. На следующем этапе нужный белок отделяется и активно переносится через поры, а цитоплазматический белок возвращается в цитозоль. Перенос является энергозависимым, т. е. требует присутствия АТФ. Перенос рибосомных субъединиц, РНК и ферментов также является специфичным и обусловлен избирательным связыванием с рецептором порового комплекса.

Кариоплазма (нуклеоплазма) ядра содержит большое количество воды (75-90 %), в которой располагаются: хроматин (гетерохроматин и эухроматин), миофиламенты, ядрышко, ферменты гликолиза, аминокислоты, свободные нуклеотиды, ферменты репликации ДНК и т. д.

Микрофиламенты ядра — цитоскелетные белки, пересекающие содержимое ядра, поддерживающие форму ядра, обеспечивающие транспортные процессы в кариоплазме, упорядоченное протекание основных процессов: репликации, транскрипции, процессинга.

В нуклеоплазме интерфазного (неделящегося) ядра находится молекула ДНК не в свободном состоянии, а в виде хроматина — комплекса ДНК и белков. Хроматиновые нити, переплетаясь внутри интерфазного ядра, образуют хроматиновую сеть. Количество хроматиновых нитей соответствует диплоидному набору хромосом. Каждая нить обеими концевыми участками прикреплена к белкам ядерной оболочки. Хроматиновые нити представляют собой комплекс ДНК и белков в соотношении 1:1. Белки хроматина представлены гистонами (основными) и протаминами (негистоновыми кислыми белками).

Структурной единицей хроматина являются нуклеосомы. Молекулы ДНК упаковываются при помощи гистонов в спираль меньшей длины. Нуклеосомы — дискообразные частицы диаметром около 11 нм. Каждая нуклеосома состоит из набора 8 молекул гистонов; по две молекулы Н2А, Н2В, Н3, Н4. Эти гистоны образуют протеиновый стержень, вокруг которого обвивается определенный сегмент двуспиральной молекулы ДНК.

Гистон Н₁ соединяет Н₁ друг с другом. Нить ДНК продолжается от нуклеосомы к нуклеосоме. Каждая нуклеосома отделяется от следующей участком линкерной ДНК, которая представляет собой приблизительно 60 пар азотистых оснований. Линкерная ДНК и определенная частица нуклеосомы составляют полную нуклеосому, которая содержит 200 пар азотистых оснований ДНК.

Хроматин обладает следующими свойствами: высокой стабильностью структуры, что обеспечивает постоянство генома из поколения в поколение; способностью связывать гистоновые и негистоновые белки в зависимости от активности генома; возможностью изменять структуру в различные периоды клеточного цикла; возможностью существовать в виде эухроматина и гетерохроматина; способностью формировать хромосомы при делении клетки.

Хроматин выполняет следующие функции:

1. Хранение генетической наследственной информации в виде строгой последовательности нуклеотидов ДНК, стабилизированной белками и специальной упаковкой.

2. Перенос наследственной характеристики от родителей к потомкам посредством формирования хромосом.

3. Обеспечение роста клеток, поддержание их структуры и функций путем управления синтезом структурных белков.

4. Контроль метаболизма путем регуляции образования необходимых ферментов.

5. Формирование ядрышек, где образуются субъединицы хромосом.

В зависимости от степени конденсации (спирализации) хроматин подразделяется на гетерохроматин и эухроматин.

Гетерохроматин сильно уплотнен и генетически неактивен. Обычно 90 % хроматина находится в такой форме. На электронно-микроскопических фотографиях гетерохроматин выглядит как сильноокрашенные темные области ядра. Эухроматин — малоконденсированный, деспирализованный. Поэтому при электронной микроскопии выявляется в виде светлых участков ядра. С этих участков хроматина происходит считывание информации и образование РНК. В клетках с интенсивным синтезом белка эухроматина больше.

Половой хроматин (тельца Барра) — небольшое хроматиновое тельце (d = 0,5 мкм), определяющееся в 70 % интерфазных ядер соматических клеток особей женского пола. Образуется в результате стойкой спирализации и инактивации одной из двух Х-хромосом. Исследование полового хроматина имеет диагностическое значение.

Ядрышко — округлая масса внутри ядра; содержит ДНК, рРНК и субъединицы хромосом. Оно не имеет мембраны. Ядрышки обнаруживаются только в интерфазных ядрах. На период деления клетки они временно исчезают, т. к. хромосомные петли, их образующие, упаковываются в хромосомы, ядрышки могут быть разных размеров и крупнее в тех клетках, где синтезируется много белков. В ядрышках определяется три региона: фибриллярный, гранулярный и слабоокрашенный. Фибриллярный — место активного синтеза рРНК. Гранулярный регион — это место объединения рРНК и рибосомальных белков, т. е. гранулы нуклеопротеидов. Слабоокрашенный регион содержит нетранскрибируемую (неактивную) ДНК.

Ядрышки образуются специальными частями некоторых хромосом, которые имеют гены рРНК. Эти участки хромосомы называются ядрышковым организатором, общая и главная функция ядрышек — образование субъединиц рибосомы.

Основными функциями ядра являются:

1. Хранение генетической информации в виде нуклеотидной последовательности молекул ДНК.

2. Реализация наследственной информации путем регуляции синтеза белков. За счет этого поддерживается структурная упорядоченность клеток, регулируется их метаболизм, функции, а также процессы деления.

3. Передача наследственной информации последующим поколениям в результате репликации ДНК, образование хромосом и их деление.

4. Важнейшими молекулярно-генетическими процессами, протекающими в ядре являются: репликация ДНК, транскрипция всех видов РНК, процессинг, образование рибосом.

Строение и классификация хромосом

Хромосомы (хромо + сома — тело) образуются из хроматина в начале митоза. В процессе деления клетки они претерпевают ряд структурных изменений. Основной составляющей хромосомы является молекула ДНК, она обнаруживается в ядре в виде ДНК-протеинового комплекса.

Размеры хромосом варьируют от вида к виду. Хромосомы (в метафазе митоза) обычно имеют длину от 0,1 до 33 мкм и толщину от 0,2 до 22 мкм. Хромосомы различных пар одной и той же клетки различаются по размеру. Длина хромосом зависит от количества ДНК и белков, степени скручивания хроматина.

Формы хромосом определяются по относительному положению центромеры (первичной перетяжки).

Существует специфичность набора хромосом для каждого вида. Растения и животные имеют постоянное число хромосом в каждой соматической клетке (для человека — 46). Гаметы содержат обычно только один набор хромосом. Гаплоидное число (n) для человека — 23. Число хромосом используется для идентификации вида. Хромосомы разных видов имеют свои уникальные наборы генов, определяющих развитие индивидуумов только своего вида. Хромосомный комплекс вида со всеми его особенностями: числом хромосом, их формой, наличием деталей строения отдельных хромосом — называется кариотипом.

Все хромосомы во время метафазы состоят из двух дочерних хроматид (образованных хроматином). Каждая хроматида — это связанная с гистонами единичная двунитевая суперспирализованная ДНК. Две дочерние молекулы ДНК, которые находятся в двух хроматидах, удерживаются вместе в области центромеры — первичной перетяжки — наименее спирализованной части хромосомы. На ней расположены специальные белки, образующие кинетохоры (от греч. kinesis — движение, phoros — несущий), к которым для деления генетического материала прикрепляются нити веретена. Место расположения первичной перетяжки у каждой пары хромосом индивидуально и постоянно, что обуславливает форму хромосом. Центромеры делят хромосомы на два плеча. Концы плеч хромосом получили название теломеров. Они содержат тысячи повторяющихся последовательностей нуклеотидов (ТТАГГГ). Это генетически неактивные специализированные участки, которые препятствуют соединению хромосом между собой или с их фрагментами. Теломеры обеспечивают индивидуальность хромосом.

Некоторые хромосомы имеют вторичные перетяжки, часто отделяющие участки хромосом, называемые спутниками хромосом. Эти участки хромосом содержат гены рРНК. В плечах метафазных хромосом видны окрашенные участки — хромомеры (гетерохроматин, эухроматин).

На основании расположения центромеры можно классифицировать следующие 4 формы хромосом:

1. Метацентрическая. Хромосома имеет Х-образную форму, при которой центромера находится в середине так, что плечи равны по длине.

2. Субметацентрическая. Хромосома имеет форму «Х» с центромерой, удаленной от средней точки так, что плечи являются неравными по длине.

3. Акроцентрическая. Центромеры расположены очень близко к одному из концов хромосомы. Маленькие плечи часто имеют спутника.

4. Телоцентрическая. Центромера расположена на конце хромосомы.

Кариотип человека имеет все разновидности форм хромосом.

Петельная организация. Хроматин каждой метафазной хромосомы имеет несколько уровней петельной организации и упаковки. Благодаря этому 3-сантиметровая молекула ДНК укладывается в 10-микрометровую хромосому.

Гомологичные хромосомы — пары хромосом, идентичные по величине, форме, структуре и генетическому составу. В локусах (определенных местах хромосомы) одинаковых гомологичных хромосом расположены аллельные (видоизменения одного и того же гена). Негомологичные хромосомы гаплоидного набора имеют разные форму, размеры и индивидуальный набор генов.