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, Mm 2100,
Н2а – умеренно богатый лизином гистон, Mm 14500,
Н2б – умеренно богатый лизином гистон, Mm 13700,
Н3 – богатый аргинином гистон, Mm 15300,
Н4 – богатый аргинином гистон, Mm 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 Н2а, Н2б, 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.