Эукариошки

Термин ядро был применен Браунов в 1833 году. Под ним понимали любые шаровидные структуры в клетках растений. На сегодня мы четко можем сформулировать особенности ядерного аппарата эукариотических клеток:

1) Ядро эвкариот отделено от гиалоплазмы специальной структурой, которая называется поверхностный аппарат ядра.

2) Количество ДНК в ядрах эукариот в тысячи раз больше, чем в составе нуклеоидов прокариотических клеток.

ДНК эукариот представляет собой сложный нуклеопротеидный комплекс, образующий специальную структуру с названием хроматин, из которого состоят хромосомы.

4) В состав ядер эукариот входит несколько физически не связанных хромосом, каждая из которых содержит одну линейную молекулу ДНК.

5) Каждая хромосомная ДНК представляет собой полирепликонную структуру, т.е. содержит множество автономно реплицирующихся участков.

6) Синтез и образование транскриптов эукариотических клеток сопровождается процессами вторичной их перестройки, включающей в себя как фрагментацию (процессинг), так и сращивание отдельных фрагментов (сплайсинг).

7) Процессы синтеза ДНК и РНК разобщены от процессов синтеза белка.

Структуры ядерного аппарата:

1) Поверхностный аппарат ядра. Выполняет наисложнейшую барьерно-рецепторную, транспортную и каркасную функции.

2) Хроматин – главный компонент ядра, в котором заложена генетическая информация.

3) Ядрышко – это хромосомный участок, место синтеза рибосомальных генов и образования субчастиц рибосом.

4) Ядерный белковый матрикс – это не хроматиновый остов, который обеспечивает не только пространственное расположение хромосом в ядре, но и участвует в реализации из активности.

5) Кариоплазма (ядреный сок) – это жидкая фаза клеточного ядра, в которой протекают процессы, связанные с ядреным метаболизмом и внутриядерным транспортом РНК и белков

Хроматин

Хроматин. Термин предложен Флемингом в 1880 году. По биохимическим характеристикам хроматин имеет кислые свойства, которые связаны с тем, что в состав хроматина входит ДНК в комплексе с белками. Белки подразделяются на два типа: гистоны; негистоновые белки.

В среднем в хроматине около 40% приходится на ДНК, около 60% на белки. Гистоны от этих 60% составляют практически 80%, а 20% - негистоновые.

Кроме того, в состав хроматиновой фракции входят мембранные компоненты – углеводы, липиды, гликопротеины, РНК. Хроматин может находиться в двух альтернативных состояниях: в деконденсированном, соответствующим интерфазе и конденсированным, т.е. максимально уплотненным во время митоза. Хроматин интерфазных ядер представляет собой рыхлую деконденсированную структуру, которая имеет разную степень этой разрыхленности. Когда хромосома или ее участок полностью деконденсирован, такие зоны называют диффунзным хроматином. Он характерен для интенсивно делящихся и мало специализированных клеток.

При неполном разрыхлении хромосом в составе интерфазного ядра видны участки конденсированного хроматина. Это высокоспециализированные клетки или клетки, заканчивающие свой жизненный цикл, где хроматин выглядит массивным темным периферическим слоем, имеет крупные блоки хромоценты. Чем более диффузен хроматин, тем выше в нем идут синтетические процессы и наоборот.

Максимально конденсированный хроматин наблюдается во время митотического деления клетки, когда он обнаруживается в виде хромосом. В это время хромосомы не несут никаких синтетических нагрузок и такой конденсированный хроматин выполняет функцию перераспределения генетического материала.

Исходя из этих наблюдений, принято считать, что хроматин ядра находится в двух структурно-функциональных состояниях: в рабочем, под которым понимают полную или частичную деконденсацию хроматина, когда происходят процессы транскрипции и редупликации. Или в нерабочем – в состоянии метаболического покоя при максимальной конденсации, когда хроматин перераспределяется между клетками.

В 1930 году Гейцем было замечено, что при метаболизме клетки не все участки конденсированного хроматина переходят в рыхлую зону. И было замечено, что в состоянии метаболической активности не все участки диффузные. Недиффузные участки получили название гетерохроматин, а остальная масса хроматина стала называться эухроматином.

По этим представления гетерохроматин – компактные участки хромосом, которые в профазе появляются раньше других частей хромосом, а в телофазе – не деконденсируются. Они переходят в интерфазное ядро в виде хромоцентров, сгустков хроматина. Такой гетерохроматин принято называть конститутивным или постоянным.

Конститутивный гетерохроматин практически никогда не меняет своего конденсированного состояния и формирует центромерные и кольцевые участки хромосом. Кроме того, он находится в виде вставочного или интеркалярного гетерохроматина.

Участки конститутивного гетерохроматина обладают целым рядом особенностей:

1) Генетически конститутивный гетерохроматин не активен, т.е., он не транскрибируется.

2) Реплицируется он позже всего остального хроматина.

3)В его состав входит особая саттелитная ДНК, которая обогащена высоко повторяющимися последовательностями нуклеотидов.

Гетерохроматин необходим клетке для:

1) Поддерживает общую структуру ядра;

2) Участвует в прикреплении хромосом к ядерной оболочке;

3) Играет роль разделителя между генами;

4) Является местом узнавания гомологичных хромосом при мейозе.

Вся остальная масса хроматина может менять степень своей компактизации или упаковки и в зависимости от функциональной активности соответствует эухроматину или факультативному гетерохроматину.

Примером гетерохроматина является Х-хромосома в организме человека. В клетках мужской особи есть Х-хромосома. Она находится в деконденсированном состоянии. Значит, активна, транскрибируется и морфологически ее найти сложно, потому что она в рыхлом состоянии.

В клетках женского организма одна находится в активном диффузном состоянии, а вторая – в неактивном. Она временно гетерохроматизирована и может существовать у женщин в течение всей жизни. Но, попадая в виде гамет в клетки мужского организма, она активируется, деконденсируется и начинает выполнять свои функции. В дифференцированных клетках всего лишь около 10% генов находится в активном состоянии, а остальные находятся в стоянии факультативного гетерохроматина.

Представление о том, что митотические хромосомы после деления клеток превращаются в хроматин интерфазного ядра и, что самое главное, не теряют своей целостности, не распадаются на фрагменты, а сохраняют свою физическую индивидуальность, переходя лишь в разрыхленное диффузное состояние, было высказано еще ученым Говери в 1887 году.

Эти представления позднее оформились в теорию непрерывности хромосом:

Хромосомы, вошедшие в состав дочернего ядра в телофазе сохраняются в нем, хотя и в очень измененном виде, в качестве индивидуальных структур и появляются снова в виде хромосом в следующей профазе.

Первые исследование о порядке расположения хромосом внутри ядра принадлежат ученому Раблю. В 1885 году, изучая профазные ядра растений, предположил, что внутри ядра хромосомы повторяют свою анафазную ориентацию, т.е. их центромерные участки располагаются на одном полюсе клетки ядра, а теломерные обращены к другому. При этом каждое плечо хромосомы занимает определенную зону, объем которой никогда не заходит в объем соседних хромосом.

Каждая из хромосом образует спиральную структуру, в которой находится 5 – 7 витков, которая в нескольких местах взаимодействует с ядерной оболочкой. Эти места, которые фиксируют хромосому, являются участками конститутивного хроматина.

В состав ДНК эукариот входит две фракции, которые восстанавливаются (процесс – ренатурация) Восстановление исходной двуспиральной структуры молекул ДНК за счет воссоединения ее комплементарных цепей.

Выделяют фракцию с высокой скоростью и с медленной. При этом в составе фракции, ренатурирующей с высокой скоростью, выделяют: 1) фракцию с высоко повторяющимися последовательностями, где сходные участки ДНК повторяются до 10⁶ раз. Это фракции сателлитной ДНК.

Вторая фракция с умеренно повторяющейся последовательностью, которая повторяется в геноме от 100 до 1000 раз. Сателлитная ДНК не участвует в синтезе основных типов РНК, не связана с процессом синтеза белка. Полагают, что Сателлитная ДНК несет информацию, которая играет структурную роль в сохранении и функционировании хромосом.

Например, центромерная ДНК человека состоит из мономеров, в которые входят по 170 нуклеотидных пар. Мономеры в свою очередь образуют еще более крупные последовательности и такие последовательности повторяются 1000 раз. С этой специфической центромерной ДНК взаимодействуют особые белки, участвующие в образовании кинетохора – обязательной структуры хромосом, обеспечивающей их связь с микротрубочками веретена деления и определяющей расхождения хромосом в анафазе.

Во фракцию умеренно повторяющихся последовательностей входят гены рибосомных ДНК, которые повторяются у разных видов от 100 до 1000 раз. Сюда же входят участки для синтеза транспортных РНК, структурные гены, ответственные за синтез определенных белков, в частности белков-гистонов. Такие последовательности повторяются до 400 раз. Количество ДНК значительно колеблется в таксонах органической природы.

Среды высших растений количество ДНК может отличаться в сотни раз у разных видов. У некоторых амфибий в ядрах ДНК больше, чем в ядрах человека в 10 раз.

Различие в количестве ДНК у разных таксонов связаны с неодинаковой долей тех или иных фракций ДНК в ядре. У амфибий на долю повторяющихся последовательностей приходится 80% всей ДНК, у растений до 70%, а у рыб до 60%. Истинное же богатство генетической информации отражает фракция уникальных последовательностей. В среднем, на интерфазное ядро млекопитающих приходится около 2м ДНК. Поэтому огромная линейная молекулы ДНК укладывается в 10мкм клетки определенным сложным образом и ведущую роль в этой укладке молекулы в организации ее расположение компактизации и функциональной активности принадлежит ядерным белкам. Ведущую роль среди ядерных белков играю белки-гистоны.