Занятие № 2
Тема: Ядро, ядерный аппарат,
Хромосомы. Митоз
Цель занятия:
Изучить строение ядра, ядерного аппарата и ознакомиться с основными процессами, происходящими в ядре (транскрипция, процессинг и сплайсинг
и -РНК)
Изучить основные этапы клеточного цикла (фазы клеточного цикла, репликация ДНК, митоз, фазы митоза)
Ядро – важнейшая часть эукариотической клетки, содержащая ее генетический аппарат. В ядре содержатся молекулы ДНК, в структуре которых записаны все наследственные свойства организма.
Функции ядра:
- хранение генетической информации
- передача наследственной информации в ряду поколений посредством процесса репликации (удвоения) молекул ДНК
- синтез компонентов и сборка рибосом
- регуляция деятельности клетки посредством процесса транскрипции (считывание) - синтеза молекул РНК разного типа с последующим их транспортом в цитоплазму.
В ядре выделяют несколько компонентов: 1- ядерная оболочка, 2 – ядерный матрикс и кариоплазма, 3 – хроматин, 4 – ядрышко.
Ядерная оболочка, или кариолемма, состоит из двух мембран: наружной и внутренней, которые являются частью общей мембранной системы клетки. Между ними располагается перинуклеарное пространство шириной в 15-40 нм. Наружная мембрана связана с системой мембран эндоплазматического ретикулума и на ее поверхности могут располагаться рибосомы. Внутренняя мембрана гладкая и содержит большое количество интегральных белков, которые связаны с системой внутриядерных фибрилл, образующих т.н. «ядерную пластинку». Она состоит из ламинов – разновидности промежуточных цитоскелетных филаментов. Ядерная пластинка играет очень важную роль в структурно-функциональной организации ядра. Она поддерживает форму ядра, связана с формированием пор в ядерной оболочке, участвует в упаковке хроматина.
Структура ядра эукариотической клетки: А – схема ядра; Б – схема порового комплекса; В – фото ядерных фибрилл (ламелл); Г – электронное фото ядерной поры:
1 – ядерная оболочка; 2 – гетерохроматин; 3 – эухроматин; 4, 5 – ядрышко и его компоненты: фибриллярный (4) и гранулярный (5); 6 – цистерны шероховатого эндоплазматического ретикулума; 7 – ядерная пора; 8 – белки порового комплекса; 9 – наружное кольцо поровых белков; 10 – внутреннее кольцо; 11 – центральная глобула; 12, 13 – наружная (12) и внутренняя (13) ядерные мембраны; 14 – перинуклеарное (межмембранное) пространство; 15 – цитоплазма клетки
Ядерный матрикс и кариоплазма – это жидкий компонент ядра, в котором «упакованы» хроматин и ядрышко. В его составе обнаружены растворенные в кариоплазме комплексы РНК с белками; ферменты; ионы; вода; ядерные белки. Таким образом, ядерный матрикс - своеобразный «скелет» ядра, поддерживающий его форму и создающий структурную основу для протекающих в нем биохимических процессов.
Хроматин (от греч. chroma – цвет, окраска) - комплекс интерфазных хромосом, представленных молекулами ДНК с белками. Это основная функциональная часть ядра, где происходит считывание генетической информации с молекул ДНК на молекулы РНК (транскрипция). Хроматин в ядре присутствует в двух морфологических и функциональных формах – эухроматин и гетерохроматин.
Эухроматин – это декондерсированные, деспирализованные участки хромосом, которые в данный момент находятся в активном состоянии и с которых происходит считывание и синтез РНК.
Чем больше фракция эухроматина – тем более активные процессы идут в ядре. Эта часть хроматина не окрашивается и не видна в световой микроскоп.
Гетерохроматин – это конденсированные, спирализованные участки хромосом, которые неактивны и транскрипция не происходит.
В световом и электронном микроскопе эти участки хроматина выглядят как уплотненные фрагменты, рассеянные по всему ядру. Гетерохроматин может переходить в эухроматин, что связано с функциональной активностью ядра. Однако не весь гетерохроматин может переходить в стадию эухроматина, поэтому его разделяют на две фракции: факультативный гетерохроматин – он может деконденсироваться и переходить в активное состояние и конститутивный (постоянный) гетерохроматин – который в любой ситуации не может деконденсироваться и перейти в эухроматин. Доля конститутивного хроматина может быть неодинаковой у разных объектов. Так у млекопитающих на него приходится 10-15% всего генома, а у некоторых амфибий - даже до 60% Основу хроматина составляют молекулы ДНК в комплексе со специальными ядерными белками.
Микрофотографии В–лимфоцитов и их ядер в разные периоды дифференцировки
а – не активированный лимфоцит, b – начало дифференцировки (бластотрансформации), с – лимфобласт.
Обратить внимание на изменение соотношения гетеро- и эухроматина в процессе дифференцировки клеток.
Поровые комплексы на ядерной мембране ооцита тритона.
Скан.Эл микр. Напыление металлом в вакууме.
Видны: наружное кольцо из 8 белковых глобул, центральная глобула
Вид на поверхность ядра изнутри. Видны розетки поровых комплексов
И фрагменты ядерной пластинки (ламины), имеющей вид сеточки.
Скан.эл.микр. Напыление в вакууме.
Вся оболочка ядра пронизана большим количеством пор (в среднем от 2-х до 4-х тясяч на ядро). Их количество может меняться в зависимости от активности ядра в данный момент жизни клетки и от типа клетки.
Ядерная пора – это двусторонний транспортный коридор, связывающий ядро с цитоплазмой.
Ядерные поры. Обозначения: стрелки – поровый комплекс, N – нуклеоплазма, C –цитоплазма, СH – хроматин, NE – ядерная пора,
белые стрелки – ядерная пластинка (ламина)
Прохождение через ядерные поры частиц коллоидного золота.
Видно, что они сосредоточены в районе поровых комплексов.
Ядрышко – участок ядра, где происходит синтез р-РНК и формирование субъединиц рибосом. Участок хромосомы (ген), в котором закодирована структура р-РНК, называется ядрышковым организатором. Размеры и количество ядрышек в ядре клеток колеблется в зависимости от типа клеток и активности ядра. В ядрышке выделяют два компонента: фибриллярный и гранулярный
Фибриллярный компонент - это наиболее активная часть ядрышка, где происходит первичная транскрипция рибосомальных генов и синтез предшественника р-РНК в виде тонких фибрилл диаметром 5-8 нм.
В гранулярном компоненте происходит упаковка этих фибрилл в гранулы. Здесь происходит созревание р-РНК и сборка частиц рибосом.
Фотография ядрышка эукариотической клетки
Справа ядрышко при большем увеличении:
Толстая стрелка – гранулярный (плотный)компонент ядрышка
Тонкие стрелки – фибриллярный(светлый) компонент ядрышка
Последние данные показывают, что кроме синтеза рРНК, ядрышко участвует во многих других аспектах экспрессии генов. В ядрышках обнаруживаются РНК, входящие в SRP-частицы, участвующие в синтезе белков в эндоплазматическом ретикулуме. С ядрышком оказалась ассоциирована РНК теломеразы - (обратная транскриптаза).
Схема процесса синтеза компонентов и сборки рибосом на ядрышке
1 – ядро, 2 – зона ядрышка, 3 – мембрана клетки, 4 – синтез рибосомальных РНК, 5 – комплекс рРНК, 6 – большая субъединица рибосомы, 7 – малая субъединица рибосомы, 8 =- белки рибосом, 9 – сборка рибосом в цитоплазме при рансляции, 10 – трансляция, пунктир – поступление в ядро из цитоплазмы компонентов рибосом.
Морфологические типы ядрышек в клетках. Темные участки – гранулярный компонент, светлые - фибриллярный