2.2.5. Включения.
Включения - это компоненты цитоплазмы, не имеющие постоянной структуры и обнаруживающиеся в клетке в определенные периоды жизненного цикла. Различают следующие включения:
1.Трофические включения - это депонированные питательные вещества - гликоген и жир.
2.Пигментные включения - это химически неоднородная группа веществ. К ним относится гемоглобин эритроцитов, меланин меланоцитов (пигментные клетки), липофусцин нервных, печеночных клеток. Гемоглобин обеспечивает транспорт газов, меланин выполняет защитную функцию (цвет кожи, сетчатка глаз, волосы), липофусцин - пигмент старения, образуется в стареющих клетках.
3.Секреторные включения - биологически активные вещества, включения ферментов, слизистые включения бокаловидных клеток желудка. Эти включения имеют вид мембранных пузырьков.
4.Экскреторные включения - вещества, надлежащие выведению из клетки, так как являются конечными продуктами обмена; по структуре похожи на секреторные включения.
5.Специальные включения - фагоцитированные частицы (фагосомы), поступающие в клетку путем эндоцитоза (см.: Транспорт веществ).
Глава 3. Клеточное ядро или ядерный аппарат
Ядерный аппарат является третьим универсальным компонентом клетки. У прокариотических организмов он представлен нуклеоидом (лат. nucleus- ядро и греч. idos- подобие) - кольцевой молекулой ДНК, в комп- лексе с небольшим количеством белков. Нуклеоид прикреплен к впячиванию участка плазмалеммы - мезосоме и не ограничен от гиалоплазмы. Таким образом, ядерный аппарат прокариот включает только генетический материал. Ядерный аппарат эукариотических клеток называется ядром, нуклеусом или карионом (от греч. karion - ядро). Впервые ядро было описано английским ботаником Р. Броуном (1831) в растительных клетках и немецким цитологом Т. Шванном (1838) - в животных (рис.151).
Рис.151. Трехмерная модель ядра клетки млекопитающих: ЯШ- ядрышко, ПФ-пе -рихроматиновые фибриллы, ИГ- грану-
лы интерхроматина (Из: Фаллер, Шилдс, 2004)
Количество ядер, величина и форма зависят от вида клетки и ее функционального состояния. Чаще всего встречаются одноядерные клетки, но бывают двуядерные (инфузория) и многоядерные клетки (гепатоциты, симпласт поперечнополосатой мышечной ткани). Форма ядра определяется формой клетки: ядро бывает уплощенным в плоских клетках, округлым в кубических, эллипсоидным в призматических. Встречаются сегменти - рованные, палочковидные, лопастные ядра (рис.152). Локализованы ядра либо в центре клетки, либо в периферической части. Размеры зависят от активности клеток: чем функционально активнее клетка, тем крупнее ядро. Кроме того, размеры ядра зависят также от величины клетки; при увеличении объема цитоплазмы растет и объем ядра. Соотношение объемов ядра и цитоплазмы называется ядерно-цитоплазматическим соотношением (Vя/Vц). и равно 1. Предполагают, что изменение этого соотношения является одним из факторов клеточного деления.
Рис.152. Форма ядер: 1-круглая; 2 – ветвистая, 3 - палочковидная,4 – лопастная, 5 – овальная,6 – чётко- видная, 7 – подковообразная
Ядро является обязательным компонентом активно функционирующей клетки. Лишь постклеточные структуры, ошибочно называемые клетками, ядра не имеют. К ним относятся эритроциты, роговые чешуйки эпителия кожи, тромбоциты, ядра которых теряются в ходе специфической дифференциации. Постклеточные структуры выпол - няют определенное время одну или несколько функций, затем гибнут. Остальные характерные для клетки функции и процессы у них отсутствуют.
В эукариотической клетке ядро состоит из 4 компонентов: генетического аппарата - хроматина, поверхностного аппарата ядра – кариотеки, ядерного сока - кариоплазмы и ядрышка (рис.153).
Рис.153. Структура ядра: ЭХ-эухроматин, ГХ- гетерохроматин, ПХ- перихроматин, ЯШ- яд -рышко, ЯМ- ядерная оболочка (Из: Фаллер, Шилдс, 2004)
Почти вся ДНК клетки расположена в ядре, которое является также главным местом ее репликации и экспрессии. Экспрессия ДНК начина - ется с транскрипции ДНК, в результате которой почти вся РНК клетки синтезируются в ядре. Синтез рибосомной РНК происходит в ядрышках, а матричных и транспортных РНК - в эухроматине. Репликация ДНК происходит также в ядре (рис.153).
Нуклеотиды, необходимые для репликации и транскрипции в ядре поступают из цитоплазмы. После окончания синтеза пре-РНК происходит процесс их созревания. Затем, мРНК и тРНК транспортируются в цитоплазму для участия в трансляции мРНК - биосинтезе белков, который проходит в цитоплазме. Следовательно, белки не синтезируются в ядре, и поэтому все ядерные белки транспортируются из цитоплазмы. Это, например, гистоновые и негистоновые белки, связанные в хроматине с ДНК, полимеразы, гормональные рецепторы, факторы транскрипции и рибосомные белки. Рибосомные белки соединяются с рРНК, образуя рибосомные субчастицы.
Одной из важных функций ядра является биосинтез кофермента НАД+. Он образуется и никотинамидмононуклеотида (НАМ), который син- тезируется в цитоплазме, затем транспортируется в ядрышко и после превращения в динуклеотид НАД+ возвращается в цитоплазму.
Рис.154. Схема взаимодействия ядра и цитоплазмы (Из: Интернет-ресур-
сы – Ядро. Структура и функции)
3.1. Структурная организация хроматина
Генетический аппарат эукариот представлен хроматином – комплексом молекул ДНК с белками гистонов. Гистоны были исследованы в 1890-х годах немецким исследователем А. Косселем. Генетический материал выполняет функции хранения, воспроизведения и первые этапы реализации наследственной информации. Наследственная информация хранится в виде последовательностей нуклеотидов отдельных участков молекул ДНК, которые называются генами. В них содержится генетическая информация о структуре- всех молекул РНК и белков. В этом смысле ядерный аппарат является информационным центром клетки, который осуществляет и регулирует практически все биохимические процессы.
Состояние хроматина изменяется в течение клеточного цикла. В интерфазе он распределен равномерно по всему объему ядра и не выявляется обычными микроскопическими методами. В фазе деления ядра хроматин образует компактные структуры – хромосомы, видимые в обычный световой микроскоп. Термин “хромосомы“ также употребляют в более широком смысле, для обозначения генетического материала вообще. В этом смысле хроматин называют интерфазной хромосомой , а в фазе деления ядра –метафазной хромосомой . В составе хроматина около 2\3составляют белки, 1\3 -ДНК , 10% -РНК
В химическом отношении хромосомы представляют собой нуклеопротеиновый комплекс, в котором хранится, передается потомству и реализуется наследственная информация.
В состав комплекса входят: молекула ДНК (40%), белки (60%), незначительное количество РНК (10% от количества ДНК). Белки делятся на две группы: гистоны (до 80%) и не гистоновые белки. Гистоны (основные белки) выполняют две функции: регуляторную (препятствуют считыванию информации с молекулы ДНК) и структурную (обеспечивают пространственную организацию ДНК в хромосомах). Число видов не гистоновых (кислых) белков превышает 100. Это ферменты синтеза и процессинга РНК, репликации и репарации ДНК и др. Кроме того, они так же выполняют регуляторную функцию. РНК хромосом составляют продукты транскрипции, еще не покинувшее место синтеза. Помимо выше перечисленного в состав хромосом входят липиды, углеводы, ионы металлов в незначительном количестве.
Регуляторная роль компонентов хромосом заключается в «разрешении» или «запрещении» считывания информации с молекулы ДНК. Поэтому, хромосомы могут находиться в двух функциональных состояниях:
1 - генетически активном (деспирализованном) с осуществлением процессов репликации и транскрипции;
2 - генетически неактивном (спирализованном), осуществляющим перенос информации из родительских клеток в дочерние в процессе митоза.
В настоящее время известны два типа хромосом:
1) хромосомы прокариот в нуклеоиде и в клеточных органеллах у эукариот (митохондрии и хлоропласты), которые могут быть двуспиральной молекулой ДНК, кольцевой и сверхспирализованной формы.
2) хромосомы ядер эукариот, имеющие разную форму в митозе и интерфазе.
В процессе клеточного цикла хроматин претерпевает несколько уровней спирализации (компактизации): нуклеосомная нить, хрома- тиновая фибрилла, хромомеры, хромонемы, хроматиды.
Проблема компактизации молекулы ДНК является одной из главных в изучении строения митотических метафазных хромосом. В ядрах клетки человека содержится 46 хромосом, суммарная длина ДНК в них составляет почти 2 метра. Этот генетически материал должен быть размещен в ядре, диаметр которого всего 5-10 микрон, то есть в миллион раз меньше. Поэтому молекула ДНК в ядре должна представлять весьма компактную структуру.
Рис.155. Уровни компактизации молекулы ДНК в процессе клеточного цикл (Из:
Клаг, 2009)
Самая маленькая хромосома человека - 22я, составляет около 1,4см в длину и содержит 4,6 ∙ 107 пар оснований. Чтобы разместить такую молекулу ДНК на метафазной пластинке в процессе митоза, уменьшить риск спутывания или разрыва ДНК, необходимо упаковать ее в более короткие пучки – хромосомы. К концу профазы митоза 22я хромосома укорачивается до 2 мкм, то есть в 7000 раз.
Для достижения такого уровня компактизации и одновременно сохранения эффективности основных генетических процессов, требующих локальной распаковки, структура метафазной хромосомы должна пройти несколько уровней компактизации, что является основой складчато-пет - левой модели структуры хромосомы (рис.155). Ведущая роль в этих процессах принадлежит ядерным белкам: гистоновым и не гистоновым, причем последние взаимодействуют со строго определенными последовате- льностями ДНК.