Глава 6 Ядро. Морфология хромосом. Кариотип человека
6.1. Строение и функции ядра
Ядро – информационный и регуляторный центр еукариотической клетки, поскольку именно с ним связано хранение и передача наследственной информации, все процессы синтеза белков, в том числе и ферментов. В свою очередь именно белки играют основную роль в регуляции биохимических, физиологических и морфологических процессов в клетки.
Большинство эукариотических клеток имеют одно ядро, но встречаются двухъядерные (инфузории) и многоядерные (мышечные волокна, гепатоциты, млечные сосуды растений). Некоторые высокоспециализированные клетки в зрелом состояние не имеют ядра; таковы, например эритроциты млекопитающих, ситовидные трубки растений.
Форма и размеры ядра очень изменчивы и зависят от формы и величины клетки, выполняемой ее функции. Размеры ядра от 1 мкм (у простейших) до 1 мм (у некоторых рыб и тепловодных). Форма ядра обычно округлая или эллипсовидная. В клетках с высокой функциональной активностью форма ядер сложная. В результате этого увеличивается соотношение объема ядра к объему цитоплазмы (ядерно-цитоплазматическое соотношение), от которого зависит интенсивность биохимических процессов в клетке, ее рост, деление.
По химическому составу ядро отличается от остальных компонентов клетки высоким содержанием ДНК и РНК. В ядре сосредоточено 99% ДНК клетки в виде комплекса с белками дезоксирибонуклеопротеидов (ДНП).
Ядерно - цитоплазматическое взаимодействие
Процессы взаимодействия ядра и цитоплазмы обеспечивают морфофункциональное единство клетки. Из цитоплазмы в ядро поступают вещества (обычно белковой природы), которые регулируют активность генов. В ядре также находятся нуклеотиды, АТФ; ферменты, необходимые для репликации ДНК, синтеза РНК, а также белки, входящие в состав хроматина, ядрышек и других структур ядра. Из ядра в цитоплазму выходят продукты генной активности: и-РНК, т-РНК, субъединицы рыбосом (р-РНК в комплексе с белками) которые обеспечивают синтез белков в цитоплазме – структурных белков, белков-ферментов.
Таким образом, ядро управляет всеми белковыми синтезами и через них функциональными и морфологическими процессами в клетке, а в цитоплазме − регулирует (по принципу обратной связи) активность генетического аппарата ядра и снабжает его материально и энергией.
Выделяют два состояния ядра: интерфазное и делящегося. В интерфазном ядре происходит реализация генетической информации, а в период деления ядра – ее передача.
Структура интерфазного ядра
В интерфазном ядре различают: ядерную оболоночку, кариоплазму (ядерный матрикс), хроматин и ядрышко (одно или несколько) (рис. 6.1.).
Ядерная оболочка образована двумя мембранами (наружной и внутренней), между которыми находится перинуклеарное пространство шириной от 20 до 60 нм.
Наружная мембрана в некоторых местах переходит в каналы эндоплазматической сети, на ней располагаются рибосомы. Изнутри ядерная оболочка подстелается белковой сеткой – ядерной ламиной. До ламины теломерными участками присоединяются хромосомы (нити хроматина).
Ядерная оболочка пронизана множеством пор, диаметром около 90 нм, через которые происходит обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Основная функция ядерной оболочки: регуляция потоков веществ между ядром и цитоплазмой. Через поры из ядра выходят разные виды РНК, субъединицы рибосом, а внутрь ядра поступают необходимые белки, нуклеотиды, ионы, вода.
Кариоплазма (ядерный сок) – внутреннее содержимое ядра, в котором располагаются хроматин и одно или несколько ядрышек. В состав хроматина входит вода, минеральные соли, белки-ферменты, нуклеотиды, РНК, ионы. В кариоплазме имеются белковые фибриллы толщиной 2-3 нм, выполняющие роль внутреннего скелета ядра и соединяющие ядрышка, нити хроматина, ядерные поры. Кариоплазма осуществляет взаимосвязь всех структур ядра и обменные процессы с цитоплазмой клетки. Генетический материал в интерфазном ядре находится в виде хроматина.
Хроматин – комплекс ядерной ДНК с белками (дезоксирибонуклеопротеин – ДНП). В интерфазном ядре хромосомы деконденсированы (деспирализованы) и не выделяются по отдельности, а воспринимаются все вмести в виде глыбок, гранул, нитчатых структур, которые получили название хроматина. Существование хромосом в неделящихся клетках в форме хроматина обеспечивает возможность удвоения ДНК и реализации заключенной в ней генетической информации. Различные участки молекул ДНК в составе хроматина обладают разной степенью спирализации, а поэтому различаются степенью окраски и характером генной активности. После фиксации и специфической окраски в кариоплазме становятся видимыми два типа хроматина: хорошо окрашенный гетерохроматин и светлый эухроматин.
Гетерохроматин – это сильно конденсированные (уплотненные), а поэтому функционально неактивные участки хромосом. До 90% хроматина находится именно в такой форме. На электронно-микроскопических фотографиях гетерохроматин выглядит как сильно окрашенные темные участки ядра, расположеные в основном вблизи внутренней ядерной мембраны и вокруг ядрышка.
Эухроматин – слабо конденсированные (деспирализованные) функционально активные участки хромосом, расположеные между глыбами гетерохроматина. Под электронным микроскоп он выявляется в виде светлых участков ядра. На эухроматиновых участках считывается информация и образуется РНК. В клетках с интенсивным синтезом белка эухроматина больше.
Считается, что гетерохроматин неактивен в связи с высокой конденсацией, а эухроматин – активен. С другой стороны, только незначительная часть генов эухроматина активна, т.е. нахождение участков хромосом в состоянии эухроматина является недостаточным условием для экспрессии генов.
Различают конститутивный (структурный) и факультативный гетерохроматин.
Конститутивный – гетерохроматин содержится в обеих гомологичных хромосомах и локализуется в околоцентромерных и теломерных участках хромосом, а также определенных, постоянно конденсованных, участках некоторых хромосом. Полагают, что его роль заключается в прикреплении хроматина к ядерной оболочке, взаимном узнавании гомологичных хромосом в мейозе, разделении соседних структурных генов, участии в процессах регуляции их активности.
Факультативный гетерохроматин присутствует только в одной из гомологичных хромосом. Примером хроматина такого типа может быть половой хроматин, который в норме выявляется в клетках гомогаметного пола.
Половой хроматин – сильно спирализованная генетически инактивованная Х-хромосома, которая при специфическом окрашивании выявляется в интерфазных ядрах в виде темного тельца (тельца Бара). Количество телец полового хроматина в ядре на единицу меньше чем число Х-хромосом, т.е. равно nx-1(рис 6.2.).
Рис. 6.2. Половой
хроматин (тельца Барра):
а-при кариотипе ХХ, ХХУ; б-при кариотипе ХУ, ХО; в-при кариотипе ХХХ
Рис.6.3. Барабанные палочки в сегментоядерных лейкоцитах при кариотипе ХХ
Определение Х-полового хроматина используют для выявления нарушений кариотипа по числу Х-хромосом.
Химическую основу хроматина составляет двуспиральная ДНК (около 40%) и беки-гистоны (40%). Известно 5 типов гистонов, связанных с ДНК: Н1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4. Благодаря основным радикалам гистоны взаимодействуют с ДНК, а благодаря гидрофобным радикалам они взаимодействуют между собой. Эти взаимодействия приводят к образованию нуклеосом.
Нуклеосома – нуклеопротеиновая структура, состоящая из гистонового октамера (глобула), обвитого участком ДНК длиной 140-160 пар нуклеотидов (рис. 6.4.).
Рис. 6.4. Нуклеосомы
Гистоновый октамер состоит из 8 молекул (по 2 молекулы гистонов Н2А, Н2В, Н3, Н4). Соседние нуклеосомы соединяются друг с другом короткими отрезками ДНК длиной 60 нуклеотидных пар.
Молекула ДНК принимает участие в образование большого количества нуклеосом. В результате образуется хроматиновое волокно в виде «бусинок на нитке», при этом происходит укорочение ДНК примерно в 7 раз (рис 6.5.).
Рис. 6.5. Уровни организации хроматина эукариот.
Нуклеосомный уровень организации хроматина свойствен как для эухроматина, так и для гетерохроматина. Но в тех локусах хроматина, на которых в данное время функционируют ферментные комплексы (репликации, транскрипции, репарации) ДНК, освобождается от взаимодействия с гистонами. В этих случаях нуклеосомная организация временно исчезает с тем, чтобы в последующим снова восстановится.
В отличие от этого, в гетерохроматине до нуклеосомного уровня добавляются последующие уровни компактизации хроматина.
Второй уровень – образование глобул за счет сближения нуклеусом, что обеспечивается гистоном Н1.
Третий уровень – образование петельных доменов (хромомер) за счет укладки хроматиновых фибрилл в петли.
Четвертый уровень – хромонемный. Образуется за счет сближения в линейном порядке хромомерных петель с образованием хромонемной нити.
Таким образом, хромосомы образуются из хроматина интерфазного ядра в процессе спирализации и конденсации дезоксирибонуклеопротеинов.