Тема 4. Ядро клетки. Деление клетки

ДНК

В ядре любой диплоидной  по ДНК соматической клетки человека присутствует

46 молекул ДНК.

Хромо- сомы

а) Каждая из молекул ДНК связана с определёнными белками, образуя дезоксинуклеопротеидный тяж – хромосому.

б) Таким образом, хромосом в ядре диплоидной клетки человека – тоже 46.

Наборы ДНК и хромосом

Наборы хромосом (и содержащихся в них молекул ДНК) во всех диплоидных клетках организма

одни и те же.

Опреде- ление

а) В неделящейся или только готовящейся к делению клетке хромосомы морфологически неразличимы, т.к. находятся большей своей частью (или целиком) в деконденсированном состоянии.

б) Такие хромосомы называются интерфазными.

Сохранение основных свойств

а) Тем не менее, и в этом состоянии они сохраняют

структурную и функциональную индивидуальность, а также определённую упорядоченность расположения в ядре.

б) Так, каждая хромосома крепится к внутренней ядерной мембране обоими своими концами и рядом промежуточных участков. Причём,

места крепления для каждой хромосомы - видимо, свои.

Визуали- зация

а) В процессе деления клетки (митоза или мейоза) хромосомы резко конденсируются, в результате чего значительно

укорачиваются и утолщаются.

б) После этого они становятся видимыми даже на светооптическом уровне.

Различие формы

При конденсации разные хромосомы приобретают разную форму и по этому признаку могут быть идентифицированы.

Опреде- ление

а) Морфологию хромосом, как правило, описывают по их состоянию на стадии метафазы или анафазы митоза.

б) Соответственно, хромосомы на этих стадиях называются метафазными и анафазными.

Гомология хромосом

а) Изучение этих хромосом, в частности, показывает, что

хромосомы попарно гомологичны друг другу,

а состав одной (23-й) пары хромосом зависит от пола человека.

б) Очевидно, это относится и к интерфазным хромосомам.

Подробней структуру хромосом мы рассмотрим позже.

4.1.1.2. Характеристика хромосомной ДНК

I. Строение

Двойная спираль

Любая из молекул хромосомной (ядерной) ДНК – очень протяжённая линейная структура, состоящая из двух полинуклеотидных цепей, которые

являются взаимно комплементарными и закручены в двойную спираль.

Компле- ментар- ность

а) Комплементарность означает, что

против аденилового нуклеотида одной цепи всегда стоит тимидиловый нуклеотид другой цепи,

а против гуанилового нуклеотида всегда стоит цитидиловый.

б) В этих пaрах (А-Т и Г-Ц) нуклеотиды как бы дополняют друг друга по своей пространственной конфигурации, что обеспечивает максимально плотную упаковку цепей в двойной спирали.

Длина

а) Молекулы хромосомных ДНК существенно различаются

по количеству в них нуклеотидных пар (н.п.) и, соответственно, по своей длине.

б) Поэтому различаются по длине и хромосомы – как интерфазные, так и метафазные.

в) Средняя же длина одной молекулы ДНК человека –

4 см (120.000.000 н.п).

г) Следовательно, общая протяжённость всех 46 молекул ДНК, находящихся в хромосомах одной клетки, – примерно 185 см.

Объясне- ние высокой длины ДНК

Такая огромная (для молекулярного уровня) длина обусловлена тем, что совокупность внутриядерных молекул ДНК (а значит, и ядро каждой клетки) содержит информацию обо всём организме человека, а именно о

развитии, структуре и функционировании

всех его систем и органов.

II. Информационная функция ядерной ДНК

Информа- ция в ДНК

Конкретно, в наборе молекул ядерной ДНК каждой клетки содержится следующая информация:

о первичной структуре (последовательности аминокислот) всех белков организма (исключение – некоторые белки митохондрий, кодируемые митохондриальной ДНК; п. 3.3.2.2),

о первичной структуре (последовательности нуклеотидов) примерно 60 видов транспортных РНК (тРНК) и 4 видов рибосомных РНК (рРНК),

а также, видимо, о программе использования данной информации в разных клетках в разные моменты онтогенеза.

Этапы передачи инфор- мации

Передача информации о структуре белка включает 3 этапа:

транскрипцию ДНК – образование на участке ДНК как на матрице матричной РНК (мРНК), а точнее, её предшественника (пре-мРНК);

созревание мРНК (процессинг) и перемещение её в цитоплазму.

трансляцию мРНК (п. 3.3.1.3.) – синтез на рибосомах (в цитоплазме) полипептидной цепи (т.е. последовательности аминокислот) в соответствии с последовательностью нуклеотидных триплетов (кодонов) в мРНК.

Строение РНК

Напомним: РНК любого вида (мРНК, рРНК, тРНК) представляет собой одиночную цепь, состояшую из рибонуклеотидов – адениловых, уридиловых, гуаниловых и цитидиловых.

III. Обнаружение ДНК в ядрах клеток

1. а) Обнаружить ДНК в клеточных ядрах можно с помощью метода Фёльгена (п. 1.1.4). –

б) При этой окраске

ДНК окрашивается в вишнёвый цвет, а прочие вещества и структуры - в зелёный.

2. а) На снимке мы видим, что, действительно, в ядрах (1) клеток содержится ДНК.

б) Исключения составляют ядрышки (2):

в них содержание ДНК низкое, отчего они, как и цитоплазма (3), имеют на препарате зелёный цвет.

1. Препарат - дезоксирибо- нуклеиновая кислота (ДНК) в ядре клетки. Окраска по методу Фёльгена.

Полный размер

4.1.1.3. Функции ядра и внутриядерные процессы

Из вышесказанного ясно, что ядро соматической клетки должно выполнять 2 ключевые функции:

обеспечивать использование информации ДНК в самой клетке – в том объёме, в каком это необходимо данной клетке при данных условиях,

и сохранять наследственный материал для его продолжительного функционирования и для передачи дочерним клеткам (образующимся при делении исходной).

I. Использование информации ДНК

Основные процессы

В рамках реализации данной функции в ядрах происходят указанные ранее процессы:

1. транскрипция определённых участков ДНК (синтез пре-мРНК),

2. созревание (процессинг) мРНК,

3. синтез и созревание тРНК и рРНК.

Суть процес- синга

а) Пре-мРНК обычно содержат

не только кодирующие последовательности нуклеотидов – экзоны, но и некодирующие – интроны (чередующиеся с экзонами).

б) Поэтому одно из событий созревания пре-мРНК – это т.н. сплайсинг:

вырезание интронов и сшивание экзонов в единую цепь мРНК.

в) Затем к концам этой цепи присоединяются дополнительные последовательности, которые необходимы

для связывания с рибосомами и для защиты мРНК от преждевременного разрушения экзонуклеазами.

Другие процессы в ядре

(той же направ- ленности)

К прочтению информации ДНК имеют отношение также следующие внутриядерные процессы:

4. формирование субъединиц рибосом (из рРНК и поступающих из цитоплазмы рибосомных белков) и

5. разнообразные регуляторные процессы (в том числе модификация ДНК и хромосомных белков), изменяющие активность разных участков ДНК.

II. Сохранение и воспроизведение наследственного материала

Эту функцию ядра также обеспечивает целая серия процессов.

1. Репарация ДНК

а) Репарация ДНК – это обнаружение и исправление возникающих повреждений структуры ДНК.

б) Репарация совершается практически постоянно, но её эффективность

меньше 100% и к тому же у взрослых людей постепенно снижается – примерно на 1% за год.

2. Реплика- ция ДНК

а) Репликация (удвоение) ДНК происходит перед любым делением клетки (кроме второго деления мейоза).

б) В продуктах репликации – дочерних молекулах ДНК

одна из цепей оказывается старой, а вторая – новой (синтезированной на первой по принципу комплементарности).

Это означает, что репликация является

  полуконсервативным процессом.

3. Конден- сация хромосом

Конденсация хромосом

осуществляется уже в ходе деления клетки, в его начальной фазе, и облегчает последующее расхождение хромосом к полюсам делящейся клетки.

III. Уничтожение ядром своего наследственного материала

а) И ещё очень важный процесс может быть инициирован в ядре:

разрушение ДНК внутриядерными эндонуклеазами.

б) Это имеет место в ходе апоптоза – клеточного “самоубийства”, которое запускается

или тогда, когда в ДНК клетки накапливается слишком много неустранимых повреждений,

или по команде специальных химических сигналов, улавливаемых рецепторами плазмолеммы.

в) Более подробно апоптоз рассматривается в конце этой темы

IV. Особенности процессов в ядрах созревающих половых клеток

В ядрах созревающих половых клеток тоже могут происходить все перечисленные процессы – но с рядом особенностей.

1-2. Репарация и апоптоз

а) В указанных клетках значительно ужесточаются (по сравнению с соматическими клетками) требования к качеству наследственного материала, передаваемого потомству.

б) Поэтому, как считают, резко повышаются

интенсивность репарационных процессов и вероятность апоптоза.

3. Конден- сация хромосом

а) При созревании сперматозоидов происходит гораздо более значительное уплотнение хромосом, чем при делениях клеток.

б) Такая сверхконденсация хромосом достигается

  путём смены хромосомных белков.

4-5. Конъюга- ция и кросс- синговер

а) Кроме того, добавляются новые процессы – конъюгация и кроссинговер.

б) Они совершаются в ходе особого деления – мейоза – и заключаются в том, что гомологичные хромосомы

вначале прилегают друг к другу (это обозначается термином “конъюгация”),

а затем обмениваются некоторыми своими участками (кроссинговер).

в) Данный обмен повышает разнообразие генетического материала в половых клетках.

Таким образом, процессы, происходящие в клеточных ядрах, очень разнообразны и исключительно важны.

4.1.1.4. Выявление транскрипции в клеточных ядрах

Все вышеназванные процессы могут быть выявлены с помощью специальных методик. Продемонстрируем это на примере транскрипции ДНК, т.е. матричного синтеза РНК.

I. Принцип метода

Мечение уридином

а) Экспериментальным животным in vivo вводят в кровь раствор радиоактивного уридина.

б) Данное соединение в клетках превращается в Н³–УТФ (уридинтрифосфат) - один из четырёх нуклеотидов, используемых при синтезе РНК.

в) Поэтому вскоре после введения метки она оказывается в составе новосинтезированных цепей РНК.

Замечание. - При синтезе ДНК вместо уридилового нуклеотида используется тимидиловый; так что Н³–УТФ включается только в РНК.

Последу- ющие проце- дуры

а) Через определённое время животных забивают и готовят срезы изучаемых тканей.

б) Срезы покрывают фотоэмульсией. В местах нахождения радиоактивного соединения

происходит разложение фотоэмульсии и образуются гранулы серебра.

  Т.е. последние являются маркёрами радиоактивной метки.

в) Затем срез (после промывки и закрепления) красят как обычный гистологический препарат.

II. Препарат

2. Препарат - включение Н³–уридина в РНК. Окраска гематоксилин-эозином.

1. а) На представленном снимке мы видим, что меченое вещество (2) сосредоточено, главным образом, в ядрах (1) клеток.

б) Это и отражает тот факт, что

в ядрах происходит синтез всех видов РНК - мРНК, тРНК и рРНК.

Полный размер

2. Наличие метки в других частях препарата объясняется, например, тем, что

какая-то часть меченого вещества (Н³–уридина) не успела включиться в состав РНК,

а какая-то часть новообразованной РНК, наоборот, уже успела выйти из ядра в цитоплазму.

4.1.1.5. Структурные компоненты интерфазного ядра

3. Препарат - структура клеточного ядра. Клетки печени. Окраска гематоксилин-эозином.

Теперь обратимся к строению интерфазного ядра.

а) Будем использовать обычный препарат печени.

б) В печёночных клетках хорошо видны округлые ядра (1), окрашенные гематоксилином в фиолетовый цвет.

в) В ядрах же выявляется ряд структур.

Полный размер

1. Хроматин

а) В соответствии с вышеизложенным,

главный компонент ядра - это хромосомы, но в интерфазе при световой микроскопии различить их по отдельности невозможно.

б) Поэтому используется термин "хроматин": им обозначают

совокупность всех интерфазных хромосом ядра.

Морфологически хроматин проявляется в виде тёмных глыбок (3).

в) Однако в этих глыбках – не весь хроматин:

часть хроматина, соответствующая деконденсированным хромосомам (и деконденсированным участкам хромосом), остаётся на световом уровне неразличимой.

2-3. Прочие различи- мые элементы

Кроме глыбок хроматина, в ядре можно видеть

  округлые ядрышки (4) и ядерную оболочку (кариоплазму) (2)

4-5. Матрикс

а) Хроматин и ядрышки находятся во внешне бесструктурной среде – ядерном матриксе.

б) Оказалось, что в последнем имеются

своеобразный белковый каркас – кариоскелет,

и жидкая часть (раствор сложного состава) – ядерный   сок, или кариоплазма.

в) Иногда под термином “кариоплазма” понимают весь ядерный матрикс.

Теперь рассмотрим перечисленные компоненты ядра более подробно.

4.1.2. Хроматин (хромосомы)

Хроматин занимает основную часть объёма ядра.

4.1.2.1. Типы хроматина

I. Эу- и гетерохроматин

Электронная микрофотография - ядро плазматической клетки.

1. Электронный уровень

На электронных микрофотографиях  обнаруживается, что хроматин подразделяется на два типа:

эухроматин (2) – светлые (электронопрозрачные) области

Полный размер

и гетерохроматин (1) – тёмные (электроноплотные) глыбки, которые расположены преимущественно на периферии ядра, прилегая к ядерной оболочке (3).

2. Природа эу- и гетеро- хроматина

а) Из предыдущего изложения ясно, что

эухроматин – это те участки хромосом или целые хромосомы, которые находятся в деконденсированном (диффузном) состоянии,

а гетерохроматин – это, напротив, конденсированные (и потому электроноплотные) фрагменты хромосом или целые хромосомы.

б) В связи с этим,

эухроматин ещё называют диффузным хроматином, а гетерохроматин – конденсированным хроматином.

3. Световой уровень

а) При световой микроскопии эухроматин, как уже отмечалось, в ядре не выявляется.

б) Те же глыбки, которые обычно обозначаются как “глыбки хроматина”, представляют собой на самом деле

лишь гетерохроматин.

4. Актив- ность эу- и гетеро- хроматина

а) В конденсированных участках хромосом ДНК недоступна для разнообразных внутриядерных ферментов – в том числе для ферментного комплекса, осуществляющего транскрипцию ДНК.

б) В связи с этим,

гетерохроматин функционально неактивен,

а эухроматин, наоборот, активно участвует в транскрипции ДНК (синтезе пре-мРНК и других РНК).

II. Виды гетерохроматина

Опреде- ления

а) При изменении функционального состояния клетки или в процессе её дифференцировки возможен переход части гетерохроматина в эухроматин и обратно.

б) В связи с этим, гетерохроматин подразделяется на два вида:

факультативный гетерохроматин – способный превращаться в эухроматин,

и конститутивный гетерохроматин – никогда и ни в одной клетке к подобному превращению не способный.

Природа конститу- тивного гетеро- хроматина

а) Вторая фракция гетерохроматина - это, видимо, те области хромосом, в которых ДНК

не содержит генов, а выполняет лишь структурную функцию.

б)Данные области расположены, в основном, вблизи центромерных участков хромосом.

III. Состояние хроматина в разных клетках

а) Из предыдущего следует: чем больше в ядре доля гетерохроматина,

тем ниже функциональная активность ядра, т.е. тем меньше скорость синтеза РНК.

б) Для иллюстрации этого положения рассмотрим два снимка.

Электронные микрофотографии - I - ядро нервной клетки,  II - ядро малого лимфоцита.

1. Сверху – ядро нервной клетки (I). Здесь гетерохроматина очень мало - следовательно, ядро и клетка в целом функционально очень активны.

2. Внизу – лимфоцит (II). а) В его ядре преобладает гетерохроматин. б) Это вполне коррелирует с очень малым объёмом цитоплазмы, которая к тому же бедна органеллами.

в) Данная клетка циркулирует в крови, и процессы синтеза РНК и белков идут в ней с небольшой скоростью.

Полный размер

IV. Половой хроматин (тельце Барра)

Одним из компонентов гетерохроматина может быть т.н. половой хроматин (тельце Барра), встречающийся только у женщин.

Половые хромосомы у мужчин

а) У мужчин в наборе хромосом каждой клетки содержится, как известно, по одной Х- и Y-половой хромосоме.

б) Обе они находятся в деконденсированном состоянии, т.е. входят во фракцию эухроматина.

Половые хромосомы у женщин

а) У женщин в клетках содержатся по две Х-хромосомы.

б) А. Одна из них деконденсирована.

Б. Вторая же Х-хромосома всегда находится в конденсированном состоянии, образуя в ядре

компактное тельце - половой хроматин (тельце Барра).

4. Препарат - половой хроматин в лейкоцитах (мазок крови женщины). Окраска азур 2-эозином.

Обнаруже- ние полового хроматина в мазке крови

а) Для обнаружения полового хроматина обычно исследуют мазок крови.

б) В нейтрофильных лейкоцитах женщин половой хроматин выявляется 

Полный размер

в виде барабанной палочки (2), находящейся в одном из сегментов ядра (1).

в) По этому признаку в судебной медицине отличают кровь женщин от крови мужчин.

Другой способ

Другой часто используемый в тех же целях объект –

эпителиальные клетки слизистой оболочки полости рта.

4.1.2.2. Химические компоненты хроматина. Белки хромосом

I. Общая характеристика

Перечень компо- нентов

Как уже отмечалось, каждая из 46 хромосом представляет собой дезоксирибонуклеопротеин (ДНП), т.е. комплекс

очень длинной молекулы ДНК (или двух таких молекул – после репликации ДНК) с определёнными белками, а также с небольшим количеством РНК.

РНК хромосом

а) Что касается РНК, то это

либо незавершённые продукты транскрипции, либо молекулы, выполняющие регуляторные, структурные или иные функции.

б) В последнее время особенно подчёркивается регуляторное влияние (на активность генов) т.н. малых молекул РНК.

Белки

Содержание же белков в хромосомах (и в хроматине в целом) намного выше содержания не только РНК, но и ДНК:

по сравнению с последним (содержанием ДНК) оно обычно в 1,3–1,7 раза больше (по массе).

Охарактеризуем хромосомные белки подробней. По своим физико-химическим свойствам они делятся на основные и кислые.

II. Основные (в физико-химическом смысле) белки хромосом

Виды гистонов

а) Основные белки представлены гистонами пяти видов:

  Н1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4.

б) Всего на них приходится 60-80% массы всех хромосомных белков.

Особен- ности состава

Гистоны обогащены

аминокислотами с положительно заряженными радикалами (аргинин, лизин) и

аминокислотами с гидрофобными радикалами (валин и т.п.).

Свойства

При этом

благодаря радикалам аргинина и лизина гистоны взаимодействуют с ДНК (где каждый нуклеотид содержит отрицательно заряженную фосфатную группу),

а благодаря гидрофобным радикалам – друг с другом.

Функция

а) Указанные взаимодействия приводят к образованию

первого (нуклеосомного) и второго (нуклеомерного) уровней укладки ДНК в хромосоме (о чём будет сказано ниже).

б) Таким образом, гистоны выполняют важную структурообразующую функцию.

III. Кислые белки хромосом

Кислые белки чрезвычайно разнообразны: имеется, по крайней мере,

  несколько сотен их различных представителей.

Структур- ные белки

По всей видимости, некоторые кислые белки тоже играют структурную роль, участвуя в образовании

высших (наднуклеомерных) уровней укладки хромосом.

Ферменты

а) Другую группу составляют многочисленные ферменты, обеспечивающие процессы

репликации, модификации, репарации, транскрипции и даже разрушения ДНК.

б) Это не означает, что все работающие на ДНК ферменты постоянно связаны с ней: какие-то ферменты могут находиться в кариоплазме.

Регуля- торные белки

а) Наконец, самой разнообразной по составу, видимо, является группа регуляторных белков.

б) Эти белки контролируют

активность вышеуказанных ферментов,

а также доступность тех или иных участков ДНК для этих ферментов.

4.1.2.3. Деконденсированные интерфазные хромосомы (эухроматин): нуклеосомный уровень организации

Как уже было сказано, благодаря гистонам хромосомы имеют нуклеосомную организацию.

I. Нуклеосома

Электронная микрофотография и схема - нуклеосомы.

а) Основа нуклеосомы –

глобула (1) из 8 белковых молекул (октамер),

содержащая по 2 молекулы гистонов четырёх видов (Н2А, Н2В, Н3 и Н4).

б) Вокруг одной такой глобулы

молекула ДНК делает примерно 2 оборота,

что и образует в итоге нуклеосому.

Полный размер

в) В участках между глобулами с ДНК связано ещё

по 1 молекуле гистона (Н1).

г) С учётом этих соединительных (линкерных) отделов, период нуклеосомной организации составляет примерно

200 нуклеотидных пар ДНК.

II. Хромосома в целом

Кол-во нуклеосом

Молекула ДНК участвует в образовании очень большого числа нуклеосом (в среднем, 600.000).

ДНК - цепь "бусин"

В результате, на данном уровне организации

каждая хромосома представляет собой длинную нить "бусинок"-нуклеосом толщиной 10 нм,

а деконденсированный хроматин имеет мелкогранулярную структуру (2).

Влияние нуклеосом на доступ- ность ДНК

а) Нуклеосомная организация не препятствует действию на ДНК внутриядерных ферментов.

б) Хотя не исключено, что в момент прохождения ферментного комплекса по какому-либо участку ДНК последний

на короткое время освобождается от связи с гистоновыми октамерами.

Но затем эта связь быстро восстанавливается.

Новообра- зуемые цепи ДНК

Новообразуемые участки строящейся цепи ДНК (при репликации ДНК) тоже

почти сразу приобретают нуклеосомную структуру.

Итоги

а) Таким образом, нуклеосомный уровень укладки присущ хромосомам

практически постоянно.

б) Заметим также: по сравнению с молекулой ДНК, нуклеосомная нить оказывается

в 6,2 раза короче –

благодаря закручиванию ДНК вокруг каждого октамера.

4.1.2.4. Конденсированные интерфазные хромосомы (гетерохроматин): нуклеомерная и хромомерная организация

а) Те интерфазные хромосомы или их части, которые образуют гетерохроматин, тоже имеют нуклеосомную организацию.

б) Однако здесь добавляются и следующие уровни укладки хромосомы.

I. Второй уровень: нуклеомерный

Роль гистона Н1

Данный уровень образуется (при определённых условиях) в результате взаимодействия друг с другом

молекул гистона Н1, находящихся в составе нуклеосомной нити.

Названия структуры

При этом нуклеосомная нить конденсируется в более плотную структуру толщиной около 30 нм:

нуклеомерную нить, или хроматиновую фибриллу.

Описание структуры

а) Полагают, что нуклеомерная нить представляет собой суперспираль, причём такую, в которой вновь (как в нуклеосомной цепи) чередуются

глобулярные и линкерные участки.

б) Иначе говоря,

это цепочка “супербус” (нуклеомеров), где в одной “супербусине” – 5-8 нуклеосом.

Блокиро- вание активности генов

а) Однако в этой цепочке

ДНК уже недоступна для ферментных комплексов (в т.ч. того, который осуществляет транскрипцию).

б) Поэтому данный уровень организации отсутствует у эухроматина.

Сокраще- ние длины хромосомы

Там же, где нуклеомерная структура имеется, длина хромосомы (или её отдела, если конденсируется только он)

уменьшается ещё примерно в 6-7 раз.

II. Третий уровень: хромомерный

Факторы и принцип укладки

а) Дальнейшая компактизация хромосом происходит под влиянием уже не гистонов, а

определённых кислых белков.

б) И начинает использоваться другой принцип укладки:

образование петель, или складок.

Описание структуры

а) Так,

хроматиновая нить образует множество петель, а последние собираются в розетки.

б) Каждую розетку составляет несколько соседних петель, которые прикрепляются своими основаниями к общему белковому центру.

в) Подобные центры в большом количестве содержатся в ядерном матриксе.

Названия элементов структуры

Таким образом, на этом уровне организации хромосома представляет собой цепь, состоящую из

розеток, которые называются также петельными доменами и хромомерами.

Особен- ность гетеро- хроматина

В гетерохроматине розетки, видимо, расположены более-менее рыхло, т.е.

дальше компактизация хромосом не идёт.

4.1.2.5. Метафазные хромосомы: высшие степени конденсации

I. Третий уровень: хромонемный

Особен- ность метафаз- ных хромосом

При формировании метафазных хромосом третий уровень компактизации выглядит несколько иначе:

петли в розетках и сами розетки (хромомеры) тесно прилегают друг к другу.

Названия структуры

В таком состоянии хромомеры формируют нить толщиной 300 нм:

хромосомную фибриллу, или хромонему .

II. Четвёртый уровень: хроматидный

Вероятный способ организа- ции данного уровня

а) Хромонема спирализуется или тоже складывается в петли.

б) При этом петли, возможно,  образуют группы, которые

составляют сегмент хроматиды и связаны друг с другом короткими линкерными участками.

в) Это соответствует тому обстоятельству, что под действием повреждающих факторов хромосома может распадаться на сегменты.

Название структуры

Продукт данного (и последнего) этапа конденсации –

хроматида толщиной 700 нм, одна из двух “половинок” метафазной хромосомы.

Параметры хромосомы

а)Толщина всей хромосомы в состоянии максимальной компактизации – вдвое больше: 1400 нм

б) Зато длина хромосомы человека за счёт всех уровней укладки сокращается, в итоге, в 10.000 раз:

молекулы ДНК общей длиной 200 см укладываются в метафазных хромосомах общей длиной 200 мкм.

III. Резюме: уровни укладки метафазных хромосом

Вышеперечисленные уровни укладки метафазных хромосом суммированы в следующей таблице.

Уровень укладки

Пояснение

Толщина

Сокращение длины

I. Цепь нуклеосом

В каждой нуклеосоме молекула ДНК делает по 2 оборота вокруг  белкового октамера.

10 нм

В 6,2 раза

II. Нуклеомерная нить (хроматиновая фибрилла, или нить)

Это цепочка нуклеомеров, содержащих по 5-8 нуклеосом, закрученных в суперспираль.

30 нм

В 6-7 раз

(всего - примерно в 40 раз)

III. Хромонема (хромосомная фибрилла)

Хроматиновая нить образует петли, собирающиеся в розетки, плотно прилегающие друг к другу.

300 нм

Примерно в 250 раз

(всего - в 10000 раз)

IV. Хроматида

Хромонема складывается в петли протяжённостью в 1 сегмент хроматиды.

700 нм

Метафазная хромосома

Хромосома состоит из двух связанных друг с другом хроматид.

1400 нм

Результи- рующее сокращение длины - как в хроматидах.

4.1.2.6. Кариотип человека

I. Введение

Опреде- ление

а) Завершая конденсацию к началу метафазы митоза, хромосомы принимают определённую форму.

б) Соответственно, вводят понятие “кариотип” – это

совокупность числа, размеров и особенностей строения метафазных (или анафазных) хромосом.

Отличие анафазных хромосом от мета- фазных

а) Заметим: метафазные хромосомы состоят из двух хроматид, которые начали расходиться, но ещё связаны в центромерной области. Поэтому они

имеют, как правило, х-образную форму.

б) Анафазные же хромосомы – это уже разошедшиеся хроматиды и потому похожи на

прямые или изогнутые палочки.

Набор анафазных хромосом здорового человека

а) Для характеристики кариотипа используют наборы как метафазных, так и анафазных хромосом.

б) В частности, на приведённом рисунке изображены анафазные хромосомы человека.

II. Общая характеристика кариотипа

Набор анафазных хромосом здорового человека

а) На этом рисунке те же хромосомы человека представлены уже в сгруппированном виде.

б) Это значительно упрощает характеристику кариотипа.

Пары хромосом

а) Всего, как отмечалось в п. 4.1.1.1,III, в соматической клетке человека – 46 хромосом.

б) Они попарно гомологичны друг другу,  так что всего получается 23 пары.

Аутосомы и половые хромосомы

а) Хромосомы 22-х пар называются аутосомами, а одну пару образуют половые хромосомы (п. 4.1.2.1.IV):

две Х-хромосомы у женщин и по одной Х- и Y-хромосоме у мужчин.

б) При этом Y-хромосома почти вдвое короче Х-хромосомы.

Группы хромосом

Кроме того, все хромосомы по размеру и форме подразделяются на 7 групп.

III. Характеристика хромосом

Отделы хромосомы

а) Почти у каждой хромосомы обнаруживаются следующие части:

центромера (первичная перетяжка), плечи (части хромосомы по сторонам от центромеры), теломеры – конечные участки плеч.

б) В области центромеры находится

кинетохор – место прикрепления клеточного веретена.

Морфоло- гические типы хромосом

По положению центромеры хромосомы делят на 3 вида:

метацентрические – с равными плечами (пример – 1-е хромосомы),

субметацентрические – с плечами неодинаковой длины (пример – 7-е хромосомы),

акроцентрические – одно плечо практически отсутствует (пример – 21-е хромосомы).

Локализа- ция генов рРНК

а) У некоторых хромосом в одном из плеч имеется и вторичная перетяжка.

б) Это место расположения генов рибосомных РНК.

Набор анафазных хромосом человека с синдромом Дауна

а) При т.н. хромосомных болезнях кариотип отличается от нормального.

б) Например, при болезни Дауна в ядрах всех клеток присутствует дополнительная 21-я хромосома.

4.1.3. Прочие структуры ядра

4.1.3.1. Ядрышко

I. Введение

Общий вид

а) Ядрышко (или нуклеола) – самая плотная структура ядра.

б) Обычно оно имеет округлую форму.

в) Нередко в ядре содержится несколько ядрышек.

Компоненты ядрышка

При электронной микроскопии в области ядрышка выявляются 3 компонента:

возле ядрышка -

  связанные с ним участки хроматина (Сhr) - т.н. ядрышковые организаторы,

а в самом ядрышке -

фибриллярные компоненты (FC) и гранулярные структуры (G).

Рассмотрим их подробней.

Электронная микрофотография -  ядрышко.

II. Ядрышковые организаторы

Опреде- ление

Ядрышковые организаторы - это те участки хромосом, которые содержат

гены рибосомных РНК.

Гены рРНК

а) Напомним: всего имеется 4 вида рРНК (п. 3.3.1.1).

б) Гены трёх из них (28S, 18S и 5,8S) расположены рядом друг с другом, образуя кластер, транскрибируемый как единое целое.

в) Ген четвёртой, самой короткой, РНК (5S) располагается и транскрибируется отдельно.

Количе- ство и локализа- ция генов рРНК

а) Указанный кластер, а также ген 5S-рРНК,

во-первых, повторяются определённое число раз (образуя тандемы),

и, во-вторых, содержатся (в виде тандемов) сразу в пяти парах хромосом: 13, 14, 15, 21 и 22 - а именно в области вторичной перетяжки этих хромосом.

б) Таким образом, всего имеется 10 ядрышковых организаторов.

в) Вместе они содержат у человека,

по одним оценкам, около 200 копий каждого гена рРНК, а по другим – на порядок больше.

Количе- ство ядрышек

а) Количество ядрышек в ядре зависит от того, во сколько групп объединяются 10 ядрышковых организаторов – в одну, в две или больше.

б) Таким образом, ядрышко – это не самостоятельное образование, а производное определённых хромосом.

III. Фибриллярный и глобулярный компоненты

Фибрил- лярный компонент

а) На кластерах генов рРНК активно происходит синтез предшественника рРНК – единой пре-рРНК, включающей нуклеотидные последовательности трёх рРНК.

б) Цепи предшественника тут же (в ядрышке) подвергаются созреванию:

разрезаются на отдельные рРНК, которые ещё определённым образом модифицируются.

в) Одновременно образуется и созревает пре-5S-рРНК.

г) Эти полинуклеотидные цепи: пре-рРНК и зрелые рРНК - и составляют фибриллярный компонент ядрышек.

Глобу- лярный компонент

а) Тут же, в ядрышке, зрелые рРНК связываются с рибосомными белками, формируя субъединицы рибосом.

б) Последние представляют собой глобулярный компонент ядрышек.

в) Сформированные субъединицы выходят затем из ядра в цитоплазму.

IV. Выявление ядрышек при световой микроскопии

Окраска гем.-эоз.

В случае световой микроскопии ядрышки (4) обычно различимы даже при обычной окраске (гематоксилином и эозином).

5. Препарат - РНК в цитоплазме и ядрышках клеток (поджелудочная железа). Окраска по Браше (метиловым зелёным - пиронином).

Окраска по Браше

а) Можно использовать также гистохимическую реакцию на РНК (по Браше).

б) Как мы видели в предыдущей теме, из всех компонентов ядра заметную реакцию при данной методике дают только ядрышки (2):

они окрашиваются в малиновый цвет.

Полный размер

в) Очевидно, это связано с высоким содержанием в ядрышках рРНК и их предшественников.

г) Напомним: этот же препарат иллюстрирует и наличие РНК в цитоплазме (1) (в составе рибосом), о чём говорилось в теме 3.

4.1.3.2. Ядерная    оболочка

Ядерная оболочка имеет 2 особенности:

во-первых, она состоит из двух мембран, а во-вторых, содержит поры.

I. Мембраны ядерной оболочки

Электронные микрофотографии - ядерная оболочка. I. Обычный способ приготовления препарата. II. Метод замораживания и скалывания.

Общее описание

а) Различают

внешнюю (1) и внутреннюю (2) ядерные мембраны.

б) Они разделены перинуклеарным пространством (3).

в) Таким образом, ядерная оболочка – это полый двуслойный мешок.

Полный размер

Природа внешней мембраны

а) С внешней ядерной мембраной со стороны гиалоплазмы связаны рибосомы (5).

б) Т.е. эту мембрану можно рассматривать как

компонент гранулярной эндоплазматической сети (6).

Роль внутренней мембраны

а) А внутренняя ядерная мембрана связана с элементом ядерного матрикса – ядерной пластинкой (ламиной).

б) К последней же крепятся концы всех хромосом, причём, в строго определённых местах.

в) Таким образом, внутренняя мембрана выполняет опорную функцию.

II. Ядерные поры

Функция

Через поры в ядерной оболочке происходит интенсивный транспорт молекул и крупных частиц:

а) в ядро из цитоплазмы –

  нуклеотидов (предшественников ДНК и РНК), хромосомных и рибосомных белков, регуляторных факторов и т.д.;

б) из ядра в цитоплазму – многочисленных

мРНК, тРНК, рибосомных субъединиц и пр.

Коли- чество пор

а) Поэтому количество пор в ядерной оболочке тем больше, чем интенсивней идут в клетке синтетические процессы.

б) Обычно всего в оболочке ядра – 2000 – 4000 пор.

Отверстие поры

а) В области краёв поры (4) внутренняя и наружная мембраны сливаются, образуя округлое

отверстие диаметром 120 нм.

б) В отверстие встроен т.н. комплекс поры.

Комплекс поры

а) Комплекс поры включает:

тонкую диафрагму, закрывающую отверстие и пронизанную  цилиндрическими каналами диаметром 10 нм;

а также связанные с мембраной белковые гранулы.

б) Из этих гранул

одна расположена в центре комплекса, а 8 пар других – по периферии комплекса (с   обеих   сторон  от  диафрагмы).

в) Центральная гранула связана фибриллами с периферическими.

г) В итоге структура напоминает велосипедное колесо.

Переме- щение веществ через пору

а) Относительно небольшие молекулы диффундируют пассивно через гидрофильные каналы поры.

б) А более крупные молекулы и частицы переносятся путём активного транспорта с затратой энергии ГТФ. Причём, в этом участвуют

рецепторные белки, узнающие объект транспорта,

и специальные белки, обеспечивающие (неизвестным пока способом) перемещение транспортного комплекса через диафрагму поры.

в) По-видимому, центральная гранула – это и есть проходящий через пору транспортный комплекс.

Специаль- ный метод исследо- вания

а) Чтобы наблюдать внутреннюю поверхность ядерных мембран (II), используют особый способ приготовления препарата:

  замораживание и последующее скалывание,

   а затем - травление и напыление  образца. 

б) В итоге, ядерные поры проявляются как округлые углубления.

4.1.3.3. Ядерный матрикс (кариоскелет)

Компо- ненты

К кариоскелету относятся

ядерная пластинка (ламина) и внутриядерная фибриллярная сеть.

Ядерная ламина

а) Ядерная ламина образована многочисленными промежуточными филаментами.

б) Как уже было сказано, она

связана с внутренней поверхностью внутренней мембраны и служит местом крепления концов хромосом.

Фибрил- лярная сеть

Полагают, что внутриядерная фибриллярная сеть - тоже (как и ламина) своего рода каркас, который используется для фиксации

хромосом и разнообразных белковых комплексов с ферментативной или регуляторной функцией.