Обща характеристика на интерфазното ядро

Ядрото е най-важният компонент на клетката, който се намира в почти всички клетки на многоклетъчни организми. Повечето клетки имат едно ядро, но има двуядрени и многоядрени клетки (например набраздени мускулни влакна). Двойната и многоядрената се дължат на функционални характеристики или патологично състояние на клетките. Формата и размерът на ядрото са много променливи и зависят от вида на организма, вида, възрастта и функционалното състояние на клетката. Средно обемът на ядрото е приблизително 10% от общия обем на клетката. Най-често ядрото има кръгла или овална форма, с размери от 3 до 10 микрона в диаметър. Минималният размер на ядрото е 1 микрон (при някои протозои), максималният е 1 mm (яйцата на някои риби и земноводни). В някои случаи има зависимост на формата на ядрото от формата на клетката. Обикновено ядрото заема централно положение, но в диференцираните клетки може да бъде изместено към периферната част на клетката. Почти цялата ДНК на еукариотната клетка е концентрирана в ядрото.

Основните функции на ядрото са:

1) Съхранение и предаване на генетична информация;

2) Регулиране на протеиновия синтез, метаболизма и енергията в клетката.

По този начин ядрото е не само вместилище за генетичен материал, но и място, където този материал функционира и се възпроизвежда. Следователно, нарушаването на някоя от тези функции ще доведе до клетъчна смърт. Всичко това сочи водещата роля на ядрените структури в синтеза на нуклеинови киселини и протеини.

BLAKING

Ядро. Хроматин, хетерохроматин, еухроматин.

Ядрото (лат.nucleus) е един от структурните компоненти на еукариотната клетка, съдържащ генетична информация (молекули на ДНК), изпълняваща основните функции: съхранение, предаване и реализиране на наследствена информация с осигуряване на протеинов синтез. Ядрото се състои от хроматин, нуклеол, кариоплазма (или нуклеоплазма) и ядрена обвивка. В клетъчното ядро настъпва репликация (или редупликация) – удвояване на ДНК молекулите, както и транскрипция – синтез на молекули РНК върху молекула на ДНК. Синтезираните в ядрото РНК молекули се модифицират, след което влизат в цитоплазмата. Образуването на двете рибозомни субединици става в специални образувания на клетъчното ядро - нуклеоли. По този начин клетъчното ядро е не само хранилище на генетична информация, но и място, където този материал функционира и се възпроизвежда.

Ядрото на неделяща се интерфазна клетка обикновено е едно на клетка (въпреки че се срещат и многоядрени клетки). Ядрото се състои от хроматин, нуклеол, кариоплазма (нуклеоплазма) и ядрената обвивка, отделяща го от цитоплазмата (фиг. 17).

хроматин

При наблюдение на живи или фиксирани клетки вътре в ядрото се идентифицират зони с плътна материя, които се възприемат добре от различни багрила, особено основни. Поради тази способност да се оцветява добре, този компонент на ядрото се нарича "хроматин" (от гръцки chroma - цвят, боя). Хроматинът съдържа ДНК в комплекс с протеин. Хромозомите, които са ясно видими по време на митотично клетъчно делене, имат същите свойства. В неделящите се (интерфазни) клетки хроматинът, открит в светлинен микроскоп, може повече или по-малко равномерно да запълни обема на ядрото или да бъде разположен в отделни бучки.

Хроматинът на интерфазните ядра е хромозома, която обаче по това време губи своята компактна форма, разхлабва се, декондензира. Степента на такава декондензация на хромозомите може да бъде различна. Морфолозите наричат зоните на пълна декондензация на техните места еухроматин. При непълно разхлабване на хромозомите в интерфазното ядро се виждат области на кондензиран хроматин, понякога наричан хетерохроматин. Степента на декондензация на хромозомния материал - хроматин в интерфазата може да отразява функционалното натоварване на тази структура. Колкото по-"дифузен" хроматин е разпределен в интерфазното ядро (т.е. колкото повече еухроматин), толкова по-интензивни са синтетичните процеси в него.

Хроматинът е максимално кондензиран по време на митотично клетъчно делене, когато се намира под формата на плътни хромозоми. През този период хромозомите не изпълняват никакви синтетични функции, а предшествениците на ДНК и РНК не са включени в тях.

По този начин хромозомите на клетките могат да бъдат в две структурни и функционални състояния: в активно, работещо, частично или напълно декондензирано, когато с тяхното участие в интерфазното ядро протичат процесите на транскрипция и редупликация, и в неактивно състояние, в състояние на метаболитен покой с максималната им кондензация, когато изпълняват функцията да разпределят и пренасят генетичен материал към дъщерните клетки.

хроматин

Огромната дължина на еукариотните ДНК молекули предопредели появата на специални механизми за съхранение, репликация и внедряване на генетичен материал. Хроматин се нарича молекула от хромозомна ДНК в комбинация със специфични протеини, необходими за осъществяването на тези процеси. По-голямата част се състои от "протеини за съхранение", така наречените хистони. От тези протеини се изграждат нуклеозоми – структури, върху които са навити нишките от ДНК молекули. Нуклеозомите са подредени доста редовно, така че получената структура наподобява зърно. Нуклеозомата се състои от четири вида протеини: H2A, H2B, H3 и H4. Една нуклеозома съдържа по два протеина от всеки тип – общо осем протеина. Хистон H1, който е по-голям от другите хистони, се свързва с ДНК, където влиза в нуклеозомата. Нуклеозомата, заедно с H1, се нарича хромозома.

ДНК верига с нуклеозоми образува неправилна соленоидна структура с дебелина около 30 нанометра, т. нар. 30 nm фибрил. По-нататъшното опаковане на този фибрил може да има различна плътност. Ако хроматинът е плътно опакован, той се нарича кондензиран или хетерохроматин, то е ясно видимо под микроскоп. ДНК, открита в хетерохроматина, не се транскрибира, обикновено това състояние е характерно за незначителни или тихи области. В интерфазата хетерохроматинът обикновено се намира в периферията на ядрото (париетален хетерохроматин). Пълна кондензация на хромозомите настъпва преди клетъчното делене. Ако хроматинът е свободно опакован, той се нарича eu- или интерхроматин... Този тип хроматин е много по-малко плътен, когато се гледа под микроскоп и обикновено се характеризира с наличието на транскрипционна активност. Плътността на опаковане на хроматина до голяма степен се определя от хистоновите модификации - ацетилиране и фосфорилиране.

Смята се, че в ядрото съществуват така наречените функционални хроматинови домени (ДНК на един домен съдържа приблизително 30 хиляди базови двойки), тоест всяка хромозомна област има своя собствена „територия“. За съжаление, въпросът за пространственото разпределение на хроматина в ядрото все още не е достатъчно проучен. Известно е, че теломерни (крайни) и центромерни (отговорни за свързването на сестринските хроматиди при митоза) участъци от хромозоми са прикрепени към протеините на ядрената ламина.

2. Хроматин

Хроматинът представлява множество гранули, оцветени с основни багрила, от които се образуват хромозоми. Хромозомите се образуват от комплекс от нуклеопротеини, съдържащи нуклеинови киселини и протеини. Има два вида хроматин в ядрата на човешките клетки в интерфазата - диспергиран, слабо оцветен хроматин (еухроматин), образуван от дълги, тънки, преплетени влакна, метаболитно много активен и кондензиран хроматин (хетерохроматин), съответстващ на области на хромозомите, които не участват в контрола на метаболитната активност... Зрелите клетки (например кръвта) се характеризират с ядра, богати на плътен, кондензиран хроматин, разположени на бучки. В ядрата на соматичните клетки на жените той е представен от бучка хроматин, близо до мембраната на ядрото: това е женският полов хроматин (или малкото тяло на Бар), което е кондензирана Х хромозома. Мъжкият полов хроматин е представен в ядрата на мъжките соматични клетки чрез бучка, която свети при оцветяване с флуорохроми. Определянето на половия хроматин се използва например за определяне на пола на дете с помощта на клетки, получени от амниотичната течност на бременна жена.

Биохимичните изследвания в генетиката са важен начин за изучаване на нейните основни елементи - хромозоми и гени. В тази статия ще разгледаме какво представлява хроматинът, ще разберем неговата структура и функция в клетката.

Наследствеността е основното свойство на живата материя

Основните процеси, които характеризират организмите, живеещи на Земята, включват дишане, хранене, растеж, отделяне и размножаване. Последната функция е най-важната за опазването на живота на нашата планета. Как да не помним, че първата заповед, дадена от Бог на Адам и Ева, беше следната: „Плодете се и се размножавайте”. На клетъчно ниво генеративната функция се изпълнява от нуклеиновите киселини (съставното вещество на хромозомите). Тези структури ще бъдат разгледани от нас по-късно.

Нека добавим също, че запазването и предаването на наследствена информация на потомците се извършва по единен механизъм, който изобщо не зависи от нивото на организация на индивида, тоест за вируса, за бактериите и за хората , той е универсален.

Каква е същността на наследствеността

В тази работа ние изучаваме хроматин, чиято структура и функции пряко зависят от организацията на молекулите на нуклеиновите киселини. През 1869 г. швейцарският учен Мишер открива съединения, проявяващи свойствата на киселини в ядрата на клетките на имунната система, които той нарича първо нуклеин, а след това нуклеинови киселини. От гледна точка на химията това са високомолекулни съединения - полимери. Техните мономери са нуклеотиди със следната структура: пуринова или пиримидинова основа, пентоза и остатък.Учените са установили, че в клетките могат да присъстват два вида и РНК. Те влизат в комплекс с протеини и образуват веществото на хромозомите. Подобно на протеините, нуклеиновите киселини имат няколко нива на пространствена организация.

През 1953 г. структурата на ДНК е дешифрирана от нобеловите лауреати Уотсън и Крик. Това е молекула, състояща се от две вериги, свързани помежду си с водородни връзки, които възникват между азотните основи според принципа на комплементарността (противоположно на аденина е тиминовата база, противоположна на цитозин - гуанин). Хроматинът, чиято структура и функция изучаваме, съдържа молекули на дезоксирибонуклеинова и рибонуклеинова киселини с различни конфигурации. Ще се спрем на този въпрос по-подробно в раздела „Нива на организация на хроматина“.

Локализация на веществото на наследствеността в клетката

ДНК присъства в такива цитоструктури като ядрото, както и в органели, способни да се разделят - митохондрии и хлоропласти. Това се дължи на факта, че тези органели изпълняват най-важните функции в клетката: както и синтеза на глюкоза и образуването на кислород в растителните клетки. На синтетичния етап от жизнения цикъл родителските органели се удвояват. По този начин, в резултат на митоза (разделяне на соматичните клетки) или мейоза (образуване на яйца и сперма), дъщерните клетки получават необходимия арсенал от клетъчни структури, които осигуряват на клетките хранителни вещества и енергия.

Рибонуклеиновата киселина се състои от една верига и има по-ниско молекулно тегло от ДНК. Съдържа се както в ядрото, така и в хиалоплазмата, а също така е част от много клетъчни органели: рибозоми, митохондрии, ендоплазмен ретикулум, пластиди. Хроматинът в тези органели е свързан с хистонови протеини и е част от плазмиди - кръгови затворени ДНК молекули.

Хроматин и неговата структура

И така, установихме, че нуклеиновите киселини се съдържат в веществото на хромозомите - структурните единици на наследствеността. Техният хроматин под електронен микроскоп изглежда като гранули или нишковидни образувания. Той съдържа освен ДНК и РНК молекули, както и протеини, които проявяват основни свойства и се наричат хистони. Всички изброени по-горе са нуклеозоми. Те се намират в хромозомите на ядрото и се наричат фибрили (соленоидни нишки). Обобщавайки всичко по-горе, нека дефинираме какво е хроматин. Това е сложно съединение и специални протеини - хистони. Двуверижни ДНК молекули се навиват върху тях, като на намотки, за да образуват нуклеозоми.

Нива на организация на хроматина

Веществото на наследствеността има различна структура, която зависи от много фактори. Например през какъв етап от жизнения цикъл преминава клетката: периодът на делене (мейоза или мейоза), предсинтетичният или синтетичен период на интерфазата. От формата на соленоид или фибрил, като най-простата форма, настъпва по-нататъшно уплътняване на хроматина. Хетерохроматинът е по-плътно състояние; образува се в интронни области на хромозомата, където транскрипцията е невъзможна. По време на периода на покой на клетката - интерфаза, когато няма процес на делене - хетерохроматинът се намира в кариоплазмата на ядрото по периферията, близо до неговата мембрана. Уплътняването на ядреното съдържание се случва в постсинтетичния етап от жизнения цикъл на клетката, тоест непосредствено преди разделянето.

От какво зависи кондензацията на субстанцията на наследствеността?

Продължавайки да изучават въпроса "какво е хроматин", учените установиха, че неговото уплътняване зависи от хистоновите протеини, които заедно с ДНК и РНК молекулите са част от нуклеозомите. Те са съставени от четири вида протеини, наречени основни и линкерни протеини. По време на транскрипцията (четене на информация от гени, използващи РНК), наследственото вещество е слабо кондензирано и се нарича еухроматин.

Понастоящем характеристиките на разпределението на ДНК молекулите, свързани с хистонните протеини, продължават да се изследват. Например, учените са открили, че хроматинът на различни локуси на една и съща хромозома се различава по нивото на кондензация. Например, в местата на прикрепване към хромозомата на нишките на делителното вретено, наречени центромери, той е по-плътен, отколкото в теломерните области - терминални локуси.

Регулаторни гени и състав на хроматина

Концепцията за регулиране на генната активност, създадена от френските генетици Якоб и Монод, дава представа за съществуването на участъци от дезоксирибонуклеинова киселина, в които няма информация за структурите на протеините. Те изпълняват чисто бюрократично – управленски функции. Наричани регулаторни гени, тези части на хромозомите, като правило, са лишени от хистонови протеини в тяхната структура. Хроматин, чието определяне е извършено чрез секвениране, се нарича отворен.

В хода на по-нататъшни изследвания е установено, че в тези локуси са разположени нуклеотидни последователности, които предотвратяват прикрепването на протеинови частици към ДНК молекули. Такива места съдържат регулаторни гени: промотори, подобрители, активатори. Уплътняването на хроматина в тях е високо, а дължината на тези области е средно около 300 nm. Има дефиниция за отворен хроматин в изолирани ядра, в които се използва ензимът ДНКаза. Той много бързо разцепва хромозомни локуси без хистонови протеини. Хроматинът в тези области се нарича свръхчувствителен.

Ролята на субстанцията на наследствеността

Комплексите, включващи ДНК, РНК и протеин, наречени хроматин, участват в онтогенезата на клетките и променят състава си в зависимост от вида на тъканта, както и от етапа на развитие на организма като цяло. Например, в епителните клетки на кожата, гени като подобрител и промотор са блокирани от репресорни протеини, а същите регулаторни гени в секреторните клетки на чревния епител са активни и се намират в зоната на отворен хроматин. Генетични учени са открили, че ДНК, която не кодира протеини, представлява повече от 95% от целия човешки геном. Това означава, че има много повече контролни гени от тези, отговорни за синтеза на пептиди. Въвеждането на методи като ДНК чипове и секвениране направи възможно да се разбере какво е хроматин и в резултат да се извърши картографиране на човешкия геном.

Изследването на хроматина е много важно в клонове на науката като човешката генетика и медицинската генетика. Това се дължи на рязко повишеното ниво на поява на наследствени заболявания, както генетични, така и хромозомни. Ранното откриване на тези синдроми увеличава процента на положителна прогноза при тяхното лечение.

Кариоплазма

Кариоплазмата (ядрен сок, нуклеоплазма) е основната вътрешна среда на ядрото; тя заема цялото пространство между ядрото, хроматина, мембраните, всички видове включвания и други структури. Кариоплазмата под електронен микроскоп изглежда като хомогенна или финозърнеста маса с ниска електронна плътност. Съдържа рибозоми, микротела, глобулини и различни метаболитни продукти в суспендирано състояние.

Вискозитетът на ядрения сок е приблизително същият като вискозитета на основното вещество на цитоплазмата. Киселинността на ядрения сок, определена чрез микроинжектиране на индикатори в ядрото, се оказва малко по-висока от тази на цитоплазмата.

Освен това ядреният сок съдържа ензими, участващи в синтеза на нуклеинови киселини в ядрото и рибозомата. Ядреният сок не се оцветява с основни багрила, поради което се нарича ахроматиново вещество или кариолимфа, за разлика от областите, които могат да оцветят - хроматин.

хроматин

Основният компонент на ядрата - хроматин, е структура, която изпълнява генетичната функция на клетката; практически цялата генетична информация е вградена в ДНК на хроматина.

Еукариотните хромозоми изглеждат като рязко очертани структури само непосредствено преди и по време на митозата - процесът на ядрено делене в соматичните клетки. В покойни, неделящи се еукариотни клетки, хромозомният материал, наречен хроматин, изглежда неясен и изглежда, че е произволно разпределен в ядрото. Въпреки това, когато клетката се подготви да се раздели, хроматинът се сгъстява и се събира в характерния си брой ясно различими хромозоми.

Хроматинът се изолира от ядрата и се анализира. Състои се от много фини влакна. Основните компоненти на хроматина са ДНК и протеини, сред които основната част са хистони и нехистонови протеини.Средно около 40% от хроматина е ДНК и около 60% е протеин, сред които специфични ядрени протеини-хистони съставляват от 40 до 80% от всички протеини, които изграждат изолирания хроматин. В допълнение, хроматиновите фракции включват мембранни компоненти, РНК, въглехидрати, липиди, гликопротеини.

Хроматиновите влакна в хромозомата са сгънати и образуват много възли и бримки. ДНК в хроматина е много тясно свързана с протеини, наречени хистони, чиято функция е да опаковат и подреждат ДНК в структурни единици - нуклеозоми. Хроматинът съдържа и редица нехистонови протеини. За разлика от еукариотните хромозоми, бактериалните хромозоми не съдържат хистони; те съдържат само малко количество протеини, които допринасят за образуването на бримки и кондензацията (уплътняването) на ДНК.

При наблюдение на много живи клетки, особено растителни клетки, или клетки след фиксиране и оцветяване вътре в ядрото, се разкриват зони от плътна материя, които са добре оцветени с различни багрила, особено основни. Способността на хроматина да възприема основни (алкални) багрила показва неговите киселинни свойства, които се определят от факта, че хроматинът съдържа ДНК в комплекс с протеини. Хромозомите имат същите свойства на оцветяване и съдържание на ДНК, което може да се наблюдава по време на митотично клетъчно делене.

За разлика от прокариотните клетки, ДНК-съдържащият еукариотен хроматин може да съществува в две алтернативни състояния: декондензиран в интерфазата и максимално уплътнен по време на митоза, като част от митотичните хромозоми.

В неделящите се (интерфазни) клетки хроматинът може да запълни равномерно обема на ядрото или да бъде разположен в отделни съсиреци (хромоцентри). Често се среща особено ясно по периферията на ядрото (париетален, маргинален, пермембранен хроматин) или образува преплитане на доста дебели (около 0,3 μm) и дълги въжета под формата на вътрешноядрена мрежа вътре в ядрото.

Хроматинът на интерфазните ядра е ДНК-носещи тела (хромозоми), които по това време губят своята компактна форма, разхлабват се, декондензират. Степента на такава декондензация на хромозомите може да бъде различна в ядрата на различните клетки. Когато една хромозома или част от нея е напълно декондензирана, тези зони се наричат дифузен хроматин. При непълно разхлабване на хромозомите в интерфазното ядро се виждат области на кондензиран хроматин (понякога наричан хетерохроматин). Многобройни работи показват, че степента на декондензация на хромозомния материал, хроматин, в интерфазата може да отразява функционалното натоварване на тази структура. Колкото по-разпръснат е хроматинът на интерфазното ядро, толкова по-високи са синтетичните процеси в него. По време на синтеза на РНК структурата на хроматина се променя. Намаляването на синтеза на ДНК и РНК в клетките обикновено е придружено от увеличаване на зоните на кондензиран хроматин.

Хроматинът е максимално кондензиран по време на митотично клетъчно делене, когато се намира под формата на тела - хромозоми. През този период хромозомите не носят никакви синтетични натоварвания, не включват предшествениците на ДНК и РНК.

Въз основа на това може да се предположи, че хромозомите на клетките могат да бъдат в две структурни и функционални състояния: в работещо, частично или напълно декондензирано, когато участват в интерфазното ядро, протичат процесите на транскрипция и редупликация и в неактивно състояние. състояние, в състояние на метаболитен покой в максимална степен на тяхната кондензация, когато изпълняват функцията за разпределение и трансфер на генетичен материал към дъщерните клетки.

Еухроматин и хетерохроматин

Степента на структуриране, кондензация на хроматина в интерфазните ядра може да бъде изразена в различни степени. Така че, в интензивно делящи се и в малко специализирани клетки, ядрата имат дифузна структура, в тях, в допълнение към тесния периферен ръб на кондензиран хроматин, има малък брой малки хромоцентри, докато основната част от ядрото е заета чрез дифузен, декондензиран хроматин. В същото време във високоспециализирани клетки или в клетки, завършващи своя жизнен цикъл, хроматинът се представя под формата на масивен периферен слой и големи хромоцентри, блокове от кондензиран хроматин. Колкото по-голяма е фракцията на кондензирания хроматин в ядрото, толкова по-ниска е метаболитната активност на ядрото. При естествено или експериментално инактивиране на ядрата настъпва прогресивна кондензация на хроматин и, обратно, с активиране на ядрата, делът на дифузния хроматин се увеличава.

Въпреки това, по време на метаболитно активиране, не всички области на кондензирания хроматин могат да се трансформират в дифузна форма. Още в началото на 30-те години на миналия век E. Geitz забелязва, че в интерфазните ядра има постоянни зони на кондензиран хроматин, чието присъствие не зависи от степента на тъканна диференциация или от функционалната активност на клетките. Такива зони се наричат хетерохроматин, за разлика от останалата хроматинова маса - еухроматин (самият хроматин). Според тези концепции хетерохроматинът е компактни участъци от хромозоми, които в профаза се появяват по-рано от други части в състава на митотичните хромозоми и не се декондензират в телофазата, преминавайки в интерфазното ядро под формата на интензивно оцветени плътни структури (хромоцентри). Центромерните и теломерните области на хромозомите най-често са постоянно кондензирани зони. В допълнение към тях, някои области, които са част от рамената на хромозомите, могат да бъдат постоянно кондензирани - интеркаларен или интеркаларен хетерохроматин, който също е представен в ядрата под формата на хромоцентри. Такива постоянно кондензирани области на хромозоми в интерфазни ядра сега обикновено се наричат конститутивен (постоянен) хетерохроматин. Трябва да се отбележи, че регионите на конститутивния хетерохроматин имат редица характеристики, които го отличават от останалия хроматин. Конститутивният хетерохроматин е генетично неактивен; не се транскрибира, репликира се по-късно от останалата част от хроматина, включва специална (сателитна) ДНК, обогатена със силно повтарящи се нуклеотидни последователности, локализирана е в центромерни, теломерни и интеркаларни зони на митотичните хромозоми. Пропорцията на конститутивния хроматин може да се различава от обект до обект. Функционалното значение на конститутивния хетерохроматин не е напълно разбрано. Предполага се, че има редица важни функции, свързани с чифтосването на хомолози в мейозата, със структурирането на интерфазното ядро, с някои регулаторни функции.

Останалата част, по-голямата част от ядрения хроматин, може да промени степента на неговото уплътняване в зависимост от функционалната активност; принадлежи към еухроматина. Евхроматичните неактивни области, които са в кондензирано състояние, започват да се наричат факултативен хетерохроматин, подчертавайки незадължителния характер на такова състояние.

В диференцираните клетки само около 10% от гените са в активно състояние, останалите гени са инактивирани и са част от кондензирания хроматин (факултативен хетерохроматин). Това обстоятелство обяснява защо по-голямата част от ядрения хроматин е структурирана.

ДНК на хроматина

В хроматинов препарат, ДНК обикновено представлява 30-40%. Тази ДНК е двуверижна спирална молекула, подобна на чиста изолирана ДНК във водни разтвори. ДНК на хроматина има молекулно тегло 7-9106. В състава на хромозомите дължината на отделните линейни (за разлика от прокариотните хромозоми) ДНК молекули може да достигне стотици микрометри и дори няколко сантиметра. Общото количество ДНК, влизащо в ядрените структури на клетките, в генома на организмите, се колебае.

ДНК на еукариотните клетки е хетерогенна по състав, съдържа няколко класа нуклеотидни последователности: често повтарящи се последователности (> 106 пъти), включени във фракцията на сателитната ДНК и нетранскрибирани; фракция от умерено повтарящи се последователности (102-105), представляващи блокове от истински гени, както и къси последователности, разпръснати из генома; част от уникални последователности, носещи информация за повечето протеини в клетката. Всички тези класове нуклеотиди са свързани в една гигантска ковалентна ДНК верига.

Основните протеини на хроматина - хистони

В клетъчното ядро водещата роля в организирането на подреждането на ДНК, в нейното уплътняване и регулиране на функционалните натоварвания принадлежи на ядрените протеини. Протеините в хроматина са много разнообразни, но могат да бъдат разделени на две групи: хистони и нехистонови протеини. Хистоните представляват до 80% от всички хроматинови протеини. Тяхното взаимодействие с ДНК се осъществява чрез солеви или йонни връзки и е неспецифично по отношение на състава или последователностите на нуклеотидите в молекулата на ДНК. Една еукариотна клетка съдържа само 5-7 вида хистонови молекули. За разлика от хистоните, така наречените нехистонови протеини в по-голямата си част взаимодействат конкретно с определени последователности от ДНК молекули, разнообразието от видове протеини, включени в тази група, е много голямо (няколко стотин), а разнообразието от функции, които изпълняват е страхотен.

Хистоните - протеини, които са характерни само за хроматина - имат редица специални качества. Това са основни или алкални протеини, чиито свойства се определят от относително високото съдържание на такива незаменими аминокиселини като лизин и аргинин. Именно положителните заряди върху аминогрупите на лизин и аргинин определят солта или електростатичната връзка на тези протеини с отрицателни заряди върху фосфатните групи на ДНК.

Хистоните са протеини с относително малко молекулно тегло. Класовете хистони се различават един от друг по съдържанието на различни незаменими аминокиселини. За хистоните от всички класове е характерно клъстерното разпределение на основните аминокиселини - лизин и аргинин, в N- и С-края на молекулите. Средните области на хистоновите молекули образуват няколко (3-4) b-спирални области, които се уплътняват в глобуларна структура при изотонични условия. Неспиралните краища на протеиновите молекули на хистоните, богати на положителни заряди, осъществяват връзката си помежду си и с ДНК.

По време на живота на клетките могат да настъпят посттранслационни промени (модификации) на хистоните: ацетилиране и метилиране на някои лизинови остатъци, което води до загуба на броя на положителните заряди, и фосфорилиране на серинови остатъци, което води до появата на отрицателен заряд. Ацетилирането и фосфорилирането на хистони могат да бъдат обратими. Тези модификации значително променят свойствата на хистоните, способността им да се свързват с ДНК.

Хистоните се синтезират в цитоплазмата, транспортират се до ядрото и се свързват с ДНК по време на нейната репликация в S-периода, т.е. Синтезите на хистони и ДНК са синхронизирани. Когато клетката спре да синтезира ДНК, хистоновите РНК се разпадат за няколко минути и синтезът на хистони спира. Хистоните, включени в хроматина, са много стабилни и имат нисък процент на заместване.

Функции на хистонните протеини

1. Количественото и качественото състояние на хистоните влияе върху степента на компактност и активност на хроматина.

2. Структурно - уплътняване - ролята на хистоните в организацията на хроматина.

За да се положат огромни сантиметрови ДНК молекули по дължината на хромозомата, която има размер само няколко микрометра, ДНК молекулата трябва да бъде усукана, уплътнена с плътност на опаковката, равна на 1: 10 000. В процеса на уплътняване на ДНК, има няколко нива на опаковане, първото от които се определя директно от взаимодействието на хистоните с ДНК

Почти цялата ДНК на клетката се съдържа в ядрото. ДНКе дълъг линеен полимер, съдържащ много милиони нуклеотиди. Четирите типа ДНК нуклеотиди се различават азотни основи. Нуклеотидиса подредени в последователност, която представлява кодова форма за записване на наследствена информация.
За да приложи тази информация, тя се пренаписва или транскрибира в по-къси вериги m-RNA. Символите на генетичния код в i-RNA са триплети нуклеотиди - кодони... Всеки кодон представлява една от аминокиселините. Всяка ДНК молекула съответства на отделна хромозома и цялата генетична информация, съхранявана в хромозомите на организма, се нарича генома.
Геномът на висшите организми съдържа излишно количество ДНК, което не е свързано със сложността на организма. Известно е, че човешкият геном съдържа 700 пъти повече ДНК от бактерията E. coli. В същото време геномът на някои земноводни и растения е 30 пъти по-голям от човешкия. При гръбначните повече от 90% от ДНК е без значение. Информацията, съхранявана в ДНК, се организира, чете и репликира от различни протеини.
Основните структурни протеини на ядрото са протеини-хистонихарактерни само за еукариотните клетки. хистони- малки силно основни протеини. Това свойство се дължи на факта, че са обогатени с основните аминокиселини - лизин и аргинин. Хистоните също се характеризират с липсата на триптофан. Те са сред най-консервативните от всички известни протеини, например H4 в кравата и граха се отличава само с два аминокиселинни остатъка. Комплексът от протеини с ДНК в клетъчните ядра на еукариотите се нарича хроматин.
Когато се наблюдават клетки с помощта на светлинен микроскоп, хроматинът се открива в ядрата като зони от плътна материя, добре оцветени с основни багрила. Задълбочено изследване на структурата на хроматина започва през 1974 г., когато съпрузите Ада и Доналд Олинс описват основната му структурна единица, тя е наречена нуклеозома.
Нуклеозомите позволяват дълга верига от ДНК молекули да бъде сгъната по-компактно. И така, във всяка човешка хромозома дължината на ДНК верига е хиляди пъти по-голяма от размера на ядрото. На електронните снимки нуклеозомата изглежда като дискоидна частица с диаметър около 11 nm. Неговото ядро е комплекс от осем хистонови молекули, в които четири хистона H2A, H2B, H3 и H4 са представени от по две молекули. Тези хистони образуват вътрешната част на нуклеозомата – хистоновото ядро. ДНК молекула, съдържаща 146 базови двойки, се навива върху хистоновото ядро. Той образува два непълни завъртания около хистоновото ядро на нуклеозомата; има 83 нуклеотидни двойки на завой. Всяка нуклеозома е разделена от следващата с линкерна ДНК последователност, която може да бъде с дължина до 80 нуклеотида. Тази структура прилича на низ от мъниста.
Изчислението показва, че човешката ДНК с 6x10 9 нуклеотидни двойки трябва да съдържа 3x10 7 нуклеозоми. В живите клетки хроматинът рядко има този вид. Нуклеозомите са свързани заедно в още по-компактни структури. По-голямата част от хроматина е под формата на фибрили с диаметър 30 nm. Това опаковане се извършва с помощта на друг хистон H1. Има една H1 молекула на нуклеозома, която дърпа заедно линкерното място в точките, където ДНК влиза и напуска хистоновото ядро.
Опаковката с ДНК значително намалява нейната дължина. Въпреки това, средната дължина на хроматиновия филамент на една хромозома на този етап трябва да надвишава размера на ядрото с коефициент 100.
Структурата на хроматина от по-висок порядък е серия от бримки, всяка от които съдържа около 20 до 100 хиляди базови двойки. В основата на бримката е сайт-специфичен ДНК-свързващ протеин. Такива протеини разпознават определени нуклеотидни последователности (места) на две отдалечени области на хроматиновия филамент и ги сближават.

текстови_полета

стрелка_нагоре

Ядрото е централният елемент на клетката. Хирургичното му отстраняване дискоординира функциите на цитоплазмата. Ядрото играе основна роля в предаването на наследствени белези и протеиновия синтез. Прехвърлянето на генетична информация от една клетка в друга се осигурява от дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК), съдържаща се в хромозомите. Дублирането на ДНК предхожда клетъчното делене. Масата на ядрото в клетките на различните тъкани е различна и е например 10-18% от масата на хепатоцита, 60% - в лимфоидните клетки. В интерфазата (интермитотичен период) ядрото е представено от четири елемента: хроматин, нуклеола (нуклеол), нуклеоплазма и ядрена мембрана.

хроматин

текстови_полета

стрелка_нагоре

Зрелите клетки (например кръвта) се характеризират с ядра, богати на плътен, кондензиран хроматин, разположени на бучки. В ядрата на соматичните клетки на жените той е представен от бучка хроматин, близо до мембраната на ядрото: това е женският полов хроматин (или малкото тяло на Бар), което е кондензирана Х хромозома. Мъжкият полов хроматин е представен в ядрата на мъжките соматични клетки чрез бучка, която свети при оцветяване с флуорохроми. Определянето на половия хроматин се използва например за определяне на пола на дете с помощта на клетки, получени от амниотичната течност на бременна жена.

Нуклеол

текстови_полета

стрелка_нагоре

Ядрото е сферична вътрешноядрена структура, която няма мембрана. Развива се във всички клетки, характеризиращи се с висока активност на протеинов синтез, който е свързан с образуването на цитоплазмени субединици, рРНК, в него. Например, нуклеоли се намират в ядрата на клетки, способни да се делят - лимфобласти, миелобласти и др.

Основна мембрана

текстови_полета

стрелка_нагоре

Мембраната на ядрото е представена от два листа, пролуката между които е свързана с кухината на ендоплазмения ретикулум. Мембраната има дупки (ядрени пори) с диаметър до около 100 nm, през които свободно преминават макромолекулите (рибонуклеази, РНК). В същото време ядрената мембрана и порите поддържат микросредата на ядрото, осигурявайки селективния обмен на различни вещества между ядрото и цитоплазмата. В слабо диференцирана клетка порите заемат до 10% от повърхността на ядрото, но с узряването на клетката общата им повърхност намалява.

Нуклеоплазма (ядрен сок)

текстови_полета

стрелка_нагоре

Нуклеоплазмата (ядрен сок) е колоиден разтвор, съдържащ протеини, който осигурява обмена на метаболити и бързото движение на РНК молекулите към ядрените пори. Количеството нуклеоплазма намалява с узряването или стареенето на клетката.

Деление на клетките. митоза.

текстови_полета

стрелка_нагоре

митоза(фиг. 1.5) заема само част от клетъчния цикъл. В клетките на бозайници митотичната фаза (М) продължава около час.

Това е последвано от постмитотична пауза (G1), който се характеризира с висока активност на протеиновия биосинтез в клетката, се реализират процесите на транскрипция и транслация. Продължителността на паузата е около 10 часа, но това време варира значително и зависи от влиянието на регулаторните фактори, които стимулират и инхибират деленето на клетките, от снабдяването с хранителни вещества към тях.

Следващата фаза на клетъчния цикъл се характеризира със синтез на ДНК (репликация) (фаза S)и отнема около 9 часа. Следва премитотична G2 фаза, която продължава около 4 часа. По този начин целият клетъчен цикъл продължава около 24 часа:

Клетките могат да бъдат и във фаза на покой – Go, оставайки извън клетъчния цикъл за дълго време. Например при хората до 90% от хемопоетичните стволови клетки са във фаза Go, но преходът им от Go към G1 се ускорява с увеличаване на търсенето на кръвни клетки.

Високата чувствителност на клетките към факторите, регулиращи тяхното делене във фаза G1, се обяснява със синтеза върху клетъчните мембрани през този период на хормонални рецептори, стимулиращи и инхибиращи фактори. Например, разделянето на еритроидните клетки в костния мозък във фазата G стимулира хормона еритропоетин. Този процес се инхибира от инхибитор на еритропоезата – вещество, което намалява производството на еритроцити в случай на намаляване на нуждата от кислород в тъканите (Глава 6).

Прехвърлянето на информация към ядрото за взаимодействието на мембранните рецептори със стимулатор на клетъчно делене включва синтез на ДНК, тези. фаза S... В резултат на това количеството ДНК в клетката се променя от диплоидно, 2N, до тетраплоидно, 4N. Във фазата G2 се синтезират необходимите за митоза структури, по-специално протеините на митотичното вретено.

Във фаза Мима разпределение на идентичен генетичен материал между двете дъщерни клетки. Самата М фаза е разделена на четири периода: профаза, метафаза, анафаза и телофаза (фиг. 1.5.).

Профазахарактеризиращ се с кондензация на ДНК хромозоми, образуващи две хроматиди, всяка от които е една от две идентични ДНК молекули. Ядрото и ядрената обвивка изчезват. Центриолите, представени от тънки микротубули, се разминават към два полюса на клетката, образувайки митотично вретено.

В метафазахромозомите са разположени в центъра на клетката, образувайки метафазна плоча. В тази фаза морфологията на всяка хромозома е най-отчетлива, което се използва на практика за изследване на хромозомния набор на клетката.

анафазахарактеризиращ се с движението на хроматиди, "разкъсани" от влакната на митотичното вретено към противоположните полюси на клетката.

Телофазахарактеризиращ се с образуването на ядрена мембрана около дъщерния набор от хромозоми. Познаването на характеристиките на клетъчния цикъл се използва на практика, например при създаването на цитостатични вещества за лечение на левкемия. Така свойството на винкристин да бъде отрова за митотичното вретено се използва за спиране на митозата на левкемичните клетки.

Клетъчна диференциация

текстови_полета

стрелка_нагоре

Диференцирането на клетките е придобиването на специализирани функции от клетка, свързано с появата в нея на структури, които осигуряват изпълнението на тези функции (например синтезът и натрупването на хемоглобин в еритроцитите характеризира тяхното диференциране в еритроцити). Диференциацията е свързана с генетично програмирано инхибиране (потискане) на функциите на едни части от генома и активиране на други.