Opće karakteristike interfaznog jezgra

Jedro je najvažnija komponenta ćelije, koja se nalazi u gotovo svim ćelijama višećelijskih organizama. Većina ćelija ima jedno jezgro, ali postoje dvonuklearne i višejezgrene ćelije (na primjer, prugasta mišićna vlakna). Dvostruka i multinukleacija nastaju zbog funkcionalnih karakteristika ili patološkog stanja ćelija. Oblik i veličina jezgra su vrlo varijabilni i zavise od vrste organizma, tipa, starosti i funkcionalnog stanja ćelije. U proseku, zapremina jezgra je približno 10% ukupne zapremine ćelije. Najčešće, jezgro ima okrugli ili ovalni oblik, veličine od 3 do 10 mikrona u promjeru. Minimalna veličina jezgra je 1 mikron (kod nekih protozoa), maksimalna je 1 mm (jajaca nekih riba i vodozemaca). U nekim slučajevima postoji ovisnost oblika jezgra o obliku ćelije. Jedro obično zauzima centralni položaj, ali u diferenciranim ćelijama može biti pomereno na periferni deo ćelije. Gotovo sva DNK eukariotske ćelije koncentrirana je u jezgru.

Glavne funkcije kernela su:

1) Čuvanje i prenos genetskih informacija;

2) Regulacija sinteze proteina, metabolizma i energije u ćeliji.

Dakle, jezgro nije samo spremnik za genetski materijal, već i mjesto gdje ovaj materijal funkcionira i razmnožava. Stoga će poremećaj bilo koje od ovih funkcija dovesti do smrti stanice. Sve to ukazuje na vodeću ulogu nuklearnih struktura u sintezi nukleinskih kiselina i proteina.

BLAKING

Core. Hromatin, heterohromatin, euhromatin.

Jezgro (lat.nucleus) je jedna od strukturnih komponenti eukariotske ćelije, koja sadrži genetske informacije (molekule DNK), obavljajući glavne funkcije: skladištenje, prijenos i implementaciju nasljednih informacija uz obezbjeđivanje sinteze proteina. Jezgro se sastoji od hromatina, nukleola, karioplazme (ili nukleoplazme) i nuklearnog omotača. U ćelijskom jezgru dolazi do replikacije (ili reduplikacije) – udvostručavanja molekula DNK, kao i do transkripcije – sinteze RNK molekula na molekulu DNK. Molekuli RNK sintetizirani u jezgru se modificiraju, nakon čega ulaze u citoplazmu. Formiranje obje podjedinice ribosoma događa se u posebnim formacijama ćelijskog jezgra - nukleolima. Dakle, ćelijsko jezgro nije samo skladište genetskih informacija, već i mjesto gdje ovaj materijal funkcionira i razmnožava se.

Jezgro interfazne ćelije koja se ne dijeli obično je jedno po ćeliji (iako se nalaze i višejezgrene ćelije). Jezgro se sastoji od hromatina, nukleola, karioplazme (nukleoplazme) i nuklearnog omotača koji ga odvaja od citoplazme (slika 17).

hromatin

Pri promatranju živih ili fiksiranih ćelija unutar jezgra, identificiraju se zone guste materije koje se dobro uočavaju raznim bojama, posebno osnovnim. Zbog ove sposobnosti dobrog bojenja, ova komponenta jezgre naziva se "hromatin" (od grčkog chroma - boja, boja). Hromatin sadrži DNK u kompleksu sa proteinom. Ista svojstva imaju i hromozomi, koji su jasno vidljivi tokom mitotičke diobe ćelija. U ćelijama koje se ne dijele (interfaza), kromatin, detektovan u svjetlosnom mikroskopu, može manje-više ravnomjerno ispuniti volumen jezgra ili se nalaziti u zasebnim grudvicama.

Kromatin interfaznih jezgara je hromozom, koji, međutim, u ovom trenutku gubi svoj kompaktni oblik, olabavi se, dekondenzira. Stepen takve dekondenzacije hromozoma može biti različit. Morfolozi nazivaju zone potpune dekondenzacije njihovih mjesta euhromatin. Uz nepotpuno labavljenje hromozoma u interfaznom jezgru, vidljiva su područja kondenzovanog hromatina, koja se ponekad naziva heterohromatin. Stepen dekondenzacije hromozomskog materijala - hromatina u interfazi može odražavati funkcionalno opterećenje ove strukture. Što je više "difuznije" hromatina raspoređeno u interfaznom jezgru (tj. što je više euhromatina), to su sintetički procesi u njemu intenzivniji.

Kromatin se maksimalno kondenzira tokom mitotičke diobe ćelije, kada se nalazi u obliku gustih hromozoma. U tom periodu hromozomi ne obavljaju nikakve sintetičke funkcije, a prekursori DNK i RNK nisu uključeni u njih.

Dakle, hromozomi ćelija mogu biti u dva strukturna i funkcionalna stanja: u aktivnom, radnom, delimično ili potpuno dekondenzovanom, kada se njihovim učešćem u interfaznom jezgru odvijaju procesi transkripcije i reduplikacije, i u neaktivnom stanju, u stanje metaboličkog mirovanja sa njihovom maksimalnom kondenzacijom, kada obavljaju funkciju distribucije i prenošenja genetskog materijala u ćelije kćeri.

hromatin

Ogromna dužina molekula eukariotske DNK predodredila je pojavu posebnih mehanizama za skladištenje, replikaciju i implementaciju genetskog materijala. Hromatin se naziva molekulom hromozomske DNK u kombinaciji sa specifičnim proteinima neophodnim za sprovođenje ovih procesa. Većinu čine "proteini za skladištenje", takozvani histoni. Od ovih proteina se grade nukleosomi - strukture na koje su namotane niti molekula DNK. Nukleosomi su raspoređeni prilično pravilno, tako da rezultirajuća struktura podsjeća na zrno. Nukleosom se sastoji od četiri tipa proteina: H2A, H2B, H3 i H4. Jedan nukleosom sadrži dva proteina svake vrste – ukupno osam proteina. Histon H1, koji je veći od ostalih histona, vezuje se za DNK gdje ulazi u nukleosom. Nukleosom, zajedno sa H1, naziva se hromozom.

DNK lanac sa nukleozomima formira nepravilnu strukturu nalik solenoidu debljine oko 30 nanometara, takozvanu fibril od 30 nm. Dalje pakiranje ovog fibrila može imati različite gustine. Ako je hromatin čvrsto zbijen, naziva se kondenzirani ili heterohromatin, jasno je vidljiv pod mikroskopom. DNK pronađena u heterohromatinu se ne transkribuje, obično je ovo stanje karakteristično za beznačajne ili tihe regije. U interfazi, heterohromatin se obično nalazi na periferiji jezgra (parietalni heterohromatin). Do potpune kondenzacije hromozoma dolazi prije diobe stanice. Ako je hromatin labavo upakovan, naziva se eu- ili interhromatin... Ovaj tip hromatina je mnogo manje gust kada se gleda pod mikroskopom i obično ga karakteriše prisustvo transkripcione aktivnosti. Gustoća pakiranja hromatina je u velikoj mjeri određena modifikacijama histona - acetilacijom i fosforilacijom.

Vjeruje se da u jezgru postoje tzv. funkcionalni domeni hromatina (DNK jednog domena sadrži oko 30 hiljada parova baza), odnosno svaki hromozomski region ima svoju „teritoriju“. Nažalost, pitanje prostorne distribucije hromatina u jezgru još nije dovoljno proučeno. Poznato je da su telomerni (terminalni) i centromerni (odgovorni za vezivanje sestrinskih hromatida u mitozi) delovi hromozoma vezani za proteine nuklearne lamine.

2. Chromatin

Kromatin su brojne granule obojene osnovnim bojama od kojih se formiraju hromozomi. Hromozomi su formirani od kompleksa nukleoproteina koji sadrži nukleinske kiseline i proteine. Postoje dvije vrste hromatina u jezgri ljudskih ćelija u interfazi - dispergovani, slabo obojeni hromatin (euhromatin), formiran od dugih, tankih, isprepletenih vlakana, metabolički veoma aktivan i kondenzovani hromatin (heterohromatin), koji odgovara regionima hromozoma koji nisu uključeni u kontrolu metaboličke aktivnosti... Zrele ćelije (na primjer, krv) karakteriziraju jezgre bogate gustim, kondenziranim hromatinom, koje leže u grudvicama. U jezgrima somatskih ćelija žena predstavljen je kvržicom hromatina, blizu membrane jezgra: ovo je ženski polni hromatin (ili Barrovo tijelo), koje je kondenzirani X hromozom. Muški polni hromatin predstavljen je u jezgrima muških somatskih ćelija kvržicom koja svijetli kada je obojena fluorohromima. Određivanje spolnog hromatina koristi se, na primjer, za određivanje spola djeteta pomoću ćelija dobivenih iz plodove vode trudnice.

Biohemijska istraživanja u genetici su važan način proučavanja njenih osnovnih elemenata – hromozoma i gena. U ovom članku ćemo pogledati što je kromatin, saznati njegovu strukturu i funkciju u ćeliji.

Nasljednost je glavno svojstvo žive materije

Glavni procesi koji karakteriziraju organizme koji žive na Zemlji uključuju disanje, ishranu, rast, izlučivanje i reprodukciju. Potonja funkcija je najvažnija za očuvanje života na našoj planeti. Kako se ne sjetiti da je prva zapovijest koju je Bog dao Adamu i Evi bila sljedeća: „Plodite se i množite se“. Na nivou ćelije, generativnu funkciju obavljaju nukleinske kiseline (sastojna supstanca hromozoma). Ove strukture ćemo kasnije razmotriti.

Dodajmo i to da se očuvanje i prijenos nasljednih informacija potomcima odvija po jedinstvenom mehanizmu koji uopće ne ovisi o nivou organizacije pojedinca, odnosno za virus, za bakteriju i za čovjeka. , univerzalan je.

Šta je supstanca nasleđa

U ovom radu proučavamo hromatin čija struktura i funkcije direktno zavise od organizacije molekula nukleinske kiseline. Švicarski naučnik Miescher je 1869. godine otkrio spojeve koji pokazuju svojstva kiselina u jezgrima ćelija imunog sistema, koje je nazvao prvo nuklein, a zatim nukleinske kiseline. Sa gledišta hemije, to su jedinjenja visoke molekularne težine - polimeri. Njihovi monomeri su nukleotidi sa sledećom strukturom: purinska ili pirimidinska baza, pentoza i ostatak Naučnici su ustanovili da u ćelijama mogu biti prisutne dve vrste i RNK. Oni ulaze u kompleks sa proteinima i formiraju supstancu hromozoma. Poput proteina, nukleinske kiseline imaju nekoliko nivoa prostorne organizacije.

Godine 1953. strukturu DNK dešifrovali su nobelovci Watson i Crick. To je molekul koji se sastoji od dva lanca međusobno povezana vodoničnim vezama koje nastaju između azotnih baza po principu komplementarnosti (nasuprot adeninu je timinska baza, suprotno citozinu - gvanin). Kromatin, čiju strukturu i funkciju proučavamo, sadrži molekule deoksiribonukleinske i ribonukleinske kiseline različitih konfiguracija. O ovom pitanju ćemo se detaljnije zadržati u odjeljku „Nivoi organizacije hromatina“.

Lokalizacija supstance naslijeđa u ćeliji

DNK je prisutna u takvim citostrukturama kao što je jezgra, kao iu organelama sposobnim za diobu - mitohondrijima i hloroplastima. To je zbog činjenice da ove organele obavljaju najvažnije funkcije u stanici: kao i sintezu glukoze i stvaranje kisika u biljnim stanicama. U fazi sinteze životnog ciklusa roditeljske organele se udvostručuju. Dakle, kao rezultat mitoze (podjela somatskih stanica) ili mejoze (formiranje jajašca i spermatozoida), ćelije kćeri dobivaju neophodan arsenal ćelijskih struktura koje stanicama osiguravaju hranjive tvari i energiju.

Ribonukleinska kiselina se sastoji od jednog lanca i ima nižu molekularnu težinu od DNK. Sadrži se i u jezgru i u hijaloplazmi, a također je dio mnogih ćelijskih organela: ribozoma, mitohondrija, endoplazmatskog retikuluma, plastida. Kromatin u ovim organelama povezan je sa histonskim proteinima i dio je plazmida - kružnih zatvorenih molekula DNK.

Kromatin i njegova struktura

Dakle, ustanovili smo da su nukleinske kiseline sadržane u tvari hromozoma - strukturnih jedinica nasljeđa. Njihov hromatin pod elektronskim mikroskopom izgleda kao granule ili niti nalik formacijama. Sadrži, pored DNK, i molekule RNK, kao i proteine koji pokazuju osnovna svojstva i nazivaju se histoni. Sve gore navedeno su nukleozomi. Nalaze se u hromozomima jezgre i nazivaju se fibrili (solenoidni filamenti). Sumirajući sve gore navedeno, hajde da definišemo šta je hromatin. To je kompleksno jedinjenje i posebni proteini - histoni. Dvolančani DNK molekuli su namotani na njih, kao na zavojnicama, da bi formirali nukleozome.

Nivoi organizacije hromatina

Supstanca nasljeđa ima drugačiju strukturu, koja ovisi o mnogim faktorima. Na primjer, kroz koju fazu životnog ciklusa ćelija prolazi: period diobe (mejoza ili mejoza), predsintetički ili sintetički period interfaze. Od oblika solenoida, odnosno fibrila, kao najjednostavnijeg oblika, dolazi do daljeg zbijanja hromatina. Heterohromatin je gušće stanje, formira se u intronskim regionima hromozoma gde je transkripcija nemoguća. U periodu mirovanja ćelije - interfaze, kada nema procesa deobe - heterohromatin se nalazi u karioplazmi jezgra duž periferije, blizu njene membrane. Zbijanje nuklearnog sadržaja događa se u postsintetskoj fazi životnog ciklusa ćelije, odnosno neposredno prije diobe.

Od čega zavisi kondenzacija supstance naslednosti?

Nastavljajući proučavanje pitanja "šta je hromatin", naučnici su otkrili da njegovo zbijanje zavisi od proteina histona, koji su, zajedno sa molekulima DNK i RNK, deo nukleozoma. Sastoje se od četiri vrste proteina, nazvanih jezgro i proteini linker. U vrijeme transkripcije (čitanje informacija iz gena pomoću RNK), nasljedna tvar je slabo kondenzirana i naziva se euhromatin.

Trenutno se nastavljaju proučavati karakteristike distribucije molekula DNK povezanih s histonskim proteinima. Na primjer, naučnici su otkrili da se hromatin različitih lokusa istog hromozoma razlikuje u nivou kondenzacije. Na primjer, na mjestima vezivanja za hromozom filamenata diobenog vretena, koji se nazivaju centromere, gušće je nego u telomernim regijama - terminalnim lokusima.

Regulatorni geni i sastav hromatina

Koncept regulacije aktivnosti gena, koji su kreirali francuski genetičari Jacob i Monod, daje ideju o postojanju regija deoksiribonukleinske kiseline u kojima nema informacija o strukturama proteina. Obavljaju čisto birokratsko – menadžerske funkcije. Ovi dijelovi hromozoma, koji se nazivaju regulatorni geni, po pravilu su lišeni histonskih proteina u svojoj strukturi. Kromatin, čije je određivanje provedeno sekvenciranjem, nazvan je otvorenim.

U toku daljih istraživanja ustanovljeno je da se u ovim lokusima nalaze nukleotidne sekvence koje sprečavaju vezivanje proteinskih čestica za molekule DNK. Takva mjesta sadrže regulatorne gene: promotere, pojačivače, aktivatore. Kompaktacija hromatina u njima je velika, a dužina ovih regiona je u proseku oko 300 nm. Postoji definicija otvorenog hromatina u izolovanim jezgrima, u kojima se koristi enzim Dnaza. Vrlo brzo cijepa lokuse hromozoma kojima nedostaju histonski proteini. Kromatin u ovim područjima naziva se preosjetljivim.

Uloga supstance naslijeđa

Kompleksi, uključujući DNK, RNK i protein, zvani hromatin, su uključeni u ontogenezu ćelija i menjaju svoj sastav u zavisnosti od vrste tkiva, kao i od faze razvoja organizma u celini. Na primjer, u epitelnim stanicama kože, geni poput pojačivača i promotora blokirani su represorskim proteinima, a isti regulatorni geni u sekretornim stanicama crijevnog epitela su aktivni i nalaze se u zoni otvorenog kromatina. Genetski naučnici su otkrili da DNK, koja ne kodira proteine, čini više od 95% cjelokupnog ljudskog genoma. To znači da postoji mnogo više kontrolnih gena od onih odgovornih za sintezu peptida. Uvođenje metoda kao što su DNK čipovi i sekvenciranje omogućilo je da se otkrije što je kromatin i, kao rezultat, da se izvrši mapiranje ljudskog genoma.

Istraživanje hromatina je veoma važno u granama nauke kao što su ljudska genetika i medicinska genetika. To je zbog naglo povećane učestalosti nasljednih bolesti, genetskih i hromozomskih. Rano otkrivanje ovih sindroma povećava postotak pozitivne prognoze u njihovom liječenju.

Karioplazma

Karioplazma (nuklearni sok, nukleoplazma) je glavna unutrašnja sredina jezgra; zauzima cijeli prostor između jezgre, hromatina, membrana, svih vrsta inkluzija i drugih struktura. Karioplazma pod elektronskim mikroskopom izgleda kao homogena ili sitnozrnasta masa niske elektronske gustoće. Sadrži ribozome, mikrotijela, globuline i razne metaboličke produkte u suspendiranom stanju.

Viskoznost nuklearnog soka je otprilike ista kao i viskoznost osnovne supstance citoplazme. Ispostavilo se da je kiselost nuklearnog soka, određena mikroinjektiranjem indikatora u jezgro, nešto viša od citoplazme.

Osim toga, nuklearni sok sadrži enzime uključene u sintezu nukleinskih kiselina u jezgri i ribosomu. Nuklearni sok nije obojen osnovnim bojama, pa se naziva akromatinska supstanca ili kariolimfa, za razliku od područja koja mogu da oboji - hromatin.

hromatin

Glavna komponenta jezgara - hromatin, je struktura koja obavlja genetsku funkciju ćelije; praktično sve genetske informacije ugrađene su u hromatinsku DNK.

Eukariotski hromozomi izgledaju kao oštro ocrtane strukture samo neposredno prije i tokom mitoze - procesa nuklearne diobe u somatskim stanicama. U eukariotskim ćelijama koje se ne dijele u mirovanju, hromozomski materijal, nazvan kromatin, izgleda nejasno i čini se da je nasumično raspoređen kroz jezgro. Međutim, kada se stanica pripremi za podjelu, kromatin se zgušnjava i skuplja u svoj karakterističan broj jasno prepoznatljivih kromosoma.

Hromatin je izolovan iz jezgara i analiziran. Sastoji se od veoma finih vlakana. Glavne komponente hromatina su DNK i proteini, među kojima najveći deo čine histoni i nehistonski proteini.U proseku, oko 40% hromatina je DNK, a oko 60% su proteini, među kojima specifični nuklearni proteini-histoni čine 40 do 80% svih proteina koji čine izolovani hromatin. Osim toga, frakcije hromatina uključuju komponente membrane, RNK, ugljikohidrate, lipide, glikoproteine.

Kromatinska vlakna u hromozomu su presavijena i formiraju mnogo čvorova i petlji. DNK u hromatinu je vrlo čvrsto vezan za proteine zvane histoni, čija je funkcija da pakuju i slažu DNK u strukturne jedinice - nukleozome. Hromatin također sadrži brojne nehistonske proteine. Za razliku od eukariotskih hromozoma, bakterijski hromozomi ne sadrže histone; sadrže samo malu količinu proteina koji doprinose stvaranju petlji i kondenzaciji (kompaktaciji) DNK.

Posmatranjem mnogih živih ćelija, posebno biljnih, ili ćelija nakon fiksiranja i bojenja unutar jezgra, otkrivaju se zone guste materije koje su dobro obojene raznim bojama, posebno osnovnim. Sposobnost hromatina da percipira bazične (alkalne) boje ukazuje na njegova kisela svojstva, koja su određena činjenicom da hromatin sadrži DNK u kompleksu sa proteinima. Hromozomi imaju ista svojstva bojenja i sadržaj DNK, što se može uočiti tokom mitotičke diobe ćelije.

Za razliku od prokariotskih ćelija, materijal eukariotskog hromatina koji sadrži DNK može postojati u dva alternativna stanja: dekondenzovano u interfazi i maksimalno zbijeno tokom mitoze, kao deo mitotičkih hromozoma.

U ćelijama koje se ne dijele (interfaza), kromatin može ravnomjerno ispuniti volumen jezgra ili se nalaziti u odvojenim ugrušcima (hromocentrima). Često se posebno jasno nalazi na periferiji jezgra (parietalni, marginalni, bliski membranski kromatin) ili formira preplitanje prilično debelih (oko 0,3 μm) i dugih vrpci u obliku intranuklearne mreže unutar jezgre.

Kromatin interfaznih jezgara je tijela koja nose DNK (hromozomi), koja u ovom trenutku gube svoju kompaktnu formu, labave se, dekondenziraju. Stepen takve dekondenzacije hromozoma može biti različit u jezgrima različitih ćelija. Kada se kromosom ili njegov dio potpuno dekondenzira, ove zone se nazivaju difuzni hromatin. Uz nepotpuno labavljenje hromozoma u interfaznom jezgru, vidljiva su područja kondenzovanog hromatina (ponekad se naziva heterohromatin). Brojni radovi su pokazali da stepen dekondenzacije hromozomskog materijala, hromatina, u interfazi može odražavati funkcionalno opterećenje ove strukture. Što je hromatin interfaznog jezgra difuzniji, to su sintetski procesi u njemu veći. Tokom sinteze RNK, struktura hromatina se menja. Smanjenje sinteze DNK i RNK u stanicama obično je praćeno povećanjem zona kondenziranog kromatina.

Hromatin se maksimalno kondenzira tokom mitotičke diobe ćelije, kada se nalazi u obliku tijela – hromozoma. Tokom ovog perioda, hromozomi ne nose nikakva sintetička opterećenja, ne uključuju prekursore DNK i RNK.

Na osnovu ovoga može se pretpostaviti da hromozomi ćelija mogu biti u dva strukturna i funkcionalna stanja: u radnom, delimično ili potpuno dekondenzovanom, kada učestvuju u interfaznom jezgru, nastaju procesi transkripcije i reduplikacije, iu neaktivnom. stanju, u stanju metaboličkog mirovanja pri maksimalnoj njihovoj kondenzaciji kada obavljaju funkciju distribucije i prenošenja genetskog materijala u ćelije kćeri.

Euhromatin i heterohromatin

Stepen strukturiranja, kondenzacije hromatina u interfaznim jezgrima može se izraziti u različitim stepenima. Dakle, u ćelijama koje se intenzivno dijele iu malim specijaliziranim stanicama, jezgra imaju difuznu strukturu, u njima, pored uskog perifernog ruba kondenzovanog hromatina, postoji mali broj malih hromocentra, dok je glavni dio jezgra zauzet. difuznim, dekondenziranim hromatinom. Istovremeno, u visoko specijalizovanim ćelijama ili u ćelijama koje završavaju svoj životni ciklus, hromatin je predstavljen u obliku masivnog perifernog sloja i velikih hromocentra, blokova kondenzovanog hromatina. Što je veća frakcija kondenzovanog hromatina u jezgri, to je niža metabolička aktivnost jezgra. Sa prirodnom ili eksperimentalnom inaktivacijom jezgara dolazi do progresivne kondenzacije hromatina i, obrnuto, sa aktivacijom jezgara, udio difuznog hromatina se povećava.

Međutim, tokom metaboličke aktivacije, ne mogu se sva područja kondenzovanog hromatina transformisati u difuzni oblik. Još ranih 1930-ih, E. Geitz je primijetio da u interfaznim jezgrama postoje konstantna područja kondenzovanog hromatina, čije prisustvo ne zavisi od stepena diferencijacije tkiva ili od funkcionalne aktivnosti ćelija. Takva područja se nazivaju heterohromatin, za razliku od ostatka hromatinske mase - euhromatina (sami kromatin). Prema ovim konceptima, heterohromatin su kompaktni dijelovi hromozoma, koji se u profazi pojavljuju ranije od ostalih dijelova u sastavu mitotičkih kromosoma i ne dekondenzuju se u telofazi, prelazeći u interfazno jezgro u obliku intenzivno obojenih gustih struktura (hromocentra). Centromerni i telomerni regioni hromozoma najčešće su konstantno kondenzovane zone. Osim njih, neka područja koja su dio krakova hromozoma mogu se stalno zgušnjavati - interkalarni, ili interkalarni, heterohromatin, koji je takođe predstavljen u jezgrama u obliku hromocentara. Takvi konstantno kondenzirani dijelovi hromozoma u interfaznim jezgrama danas se obično nazivaju konstitutivnim (trajnim) heterohromatinom. Treba napomenuti da regije konstitutivnog heterohromatina imaju niz karakteristika koje ga razlikuju od ostatka hromatina. Konstitutivni heterohromatin je genetski neaktivan; nije transkribovan, replicira se kasnije od ostatka hromatina, uključuje posebnu (satelitsku) DNK obogaćenu visoko repetitivnim nukleotidnim sekvencama, lokalizovan je u centromernim, telomernim i interkalarnim zonama mitotičkih hromozoma. Udio konstitutivnog hromatina može se razlikovati od objekta do objekta. Funkcionalni značaj konstitutivnog heterohromatina nije u potpunosti shvaćen. Pretpostavlja se da ima niz važnih funkcija povezanih sa parenjem homologa u mejozi, sa strukturiranjem interfaznog jezgra, sa nekim regulatornim funkcijama.

Ostatak, glavnina nuklearnog hromatina, može mijenjati stupanj svoje zbijenosti ovisno o funkcionalnoj aktivnosti, pripada euhromatinu. Eukromatska neaktivna područja koja su u kondenzovanom stanju su se nazvala fakultativnim heterohromatinom, naglašavajući opcionu prirodu takvog stanja.

U diferenciranim ćelijama samo oko 10% gena je u aktivnom stanju, ostali geni su inaktivirani i deo su kondenzovanog hromatina (fakultativni heterohromatin). Ova okolnost objašnjava zašto je većina nuklearnog hromatina strukturirana.

Chromatin DNK

U preparatu hromatina DNK obično čini 30-40%. Ova DNK je dvolančana spiralna molekula slična čistoj izoliranoj DNK u vodenim otopinama. DNK hromatina ima molekularnu težinu od 7-9106. U sastavu hromozoma, dužina pojedinačnih linearnih (za razliku od prokariotskih hromozoma) DNK molekula može doseći stotine mikrometara, pa čak i nekoliko centimetara. Ukupna količina DNK koja ulazi u nuklearne strukture ćelija, genom organizama, fluktuira.

DNK eukariotskih ćelija je heterogena po sastavu, sadrži nekoliko klasa nukleotidnih sekvenci: često ponavljane sekvence (> 106 puta) uključene u satelitsku DNK frakciju i nisu transkribovane; frakcija umjereno ponavljajućih sekvenci (102-105) koje predstavljaju blokove pravih gena, kao i kratke sekvence rasute po genomu; dio jedinstvenih sekvenci koje nose informacije za većinu proteina u ćeliji. Sve ove klase nukleotida su povezane u jednu džinovsku kovalentnu DNK lancu.

Glavni proteini hromatina - histoni

U ćelijskom jezgru vodeću ulogu u organiziranju rasporeda DNK, u njenom zbijanju i regulaciji funkcionalnog opterećenja imaju nuklearni proteini. Proteini u hromatinu su veoma raznovrsni, ali se mogu podeliti u dve grupe: histoni i nehistonski proteini. Histoni čine do 80% svih proteina hromatina. Njihova interakcija sa DNK odvija se preko solnih ili jonskih veza i nespecifična je u odnosu na sastav ili sekvence nukleotida u molekulu DNK. Eukariotska ćelija sadrži samo 5-7 tipova histonskih molekula. Za razliku od histona, takozvani nehistonski proteini većinom su u specifičnoj interakciji sa određenim sekvencama molekula DNK, raznolikost tipova proteina uključenih u ovu grupu je veoma velika (nekoliko stotina), a raznovrsnost funkcija koje obavljaju je super.

Histoni - proteini koji su karakteristični samo za hromatin - imaju niz posebnih kvaliteta. To su bazični ili alkalni proteini, čija svojstva su određena relativno visokim sadržajem esencijalnih aminokiselina kao što su lizin i arginin. Pozitivni naboji na amino grupama lizina i arginina određuju sol ili elektrostatičku vezu ovih proteina s negativnim nabojima na fosfatnim grupama DNK.

Histoni su proteini relativno male molekularne težine. Klase histona se međusobno razlikuju po sadržaju različitih esencijalnih aminokiselina. Za histone svih klasa karakteristična je distribucija klastera glavnih aminokiselina - lizina i arginina, na N- i C-krajovima molekula. Srednji regioni molekula histona formiraju nekoliko (3-4) b-helikalnih regiona, koji su zbijeni u globularnu strukturu pod izotoničnim uslovima. Ne-helikalni krajevi proteinskih molekula histona, bogati pozitivnim nabojem, ostvaruju svoju vezu jedni s drugima i sa DNK.

U toku života ćelija može doći do posttranslacionih promena (modifikacija) histona: acetilacija i metilacija nekih lizinskih ostataka, što dovodi do gubitka broja pozitivnih naboja, i fosforilacija serinskih ostataka, što dovodi do pojave negativni naboj. Acetilacija i fosforilacija histona može biti reverzibilna. Ove modifikacije značajno mijenjaju svojstva histona, njihovu sposobnost da se vežu za DNK.

Histoni se sintetišu u citoplazmi, transportuju u jezgro i vezuju se za DNK tokom njene replikacije u S-periodu, tj. Sinteze histona i DNK su sinhronizovane. Kada stanica prestane sintetizirati DNK, histonske glasničke RNA se raspadaju za nekoliko minuta i sinteza histona prestaje. Histoni ugrađeni u hromatin su vrlo stabilni i imaju nisku stopu zamjene.

Funkcije histonskih proteina

1. Kvantitativno i kvalitativno stanje histona utiče na stepen kompaktnosti i aktivnosti hromatina.

2. Strukturno - zbijanje - uloga histona u organizaciji hromatina.

Da bi se po dužini hromozoma, koji ima veličinu od samo nekoliko mikrometara, položili ogromni centimetarski molekuli DNK, molekul DNK mora biti uvijen, zbijen sa gustinom pakovanja jednakom 1:10 000. U procesu zbijanja DNK, postoji nekoliko nivoa pakovanja, od kojih je prvi direktno određen interakcijom histona sa DNK

Gotovo sav DNK ćelije sadržan je u jezgru. DNK je dugačak linearni polimer koji sadrži mnogo miliona nukleotida. Četiri tipa DNK nukleotida se razlikuju azotne baze. Nukleotidi su raspoređeni u nizu koji je kodni oblik za snimanje nasljednih informacija.
Za implementaciju ove informacije, ona se prepisuje ili transkribuje u kraće m-RNA lance. Simboli genetskog koda u i-RNA su tripleti nukleotida - kodoni... Svaki kodon predstavlja jednu od aminokiselina. Svaki molekul DNK odgovara zasebnom hromozomu, a sve genetske informacije pohranjene u hromozomima organizma nazivaju se genom.
Genom viših organizama sadrži višak DNK, što nije povezano sa složenošću organizma. Poznato je da ljudski genom sadrži 700 puta više DNK od bakterije E. coli. Istovremeno, genom nekih vodozemaca i biljaka je 30 puta veći od ljudskog genoma. Kod kičmenjaka više od 90% DNK nije neophodno. Informacije pohranjene u DNK organiziraju se, čitaju i repliciraju raznim proteinima.
Glavni strukturni proteini jezgra su proteini-histoni karakterističan samo za eukariotske ćelije. Histoni- mali jako bazični proteini. Ovo svojstvo je zbog činjenice da su obogaćeni osnovnim aminokiselinama - lizinom i argininom. Histone također karakterizira odsustvo triptofana. Oni su među najkonzervativnijim od svih poznatih proteina, na primjer, H4 u kravi i grašku razlikuju se samo po dva aminokiselinska ostatka. Kompleks proteina sa DNK u jezgri ćelija eukariota naziva se hromatin.
Kada se ćelije posmatraju svetlosnim mikroskopom, hromatin se detektuje u jezgrima kao zone guste materije, dobro obojene osnovnim bojama. Detaljno proučavanje strukture hromatina počelo je 1974. godine, kada su supružnici Ada i Donald Olins opisali njegovu osnovnu strukturnu jedinicu, nazvanu nukleosom.
Nukleozomi omogućavaju kompaktnije savijanje dugog lanca molekula DNK. Dakle, u svakom ljudskom hromozomu, dužina lanca DNK je hiljadama puta veća od veličine jezgra. Na elektronskim fotografijama nukleosom izgleda kao diskoidna čestica prečnika oko 11 nm. Njegovo jezgro je kompleks od osam histonskih molekula, u kojem su četiri histona H2A, H2B, H3 i H4 predstavljena sa po dva molekula. Ovi histoni formiraju unutrašnji dio nukleozoma - histonsko jezgro. Molekul DNK koji sadrži 146 parova baza je namotan na jezgro histona. Formira dva nekompletna zavoja oko histonskog jezgra nukleosoma; ima 83 para nukleotida po zavoju. Svaki nukleosom je odvojen od sljedećeg linker DNK sekvencom, koja može imati do 80 nukleotida dužine. Ova struktura podsjeća na niz perli.
Proračun pokazuje da ljudska DNK koja ima 6x10 9 parova nukleotida treba da sadrži 3x10 7 nukleozoma. U živim ćelijama hromatin retko ima ovakav izgled. Nukleosomi su međusobno povezani u još kompaktnije strukture. Većina hromatina je u obliku fibrila prečnika 30 nm. Ovo pakovanje se vrši pomoću drugog histona H1. Postoji jedna molekula H1 po nukleosomu, koja spaja linker mjesto na mjestima gdje DNK ulazi i napušta histonsko jezgro.
DNK pakovanje značajno smanjuje njegovu dužinu. Ipak, prosječna dužina kromatinskog filamenta jednog hromozoma u ovoj fazi trebala bi premašiti veličinu jezgra za faktor 100.
Struktura hromatina višeg reda je niz petlji, od kojih svaka sadrži oko 20 do 100 hiljada parova baza. U bazi petlje nalazi se DNK-vezujući protein specifičan za mjesto. Takvi proteini prepoznaju određene nukleotidne sekvence (mjesta) dva razmaknuta regiona hromatinskog filamenta i zbližavaju ih.

tekstualna_polja

arrow_upward

Jedro je centralni element ćelije. Njegovo hirurško uklanjanje dekoordinira funkcije citoplazme. Nukleus igra glavnu ulogu u prijenosu nasljednih osobina i sintezi proteina. Prijenos genetske informacije iz jedne ćelije u drugu osigurava deoksiribonukleinska kiselina (DNK) sadržana u hromozomima. Duplikacija DNK prethodi diobi ćelije. Masa jezgra u ćelijama različitih tkiva je različita i iznosi, na primjer, 10-18% mase hepatocita, 60% - u limfoidnim ćelijama. U interfazi (intermitotski period) jezgro predstavljaju četiri elementa: hromatin, nukleola (nukleolus), nukleoplazma i nuklearna membrana.

hromatin

tekstualna_polja

arrow_upward

Zrele ćelije (na primjer, krv) karakteriziraju jezgre bogate gustim, kondenziranim hromatinom, koje leže u grudvicama. U jezgrima somatskih ćelija žena predstavljen je kvržicom hromatina, blizu membrane jezgra: ovo je ženski polni hromatin (ili Barrovo tijelo), koje je kondenzirani X hromozom. Muški polni hromatin predstavljen je u jezgrima muških somatskih ćelija kvržicom koja svijetli kada je obojena fluorohromima. Određivanje spolnog hromatina koristi se, na primjer, za određivanje spola djeteta pomoću ćelija dobivenih iz plodove vode trudnice.

Nucleolus

tekstualna_polja

arrow_upward

Nukleolus je sferična intranuklearna struktura koja nema membranu. Razvija se u svim ćelijama koje karakteriše visoka aktivnost sinteze proteina, što je povezano sa formiranjem citoplazmatskih podjedinica, rRNA, u njoj. Na primjer, nukleoli se nalaze u jezgri ćelija sposobnih za diobu - limfoblasti, mijeloblasti itd.

Jezgra membrane

tekstualna_polja

arrow_upward

Membrana jezgra je predstavljena sa dva lista, među kojima je jaz povezan sa šupljinom endoplazmatskog retikuluma. Membrana ima rupe (nuklearne pore) prečnika do oko 100 nm, kroz koje slobodno prolaze makromolekule (ribonukleaze, RNK). U isto vrijeme, nuklearna membrana i pore podržavaju mikrookruženje jezgre, osiguravajući selektivnu razmjenu različitih tvari između jezgre i citoplazme. U slabo diferenciranoj ćeliji, pore zauzimaju do 10% površine jezgra, ali kako stanica sazrijeva njihova ukupna površina se smanjuje.

Nukleoplazma (nuklearni sok)

tekstualna_polja

arrow_upward

Nukleoplazma (nuklearni sok) je koloidna otopina koja sadrži proteine, koja osigurava razmjenu metabolita i brzo kretanje RNA molekula do nuklearnih pora. Količina nukleoplazme opada sa sazrevanjem ili starenjem ćelije.

Podjela ćelije. Mitoza.

tekstualna_polja

arrow_upward

Mitoza(slika 1.5) zauzima samo dio ćelijskog ciklusa. U ćelijama sisara mitotička faza (M) traje oko sat vremena.

Nakon toga slijedi postmitotična pauza (G1), koju karakteriše visoka aktivnost biosinteze proteina u ćeliji, ostvaruju se procesi transkripcije i translacije. Trajanje pauze je oko 10 sati, ali ovo vrijeme uveliko varira i zavisi od uticaja regulatornih faktora koji stimulišu i inhibiraju deobu ćelija, od snabdevanja istih hranljivim materijama.

Sljedeću fazu ćelijskog ciklusa karakterizira sinteza DNK (replikacija) (faza S) i traje oko 9 sati. Nakon toga slijedi premitotička G2 faza, koja traje oko 4 sata. Dakle, cijeli ćelijski ciklus traje oko 24 sata:

Ćelije također mogu biti u fazi mirovanja - Go, ostajući dugo izvan ćelijskog ciklusa. Na primjer, kod ljudi je do 90% hematopoetskih matičnih stanica u Go fazi, ali se njihov prijelaz iz Go u G1 ubrzava s povećanjem potražnje za krvnim stanicama.

Visoka osetljivost ćelija na faktore koji regulišu njihovu deobu u G1 fazi objašnjava se sintezom na ćelijskim membranama tokom ovog perioda hormonskih receptora, stimulativnih i inhibirajućih faktora. Na primjer, podjela eritroidnih stanica u koštanoj srži u G fazi stimulira hormon eritropoetin. Ovaj proces inhibira inhibitor eritropoeze - supstanca koja smanjuje proizvodnju eritrocita u slučaju smanjenja potrebe tkiva za kiseonikom (poglavlje 6).

Prijenos informacija u jezgro o interakciji membranskih receptora sa stimulatorom diobe stanica uključuje sintezu DNK, one. faza S... Kao rezultat toga, količina DNK u ćeliji se mijenja iz diploidnog, 2N, u tetraploidni, 4N. U G2 fazi sintetiziraju se strukture neophodne za mitozu, posebno proteini mitotičkog vretena.

U fazi M postoji distribucija identičnog genetskog materijala između dvije kćerke ćelije. Sama M faza je podijeljena na četiri perioda: profaza, metafaza, anafaza i telofaza (slika 1.5.).

Profaza karakterizira kondenzacija DNK hromozoma formirajući dvije hromatide, od kojih je svaka jedna od dva identična DNK molekula. Nukleola i nuklearni omotač nestaju. Centriole, predstavljene tankim mikrotubulama, divergiraju na dva pola ćelije, formirajući mitotičko vreteno.

U metafazu hromozomi se nalaze u centru ćelije, formirajući metafaznu ploču. U ovoj fazi, morfologija svakog hromozoma je najrazličitija, što se u praksi koristi za proučavanje hromozomskog seta ćelije.

Anafaza karakterizirano kretanjem hromatida, "razdvojenih" vlaknima mitotičkog vretena na suprotne polove ćelije.

Telofaza karakterizirana formiranjem nuklearne membrane oko ćerki seta hromozoma. Poznavanje karakteristika ćelijskog ciklusa se koristi u praksi, na primer, u stvaranju citostatičkih supstanci za lečenje leukemije. Dakle, svojstvo vinkristina da bude otrov za mitotičko vreteno koristi se za zaustavljanje mitoze leukemijskih ćelija.

Diferencijacija ćelija

tekstualna_polja

arrow_upward

Diferencijacija stanica je stjecanje specijaliziranih funkcija od strane stanice povezane s pojavom struktura koje osiguravaju obavljanje ovih funkcija (na primjer, sinteza i akumulacija hemoglobina u eritrocitima karakterizira njihovu diferencijaciju u eritrocite). Diferencijacija je povezana s genetski programiranom inhibicijom (represijom) funkcija nekih dijelova genoma i aktivacijom drugih.