Interfaasilise tuuma üldised omadused

Tuum on raku kõige olulisem komponent, mida leidub peaaegu kõigis hulkrakseliste organismide rakkudes. Enamikul rakkudel on üks tuum, kuid on kahe- ja mitmetuumalisi rakke (näiteks vöötlihaskiud). Kahe- ja multinukleatsioon on tingitud rakkude funktsionaalsetest omadustest või patoloogilisest seisundist. Tuuma kuju ja suurus on väga muutlikud ning sõltuvad organismi tüübist, tüübist, vanusest ja raku funktsionaalsest seisundist. Keskmiselt moodustab tuuma maht ligikaudu 10% raku kogumahust. Kõige sagedamini on tuum ümmargune või ovaalne, läbimõõduga 3 kuni 10 mikronit. Tuuma minimaalne suurus on 1 mikron (mõnedel algloomadel), maksimaalne 1 mm (mõnede kalade ja kahepaiksete mari). Mõnel juhul on tuuma kuju sõltuvus raku kujust. Tuum hõivab tavaliselt keskse positsiooni, kuid diferentseerunud rakkudes võib see nihkuda raku perifeersesse ossa. Peaaegu kogu eukarüootse raku DNA on koondunud tuuma.

Kerneli peamised funktsioonid on järgmised:

1) geneetilise teabe säilitamine ja edastamine;

2) Valkude sünteesi, ainevahetuse ja energia reguleerimine rakus.

Seega ei ole tuum ainult geneetilise materjali mahuti, vaid ka koht, kus see materjal toimib ja paljuneb. Seetõttu põhjustab nende funktsioonide häirimine rakusurma. Kõik see viitab tuumastruktuuride juhtivale rollile nukleiinhapete ja valkude sünteesis.

BLAKING

Tuum. Kromatiin, heterokromatiin, eukromatiin.

Tuum (lat.nucleus) on üks eukarüootse raku struktuurikomponente, mis sisaldab geneetilist informatsiooni (DNA molekulid), mis täidab põhifunktsioone: päriliku informatsiooni talletamine, edastamine ja juurutamine koos valgusünteesi tagamisega. Tuum koosneb kromatiinist, tuumast, karüoplasmast (või nukleoplasmast) ja tuumaümbrisest. Raku tuumas toimub replikatsioon (või reduplikatsioon) - DNA molekulide kahekordistumine, samuti transkriptsioon - RNA molekulide süntees DNA molekulil. Tuumas sünteesitud RNA molekule muudetakse, misjärel nad sisenevad tsütoplasmasse. Mõlema ribosoomi subühiku moodustumine toimub raku tuuma spetsiaalsetes moodustistes - tuumades. Seega ei ole raku tuum ainult geneetilise informatsiooni hoidla, vaid ka koht, kus see materjal toimib ja paljuneb.

Mittejaguneva interfaasilise raku tuum on tavaliselt üks raku kohta (kuigi leidub ka mitmetuumalisi rakke). Tuum koosneb kromatiinist, tuumast, karüoplasmast (nukleoplasmast) ja seda tsütoplasmast eraldavast tuumaümbrisest (joon. 17).

Kromatiin

Tuuma sees elavate või fikseeritud rakkude vaatlemisel tuvastatakse tiheda aine tsoonid, mida tajuvad hästi erinevad värvained, eriti põhilised. Tänu sellele hästi värvimisvõimele nimetatakse seda tuuma komponenti "kromatiiniks" (kreeka keelest chroma - värv, värv). Kromatiin sisaldab DNA-d valguga kompleksis. Kromosoomidel, mis on mitootilise rakkude jagunemise ajal selgelt nähtavad, on samad omadused. Mittejagunevates (interfaasilistes) rakkudes võib valgusmikroskoobis tuvastatud kromatiin täita tuuma ruumala enam-vähem ühtlaselt või paikneda eraldi tükkidena.

Interfaaside tuumade kromatiin on kromosoom, mis aga kaotab sel ajal oma kompaktse vormi, lahti, dekondenseerub. Sellise kromosoomide kondenseerumise aste võib olla erinev. Morfoloogid nimetavad oma alade täieliku dekondensatsiooni tsoone eukromatiiniks. Kromosoomide mittetäieliku lõdvenemisega faasidevahelises tuumas on näha kondenseerunud kromatiini alasid, mida mõnikord nimetatakse heterokromatiiniks. Kromosomaalse materjali - kromatiini dekondensatsiooni aste interfaasis võib peegeldada selle struktuuri funktsionaalset koormust. Mida rohkem "hajutatud" kromatiini on interfaaside tuumas jaotunud (st mida rohkem eukromatiini), seda intensiivsemad on selles sünteetilised protsessid.

Kromatiin kondenseerub maksimaalselt mitootilise rakkude jagunemise ajal, kui seda leidub tihedate kromosoomide kujul. Sel perioodil ei täida kromosoomid mingeid sünteetilisi funktsioone ning DNA ja RNA prekursorid ei kuulu nende hulka.

Seega võivad rakkude kromosoomid olla kahes struktuurses ja funktsionaalses olekus: aktiivses, töökorras, osaliselt või täielikult dekondenseerunud, kui nende osalemisel interfaasilises tuumas toimuvad transkriptsiooni- ja reduplikatsiooniprotsessid, ja mitteaktiivses olekus. metaboolse puhkeseisundi maksimaalse kondenseerumisega, kui nad täidavad geneetilise materjali jaotamise ja tütarrakkudesse ülekandmise funktsiooni.

Kromatiin

Eukarüootsete DNA molekulide tohutu pikkus määras geneetilise materjali säilitamiseks, replikatsiooniks ja rakendamiseks spetsiaalsete mehhanismide tekkimise. Kromatiini nimetatakse kromosomaalse DNA molekuliks kombinatsioonis spetsiifiliste valkudega, mis on nende protsesside läbiviimiseks vajalikud. Suurema osa moodustavad "laduvalgud", nn histoonid. Nendest valkudest ehitatakse nukleosoomid – struktuurid, millele on keritud DNA molekulide ahelad. Nukleosoomid on paigutatud üsna korrapäraselt, nii et saadud struktuur sarnaneb helmega. Nukleosoom koosneb nelja tüüpi valkudest: H2A, H2B, H3 ja H4. Üks nukleosoom sisaldab igat tüüpi kahte valku – kokku kaheksa valku. Histoon H1, mis on suurem kui teised histoonid, seondub DNA-ga seal, kus see nukleosoomi siseneb. Nukleosoomi koos H1-ga nimetatakse kromosoomiks.

Nukleosoomidega DNA ahel moodustab umbes 30 nanomeetri paksuse ebakorrapärase solenoiditaolise struktuuri, nn 30 nm fibrilli. Selle fibrilli edasisel pakkimisel võib olla erinev tihedus. Kui kromatiin on tihedalt pakitud, nimetatakse seda kondenseeritud või heterokromatiin, on see mikroskoobi all selgelt nähtav. Heterokromatiinist leitud DNA ei ole transkribeeritud, tavaliselt on see seisund iseloomulik ebaolulistele või vaikivatele piirkondadele. Interfaasis paikneb heterokromatiin tavaliselt tuuma perifeerias (parietaalne heterokromatiin). Täielik kromosoomide kondenseerumine toimub enne rakkude jagunemist. Kui kromatiin on lõdvalt pakitud, nimetatakse seda eu- ehk interkromatiin... Seda tüüpi kromatiin on mikroskoobi all vaadatuna palju vähem tihe ja seda iseloomustab tavaliselt transkriptsiooni aktiivsus. Kromatiini pakkimistiheduse määravad suuresti histooni modifikatsioonid – atsetüülimine ja fosforüülimine.

Arvatakse, et tuumas eksisteerivad nn funktsionaalsed kromatiini domeenid (ühe domeeni DNA sisaldab ligikaudu 30 tuhat aluspaari), see tähendab, et igal kromosoomipiirkonnal on oma "territoorium". Kahjuks pole kromatiini ruumilise jaotuse küsimust tuumas veel piisavalt uuritud. On teada, et telomeersed (terminaalsed) ja tsentromeersed (vastutavad õdekromatiidide sidumise eest mitoosis) kromosoomipiirkonnad on fikseeritud tuuma kihi valkudele.

2. Kromatiin

Kromatiin on arvukad aluseliste värvainetega värvitud graanulid, millest moodustuvad kromosoomid. Kromosoomid moodustuvad nukleoproteiinide kompleksist, mis sisaldab nukleiinhappeid ja valke. Inimese rakkude tuumades on interfaasis kahte tüüpi kromatiini – hajutatud, nõrga värvusega kromatiin (euchromatiin), mis on moodustunud pikkadest, õhukestest, omavahel põimunud kiududest, metaboolselt väga aktiivne ja kondenseerunud kromatiin (heterokromatiin), mis vastab kromosoomide piirkondadele, mis ei osale metaboolse aktiivsuse kontrollis ... Küpsetele rakkudele (näiteks verele) on iseloomulikud tiheda kondenseerunud kromatiini rikkad tuumad, mis asuvad tükkidena. Naiste somaatiliste rakkude tuumades esindab seda kromatiini tükk, mis asub tuuma membraani lähedal: see on naissoost kromatiin (või Barri väike keha), mis on kondenseerunud X-kromosoom. Meessoost kromatiini esindab meessoost somaatiliste rakkude tuumades tükk, mis helendab fluorokroomidega värvimisel. Sugukromatiini määramist kasutatakse näiteks lapse soo määramiseks raseda looteveest saadud rakkude abil.

Geneetika biokeemilised uuringud on oluline viis selle põhielementide - kromosoomide ja geenide - uurimiseks. Selles artiklis vaatleme, mis on kromatiin, uurime selle struktuuri ja funktsiooni rakus.

Pärilikkus on elusaine peamine omadus

Peamised Maal elavaid organisme iseloomustavad protsessid on hingamine, toitumine, kasv, eritumine ja paljunemine. Viimane funktsioon on elu säilimise seisukohalt meie planeedil kõige olulisem. Kuidas mitte meeles pidada, et esimene Jumala käsk Aadamale ja Eevale oli järgmine: "Olge viljakad ja paljunege." Rakutasandil täidavad generatiivset funktsiooni nukleiinhapped (kromosoomide koostisaine). Neid struktuure käsitleme hiljem.

Lisagem veel, et päriliku teabe säilitamine ja järglastele edastamine toimub ühe mehhanismi järgi, mis ei sõltu üldse indiviidi organiseerituse tasemest, see tähendab viiruse, bakterite ja inimeste jaoks. , see on universaalne.

Mis on pärilikkuse sisu

Käesolevas töös uurime kromatiini, mille struktuur ja funktsioonid sõltuvad otseselt nukleiinhappemolekulide organiseeritusest. Šveitsi teadlane Mischer avastas 1869. aastal immuunsüsteemi rakkude tuumades ühendeid, millel on hapete omadused, mida ta nimetas esmalt nukleiiniks ja seejärel nukleiinhapeteks. Keemia seisukohalt on tegemist suure molekulmassiga ühenditega – polümeeridega. Nende monomeerideks on nukleotiidid, mille struktuur on järgmine: puriin- või pürimidiinalus, pentoos ja jääk.Teadlased on kindlaks teinud, et rakkudes võib esineda kahte liiki ja RNA. Nad astuvad valkudega kompleksi ja moodustavad kromosoomide aine. Sarnaselt valkudele on nukleiinhapetel mitu ruumikorralduse taset.

1953. aastal dešifreerisid DNA struktuuri Nobeli preemia laureaadid Watson ja Crick. See on molekul, mis koosneb kahest ahelast, mis on omavahel ühendatud vesiniksidemetega, mis tekivad lämmastikaluste vahel vastavalt komplementaarsuse põhimõttele (adeniini vastas on tümiinalus, tsütosiini vastas - guaniin). Kromatiin, mille struktuuri ja funktsiooni me uurime, sisaldab erineva konfiguratsiooniga desoksüribonukleiin- ja ribonukleiinhapete molekule. Täpsemalt peatume sellel teemal peatükis “Kromatiini organiseerituse tasemed”.

Pärilikkusaine lokaliseerimine rakus

DNA esineb sellistes tsütostruktuurides nagu tuum, aga ka jagunemisvõimelistes organellides - mitokondrites ja kloroplastides. See on tingitud asjaolust, et need organellid täidavad rakus kõige olulisemaid funktsioone: samuti glükoosi sünteesi ja hapniku moodustumist taimerakkudes. Elutsükli sünteetilises etapis kahekordistuvad vanemorganellid. Seega saavad tütarrakud mitoosi (somaatiliste rakkude jagunemise) või meioosi (munarakkude ja seemnerakkude moodustumine) tulemusena vajaliku rakustruktuuride arsenali, mis varustavad rakke toitainete ja energiaga.

Ribonukleiinhape koosneb ühest ahelast ja selle molekulmass on väiksem kui DNA-l. See sisaldub nii tuumas kui ka hüaloplasmas ning on osa ka paljudest rakulistest organellidest: ribosoomidest, mitokondritest, endoplasmaatilisest retikulumist, plastiididest. Nendes organellides sisalduv kromatiin on seotud histooni valkudega ja on osa plasmiididest – ringikujulistest suletud DNA molekulidest.

Kromatiin ja selle struktuur

Niisiis oleme kindlaks teinud, et nukleiinhapped sisalduvad kromosoomide aines - pärilikkuse struktuuriüksustes. Nende kromatiin elektronmikroskoobi all näeb välja nagu graanulid või niidilaadsed moodustised. See sisaldab lisaks DNA-le ka RNA molekule, aga ka valke, millel on põhilised omadused ja mida nimetatakse histoonideks. Kõik ülaltoodud on nukleosoomid. Neid leidub tuuma kromosoomides ja neid nimetatakse fibrillideks (solenoidfilamentideks). Kõike eelnevat kokku võttes defineerime, mis on kromatiin. See on kompleksühend ja spetsiaalsed valgud – histoonid. Kaheahelalised DNA molekulid keritakse neile, nagu mähistele, moodustades nukleosoomid.

Kromatiini organisatsiooni tasemed

Pärilikkuse ainel on erinev struktuur, mis sõltub paljudest teguritest. Näiteks millisel elutsükli etapil rakk läbib: jagunemise periood (meioos või meioos), interfaasi presünteetiline või sünteetiline periood. Solenoidi või fibrilli kui lihtsaima vormi kujul toimub kromatiini edasine tihenemine. Heterokromatiin on tihedam olek; see moodustub kromosoomi intronipiirkondades, kus transkriptsioon on võimatu. Raku puhkeperioodil - interfaasis, mil jagunemisprotsess puudub - paikneb heterokromatiin tuuma karüoplasmas piki perifeeriat, selle membraani lähedal. Tuuma sisu tihendamine toimub raku elutsükli sünteesijärgses staadiumis, see tähendab vahetult enne jagunemist.

Millest sõltub pärilikkusaine kondenseerumine?

Jätkates küsimuse "mis on kromatiin" uurimist, on teadlased leidnud, et selle tihenemine sõltub histooni valkudest, mis koos DNA ja RNA molekulidega on osa nukleosoomidest. Need koosnevad nelja tüüpi valkudest, mida nimetatakse tuuma- ja linkervalkudeks. Transkriptsiooni ajal (geenidest informatsiooni lugemine RNA abil) on pärilikkusaine nõrgalt kondenseerunud ja seda nimetatakse eukromatiiniks.

Praegu jätkatakse histooni valkudega seotud DNA molekulide jaotumise tunnuste uurimist. Näiteks on teadlased leidnud, et sama kromosoomi erinevate lookuste kromatiin erineb kondensatsioonitaseme poolest. Näiteks jaotusspindli filamentide kromosoomile kinnituskohtades, mida nimetatakse tsentromeerideks, on see tihedam kui telomeersetes piirkondades - terminaalsetes lookustes.

Reguleerivad geenid ja kromatiini koostis

Prantsuse geneetikute Jacobi ja Monodi loodud geenide aktiivsuse reguleerimise kontseptsioon annab aimu desoksüribonukleiinhappepiirkondade olemasolust, kus puudub teave valkude struktuuride kohta. Nad täidavad puhtalt bürokraatlikke - juhtimisfunktsioone. Neid kromosoomiosasid nimetatakse regulaatorgeenideks ja nende struktuuris puuduvad reeglina histooni valgud. Kromatiini, mille määramine viidi läbi sekveneerimise teel, nimetati avatud.

Edasise uurimistöö käigus selgus, et neis lookustes paiknevad nukleotiidjärjestused, mis takistavad valguosakeste kinnitumist DNA molekulidele. Sellised saidid sisaldavad reguleerivaid geene: promootoreid, võimendajaid, aktivaatoreid. Kromatiini tihendamine neis on kõrge ja nende piirkondade pikkus on keskmiselt umbes 300 nm. Eraldatud tuumades on avatud kromatiini definitsioon, milles kasutatakse ensüümi DNaasi. See lõikab väga kiiresti kromosoomi lookused, millel puuduvad histooni valgud. Nendes piirkondades on kromatiini nimetatud ülitundlikuks.

Pärilikkuse substantsi roll

Kompleksid, sealhulgas DNA, RNA ja valk, mida nimetatakse kromatiiniks, osalevad rakkude ontogeneesis ja muudavad nende koostist sõltuvalt koe tüübist, aga ka organismi kui terviku arenguastmest. Näiteks naha epiteelirakkudes blokeerivad sellised geenid nagu enhanser ja promootor repressorvalkude poolt ning sooleepiteeli sekretoorsetes rakkudes on aktiivsed samad reguleerivad geenid, mis paiknevad avatud kromatiini tsoonis. Geeniteadlased on leidnud, et DNA, mis ei kodeeri valke, moodustab enam kui 95% kogu inimese genoomist. See tähendab, et kontrollgeene on palju rohkem kui neid, mis vastutavad peptiidide sünteesi eest. Meetodite, nagu DNA kiibid ja sekveneerimine, kasutuselevõtt võimaldas välja selgitada, mis on kromatiin, ning selle tulemusena läbi viia inimese genoomi kaardistamise.

Kromatiiniuuringud on väga olulised sellistes teadusharudes nagu inimese geneetika ja meditsiinigeneetika. Selle põhjuseks on nii geneetiliste kui ka kromosomaalsete pärilike haiguste esinemissageduse järsult suurenenud tase. Nende sündroomide varajane avastamine suurendab nende ravi positiivse prognoosi protsenti.

Karüoplasma

Karüoplasma (tuumamahl, nukleoplasma) on tuuma peamine sisekeskkond, see hõivab kogu ruumi tuuma, kromatiini, membraanide, igasuguste lisandite ja muude struktuuride vahel. Karüoplasma elektronmikroskoobi all näeb välja homogeense või peeneteralise massina, millel on madal elektrontihedus. See sisaldab suspendeeritud olekus ribosoome, mikrokehi, globuliine ja mitmesuguseid ainevahetusprodukte.

Tuumamahla viskoossus on ligikaudu sama, mis tsütoplasma põhiaine viskoossus. Tuumamahla happesus, mis on määratud indikaatorite tuumasse mikrosüstimisega, osutus veidi kõrgemaks kui tsütoplasmas.

Lisaks sisaldab tuumamahl ensüüme, mis osalevad tuumas ja ribosoomides nukleiinhapete sünteesis. Tuumamahla ei värvita põhiliste värvainetega, seetõttu nimetatakse seda akromatiini aineks ehk karüolümfiks, erinevalt määrduda võivatest piirkondadest - kromatiiniks.

Kromatiin

Tuumade põhikomponent - kromatiin, on struktuur, mis täidab raku geneetilist funktsiooni, praktiliselt kogu geneetiline informatsioon on põimitud kromatiini DNA-sse.

Eukarüootsed kromosoomid näevad välja nagu teravalt piiritletud struktuurid ainult vahetult enne mitoosi – tuumade jagunemisprotsessi somaatilistes rakkudes – ja selle ajal. Puhkavates, mittejagunevates eukarüootsetes rakkudes näeb kromosomaalne materjal, mida nimetatakse kromatiiniks, ebamäärane ja näib olevat kogu tuumas juhuslikult jaotunud. Kui aga rakk valmistub jagunema, siis kromatiin pakseneb ja koondub talle iseloomulikuks arvuks selgelt eristatavateks kromosoomideks.

Kromatiin eraldati tuumadest ja analüüsiti. See koosneb väga peentest kiududest. Kromatiini põhikomponendid on DNA ja valgud, mille hulgas on põhiosa histoonid ja mittehistoonilised valgud.Keskmiselt on kromatiinist umbes 40% DNA ja umbes 60% valgud, millest 40 moodustavad spetsiifilised tuumavalgud-histoonid. kuni 80% kõigist valkudest, mis moodustavad eraldatud kromatiini. Lisaks sisaldavad kromatiini fraktsioonid membraanikomponente, RNA-d, süsivesikuid, lipiide, glükoproteiine.

Kromatiinkiud kromosoomis on volditud ja moodustavad palju sõlmi ja silmuseid. Kromatiinis sisalduv DNA on väga tihedalt seotud valkudega, mida nimetatakse histoonideks, mille ülesanne on DNA pakkimine ja korrastamine struktuuriüksusteks – nukleosoomideks. Kromatiin sisaldab ka mitmeid mittehistoonvalke. Erinevalt eukarüootsetest kromosoomidest ei sisalda bakterikromosoomid histoone; need sisaldavad vaid väikeses koguses valke, mis aitavad kaasa silmuste moodustumisele ja DNA kondenseerumisele (tihendamisele).

Vaadeldes paljusid elusrakke, eriti taimerakke, või rakke pärast tuuma sees fikseerimist ja värvimist, ilmnevad tiheda aine tsoonid, mis on hästi värvitud erinevate värvainetega, eriti põhivärvidega. Kromatiini võime tajuda aluselisi (leeliselisi) värvaineid näitab selle happelisi omadusi, mille määrab asjaolu, et kromatiin sisaldab DNA-d kompleksis valkudega. Kromosoomidel on samad värvimisomadused ja DNA sisaldus, mida võib täheldada raku mitootilise jagunemise ajal.

Erinevalt prokarüootsetest rakkudest võib DNA-d sisaldav eukarüootne kromatiini materjal eksisteerida kahes alternatiivses olekus: dekondenseerunud interfaasis ja maksimaalselt tihendatud mitoosi ajal mitootiliste kromosoomide osana.

Mittejagunevates (interfaasilistes) rakkudes võib kromatiin ühtlaselt täita tuuma ruumala või paikneda eraldi trombides (kromotsentrites). Sageli on see eriti selgelt leitud tuuma perifeeriast (parietaalne, marginaalne, permembraanne kromatiin) või moodustab üsna jämedate (umbes 0,3 μm) ja pikkade nööride põimumise tuuma sees oleva tuumasisese võrgu kujul.

Interfaaside tuumade kromatiin on DNA-d kandvad kehad (kromosoomid), mis sel ajal kaotavad oma kompaktse vormi, lõdvenevad, kondenseeruvad. Sellise kromosoomide kondenseerumise aste võib erinevate rakkude tuumades olla erinev. Kui kromosoom või selle osa on täielikult dekondenseerunud, nimetatakse neid tsoone difuusseks kromatiiniks. Kromosoomide mittetäieliku lõdvenemisega faasidevahelises tuumas on näha kondenseerunud kromatiini (mõnikord nimetatakse seda heterokromatiiniks) alad. Paljud tööd on näidanud, et kromosomaalse materjali kromatiini dekondensatsiooniaste interfaasis võib peegeldada selle struktuuri funktsionaalset koormust. Mida hajusam on faasidevahelise tuuma kromatiin, seda kõrgemad on sünteetilised protsessid selles. RNA sünteesi käigus muutub kromatiini struktuur. DNA ja RNA sünteesi vähenemisega rakkudes kaasneb tavaliselt kondenseerunud kromatiini tsoonide suurenemine.

Kromatiin kondenseerub maksimaalselt mitootilise rakkude jagunemise käigus, kui seda leidub kehade – kromosoomide kujul. Sel perioodil ei kanna kromosoomid sünteetilisi koormusi, nende hulka ei kuulu DNA ja RNA eelkäijad.

Selle põhjal võib oletada, et rakkude kromosoomid võivad olla kahes struktuurses ja funktsionaalses olekus: töökorras, osaliselt või täielikult dekondenseerunud, interfaasilises tuumas osaledes toimuvad transkriptsiooni- ja reduplikatsiooniprotsessid ning mitteaktiivses. metaboolse puhkeolekus maksimaalselt kondenseeruvad, kui nad täidavad geneetilise materjali jaotamise ja tütarrakkudesse ülekandmise funktsiooni.

Eukromatiin ja heterokromatiin

Kromatiini struktureerimise astet, kondenseerumist faasidevahelistes tuumades saab väljendada erineval määral. Niisiis on intensiivselt jagunevates ja vähe spetsialiseerunud rakkudes tuumadel hajus struktuur, neis on lisaks kondenseerunud kromatiini kitsale perifeersele äärele ka väike arv väikeseid kromotsentreid, samas kui tuuma põhiosa on hõivatud. hajutatud, dekondenseeritud kromatiini abil. Samal ajal on väga spetsialiseerunud rakkudes või rakkudes, mis lõpetavad oma elutsükli, kromatiin massiivse perifeerse kihi ja suurte kromotsentrite, kondenseerunud kromatiini plokkide kujul. Mida suurem on kondenseerunud kromatiini fraktsioon tuumas, seda madalam on tuuma metaboolne aktiivsus. Tuumade loomuliku või eksperimentaalse inaktiveerimisega toimub kromatiini progresseeruv kondenseerumine ja vastupidi, tuumade aktiveerimisel suureneb hajutatud kromatiini osakaal.

Kuid metaboolse aktiveerimise ajal ei saa kõik kondenseerunud kromatiini piirkonnad muutuda hajusaks vormiks. Veel 1930. aastate alguses märkas E. Geitz, et faasidevahelistes tuumades on püsivad kondenseerunud kromatiini alad, mille olemasolu ei sõltu kudede diferentseerumisastmest ega rakkude funktsionaalsest aktiivsusest. Selliseid piirkondi nimetatakse heterokromatiiniks, erinevalt ülejäänud kromatiini massist - eukromatiinist (kromatiinist endast). Nende kontseptsioonide kohaselt on heterokromatiin kompaktsed kromosoomilõigud, mis profaasis ilmuvad mitootiliste kromosoomide koostises varem kui teised osad ega dekondenseeru telofaasis, minnes intensiivselt värviliste tihedate struktuuride (kromotsentrite) kujul faasidevahelisse tuuma. Kromosoomide tsentromeersed ja telomeersed piirkonnad on enamasti pidevalt kondenseerunud tsoonid. Lisaks neile võivad pidevalt kondenseeruda mõned kromosoomide harudesse kuuluvad piirkonnad - interkalaarne või interkalaarne heterokromatiin, mis on tuumades ka kromotsentrite kujul. Selliseid kromosoomide pidevalt kondenseerunud piirkondi faasidevahelistes tuumades nimetatakse tänapäeval tavaliselt konstitutiivseks (püsivaks) heterokromatiiniks. Tuleb märkida, et konstitutiivse heterokromatiini piirkondadel on mitmeid tunnuseid, mis eristavad seda ülejäänud kromatiinist. Konstitutiivne heterokromatiin on geneetiliselt inaktiivne; seda ei transkribeerita, see replitseerub hiljem kui ülejäänud kromatiin, see sisaldab spetsiaalset (satelliit) DNA-d, mis on rikastatud väga korduvate nukleotiidjärjestustega, see paikneb mitootiliste kromosoomide tsentromeersetes, telomeersetes ja interkalaarsetes tsoonides. Konstitutiivse kromatiini osakaal võib objektide lõikes erineda. Konstitutiivse heterokromatiini funktsionaalset tähtsust ei mõisteta täielikult. Eeldatakse, et sellel on mitmeid olulisi funktsioone, mis on seotud homoloogide paaritumisega meioosis, faasidevahelise tuuma struktureerimisega ja mõnede reguleerivate funktsioonidega.

Ülejäänud, suurem osa tuumakromatiinist, võib sõltuvalt funktsionaalsest aktiivsusest muuta selle tihenemise astet; see kuulub eukromatiini. Eukromaatilised mitteaktiivsed alad, mis on kondenseerunud olekus, on hakatud nimetama fakultatiivseks heterokromatiiniks, rõhutades sellise oleku valikulist olemust.

Diferentseerunud rakkudes on ainult umbes 10% geenidest aktiivses olekus, ülejäänud geenid on inaktiveeritud ja on osa kondenseerunud kromatiinist (fakultatiivne heterokromatiin). See asjaolu selgitab, miks suurem osa tuumakromatiinist on struktureeritud.

Kromatiini DNA

Kromatiini preparaadis moodustab DNA tavaliselt 30-40%. See DNA on kaheahelaline spiraalne molekul, mis sarnaneb puhta eraldatud DNA-ga vesilahustes. Kromatiini DNA molekulmass on 7-9106. Kromosoomide koostises võib üksikute lineaarsete (erinevalt prokarüootsetest kromosoomidest) DNA molekulide pikkus ulatuda sadade mikromeetriteni ja isegi mitme sentimeetrini. Rakkude tuumastruktuuridesse, organismide genoomi siseneva DNA koguhulk kõigub.

Eukarüootsete rakkude DNA on koostiselt heterogeenne, sisaldab mitut klassi nukleotiidjärjestusi: sageli korduvad järjestused (> 106 korda), mis sisalduvad satelliit-DNA fraktsioonis ja ei ole transkribeeritud; mõõdukalt korduvate järjestuste fraktsioon (102-105), mis esindavad tõeliste geenide plokke, samuti lühikesi järjestusi, mis on hajutatud kogu genoomis; unikaalsete järjestuste osa, mis kannab teavet enamiku raku valkude kohta. Kõik need nukleotiidide klassid on seotud üheks hiiglaslikuks kovalentseks DNA ahelaks.

Kromatiini peamised valgud - histoonid

Raku tuumas on juhtiv roll DNA paigutuse korraldamisel, selle tihendamisel ja funktsionaalsete koormuste reguleerimisel tuumavalkudel. Kromatiini valgud on väga mitmekesised, kuid need võib jagada kahte rühma: histoonid ja mittehistooni valgud. Histoonid moodustavad kuni 80% kõigist kromatiini valkudest. Nende interaktsioon DNA-ga toimub soolade või ioonsete sidemete kaudu ja on DNA molekuli nukleotiidide koostise või järjestuste suhtes mittespetsiifiline. Eukarüootne rakk sisaldab ainult 5-7 tüüpi histooni molekule. Erinevalt histoonidest interakteeruvad niinimetatud mittehistoonilised valgud enamasti spetsiifiliselt teatud DNA molekulide järjestustega, sellesse rühma kuuluvate valkude tüüpide valik on väga suur (mitusada) ja nende poolt täidetavate funktsioonide mitmekesisus on suurepärane.

Histoonidel – valkudel, mis on iseloomulikud ainult kromatiinile – on mitmeid erilisi omadusi. Need on aluselised või aluselised valgud, mille omadused määrab selliste asendamatute aminohapete nagu lüsiin ja arginiin suhteliselt kõrge sisaldus. Just lüsiini ja arginiini aminorühmade positiivsed laengud määravad nende valkude soola või elektrostaatilise sideme DNA fosfaatrühmade negatiivsete laengutega.

Histoonid on suhteliselt väikese molekulmassiga valgud. Histooni klassid erinevad üksteisest erinevate asendamatute aminohapete sisalduse poolest. Kõigi klasside histoonidele on iseloomulik peamiste aminohapete - lüsiini ja arginiini - klastrite jaotus molekulide N- ja C-otstes. Histooni molekulide keskmised piirkonnad moodustavad mitu (3-4) b-spiraalset piirkonda, mis isotoonilistes tingimustes tihendatakse kerakujuliseks struktuuriks. Positiivsete laengutega rikkad histoonide valgumolekulide mittespiraalsed otsad seovad omavahel ja DNA-ga.

Rakkude eluea jooksul võivad esineda histoonide translatsioonijärgsed muutused (modifikatsioonid): mõnede lüsiinijääkide atsetüülimine ja metüülimine, mis viib positiivsete laengute arvu kadumiseni, ning seriinijääkide fosforüülimine, mille tulemusel tekib lüsiinijääk. negatiivne laeng. Histoonide atsetüülimine ja fosforüülimine võib olla pöörduv. Need modifikatsioonid muudavad oluliselt histoonide omadusi, nende võimet seonduda DNA-ga.

Histoonid sünteesitakse tsütoplasmas, transporditakse tuuma ja seonduvad DNA-ga selle replikatsiooni käigus S-perioodil, st. histoonide ja DNA süntees on sünkroniseeritud. Kui rakk lõpetab DNA sünteesi, lagunevad histooni messenger-RNA-d mõne minutiga ja histoonide süntees peatub. Kromatiini sisalduvad histoonid on väga stabiilsed ja neil on madal asendusmäär.

Histooni valkude funktsioonid

1. Histoonide kvantitatiivne ja kvalitatiivne seisund mõjutab kromatiini kompaktsuse ja aktiivsuse astet.

2. Struktuurne – tihendamine – histoonide roll kromatiini organiseerimisel.

Hiiglaslike sentimeetriste DNA molekulide paigutamiseks kromosoomi pikkusele, mille suurus on vaid paar mikromeetrit, tuleb DNA molekul keerata, tihendada tihedusega 1: 10 000. DNA tihendamise protsessis pakkimisel on mitu taset, millest esimese määrab otseselt histoonide interaktsioon DNA-ga

Peaaegu kogu raku DNA sisaldub tuumas. DNA on pikk lineaarne polümeer, mis sisaldab miljoneid nukleotiide. Neli DNA nukleotiidi tüüpi erinevad lämmastikku sisaldavad alused. Nukleotiidid on paigutatud järjestusse, mis on päriliku teabe salvestamise koodivorm.
Selle teabe rakendamiseks kirjutatakse see ümber või transkribeeritakse lühemateks m-RNA ahelateks. Geneetilise koodi sümbolid i-RNA-s on nukleotiidide kolmikud - koodonid... Iga koodon esindab ühte aminohapet. Iga DNA molekul vastab omaette kromosoomile ja kogu organismi kromosoomidesse talletatud geneetiline informatsioon on nn. genoom.
Kõrgemate organismide genoom sisaldab liigselt DNA-d, see ei ole seotud organismi keerukusega. On teada, et inimese genoom sisaldab 700 korda rohkem DNA-d kui E. coli bakterid. Samas on osade kahepaiksete ja taimede genoom 30 korda suurem kui inimese genoom. Selgroogsetel ei ole enam kui 90% DNA-st hädavajalik. DNA-sse salvestatud teavet korraldavad, loevad ja paljundavad mitmesugused valgud.
Tuuma peamised struktuurvalgud on valgud-histoonid iseloomulik ainult eukarüootsetele rakkudele. Histoonid- väikesed tugevalt aluselised valgud. See omadus on tingitud asjaolust, et need on rikastatud aluseliste aminohapetega – lüsiini ja arginiiniga. Histoone iseloomustab ka trüptofaani puudumine. Need on kõigist teadaolevatest valkudest ühed konservatiivsemad, näiteks lehma ja herne H4 eristab ainult kaks aminohappejääki. Valkude kompleksi DNA-ga eukarüootide raku tuumades nimetatakse kromatiiniks.
Rakkude vaatlemisel valgusmikroskoobiga tuvastatakse kromatiin tuumades tiheda aine tsoonidena, mis on hästi värvitud põhivärvidega. Kromatiini struktuuri põhjalik uurimine algas 1974. aastal, kui abikaasad Ada ja Donald Olins kirjeldasid selle põhilist struktuuriüksust, see sai nimeks nukleosoom.
Nukleosoomid võimaldavad pikka DNA molekulide ahelat kompaktsemalt voltida. Seega on iga inimese kromosoomi DNA ahela pikkus tuhandeid kordi suurem kui tuuma suurus. Elektroonilistel fotodel näeb nukleosoom välja nagu diskoidne osake, mille läbimõõt on umbes 11 nm. Selle tuumaks on kaheksast histooni molekulist koosnev kompleks, milles nelja histooni H2A, H2B, H3 ja H4 esindab igaüks kahe molekuliga. Need histoonid moodustavad nukleosoomi sisemise osa – histooni tuuma. 146 aluspaari sisaldav DNA molekul keritakse histooni tuumale. See moodustab kaks mittetäielikku pööret ümber nukleosoomi histooni tuuma; ühe pöörde kohta on 83 nukleotiidipaari. Iga nukleosoom on eraldatud järgmisest linker-DNA järjestusega, mis võib olla kuni 80 nukleotiidi pikk. See struktuur meenutab helmeste stringi.
Arvutused näitavad, et inimese DNA, millel on 6x109 nukleotiidipaari, peaks sisaldama 3x107 nukleosoomi. Elusrakkudes on kromatiinil harva selline välimus. Nukleosoomid on omavahel ühendatud veelgi kompaktsemateks struktuurideks. Suurem osa kromatiinist on fibrillide kujul, mille läbimõõt on 30 nm. See pakendamine viiakse läbi teise histooni H1 abil. Ühes nukleosoomis on üks H1 molekul, mis tõmbab linkeri saidi kokku kohtades, kus DNA siseneb ja väljub histooni tuumast.
DNA pakend vähendab oluliselt selle pikkust. Sellegipoolest peaks ühe kromosoomi kromatiini filamendi keskmine pikkus selles etapis ületama tuuma suurust 100 korda.
Kõrgemat järku kromatiini struktuur on silmuste seeria, millest igaüks sisaldab umbes 20 kuni 100 tuhat aluspaari. Silmuse põhjas on kohaspetsiifiline DNA-d siduv valk. Sellised valgud tunnevad ära teatud nukleotiidjärjestused (saidid) kahes kromatiini filamendi vahekaugusega piirkonnas ja toovad need üksteisele lähemale.

teksti_väljad

nool_ülespoole

Tuum on raku keskne element. Selle kirurgiline eemaldamine häirib tsütoplasma funktsioone. Tuum mängib suurt rolli pärilike tunnuste edasikandmisel ja valkude sünteesil. Geneetilise informatsiooni ülekande ühest rakust teise tagab kromosoomides sisalduv desoksüribonukleiinhape (DNA). DNA dubleerimine eelneb rakkude jagunemisele. Tuuma mass erinevate kudede rakkudes on erinev ja moodustab näiteks 10-18% hepatotsüütide massist, 60% - lümfoidrakkudes. Interfaasis (intermitootiline periood) esindavad tuuma neli elementi: kromatiin, nukleool (nukleool), nukleoplasm ja tuumamembraan.

Kromatiin

teksti_väljad

nool_ülespoole

Küpsetele rakkudele (näiteks verele) on iseloomulikud tiheda kondenseerunud kromatiini rikkad tuumad, mis asuvad tükkidena. Naiste somaatiliste rakkude tuumades esindab seda kromatiini tükk, mis asub tuuma membraani lähedal: see on naissoost kromatiin (või Barri väike keha), mis on kondenseerunud X-kromosoom. Meessoost kromatiini esindab meessoost somaatiliste rakkude tuumades tükk, mis helendab fluorokroomidega värvimisel. Sugukromatiini määramist kasutatakse näiteks lapse soo määramiseks raseda looteveest saadud rakkude abil.

Nucleolus

teksti_väljad

nool_ülespoole

Tuum on sfääriline tuumasisene struktuur, millel puudub membraan. Seda arendatakse kõigis rakkudes, mida iseloomustab kõrge valgusünteesi aktiivsus, mis on seotud tsütoplasmaatiliste subühikute, rRNA, moodustumisega selles. Näiteks leidub nukleoole jagunemisvõimeliste rakkude tuumades - lümfoblastid, müeloblastid jne.

Südamikmembraan

teksti_väljad

nool_ülespoole

Tuuma membraani esindavad kaks lehte, mille vahe on ühendatud endoplasmaatilise retikulumi õõnsusega. Membraanil on kuni umbes 100 nm läbimõõduga augud (tuumapoorid), millest makromolekulid (ribonukleaasid, RNA) vabalt läbi lähevad. Samal ajal toetavad tuumamembraan ja poorid tuuma mikrokeskkonda, tagades erinevate ainete selektiivse vahetuse tuuma ja tsütoplasma vahel. Halvasti diferentseerunud rakus hõivavad poorid kuni 10% tuuma pinnast, kuid raku küpsedes nende üldpind väheneb.

Nukleoplasma (tuumamahl)

teksti_väljad

nool_ülespoole

Nukleoplasm (tuumamahl) on valke sisaldav kolloidlahus, mis tagab metaboliitide vahetuse ja RNA molekulide kiire liikumise tuumapooridesse. Nukleoplasma hulk väheneb koos raku küpsemise või vananemisega.

Raku pooldumine. Mitoos.

teksti_väljad

nool_ülespoole

Mitoos(joonis 1.5) hõivab ainult osa rakutsüklist. Imetajate rakkudes kestab mitootiline faas (M) umbes tund.

Sellele järgneb postmitootiline paus (G1), mida iseloomustab valkude biosünteesi kõrge aktiivsus rakus, realiseeruvad transkriptsiooni ja translatsiooni protsessid. Pausi kestus on umbes 10 tundi, kuid see aeg on väga erinev ja sõltub rakkude jagunemist stimuleerivate ja pidurdavate regulatoorsete tegurite mõjust, nende varustamisest toitainetega.

Rakutsükli järgmist faasi iseloomustab DNA süntees (replikatsioon) (faas S) ja see võtab umbes 9 tundi. Sellele järgneb premitootiline G2 faas, mis kestab umbes 4 tundi. Seega kestab kogu rakutsükkel umbes 24 tundi:

Rakud võivad olla ka puhkefaasis – Mine, jäädes pikaks ajaks rakutsüklist välja. Näiteks inimestel on kuni 90% vereloome tüvirakkudest Go faasis, kuid nende üleminek Go-lt G1-le kiireneb koos nõudluse suurenemisega vererakkude järele.

Rakkude kõrge tundlikkus nende jagunemist reguleerivate tegurite suhtes G1 faasis on seletatav hormoonretseptorite, stimuleerivate ja inhibeerivate tegurite sünteesiga rakumembraanidel sel perioodil. Näiteks erütroidrakkude jagunemine luuüdis G-faasis stimuleerib hormooni erütropoetiini. Seda protsessi pidurdab erütropoeesi inhibiitor – aine, mis vähendab kudede hapnikuvajaduse vähenemise korral erütrotsüütide tootmist (6. peatükk).

Teabe edastamine tuumale membraaniretseptorite vastastikmõju kohta raku jagunemise stimulaatoriga hõlmab DNA sünteesi, need. faas S... Selle tulemusena muutub DNA kogus rakus diploidselt, 2N, tetraploidseks, 4N. G2 faasis sünteesitakse mitoosiks vajalikud struktuurid, eelkõige mitootilise spindli valgud.

M faasis kahe tütarraku vahel on identne geneetiline materjal. M-faas ise jaguneb neljaks perioodiks: profaas, metafaas, anafaas ja telofaas (joonis 1.5.).

Profaas mida iseloomustab DNA kromosoomide kondenseerumine, moodustades kaks kromatiidi, millest igaüks on üks kahest identsest DNA molekulist. Nucleola ja tuumaümbris kaovad. Tsentrioolid, mida esindavad õhukesed mikrotuubulid, lahknevad raku kahele poolusele, moodustades mitootilise spindli.

Metafaasi kromosoomid asuvad raku keskosas, moodustades metafaasiplaadi.Selles faasis on iga kromosoomi morfoloogia kõige selgem, mida kasutatakse praktikas raku kromosoomikomplekti uurimiseks.

Anafaas mida iseloomustab mitootilise spindli kiudude poolt raku vastaspoolustele "lahti tõmmatud" kromatiidide liikumine.

Telofaas mida iseloomustab tuumamembraani moodustumine tütarkromosoomide komplekti ümber. Teadmisi rakutsükli iseärasustest kasutatakse praktikas näiteks tsütostaatikumide loomisel leukeemia raviks. Seega kasutatakse leukeemiliste rakkude mitoosi peatamiseks vinkristiini omadust olla mitootilise spindli mürk.

Rakkude diferentseerumine

teksti_väljad

nool_ülespoole

Rakkude diferentseerumine on spetsiifiliste funktsioonide omandamine raku poolt, mis on seotud nende funktsioonide toimimist tagavate struktuuride ilmnemisega (näiteks hemoglobiini süntees ja akumuleerumine erütrotsüütides iseloomustab nende diferentseerumist erütrotsüütideks). Diferentseerumine on seotud mõne genoomi osa funktsioonide geneetiliselt programmeeritud pärssimisega (represseerimisega) ja teiste aktiveerimisega.