Bendrosios tarpfazinio branduolio charakteristikos

Branduolys yra svarbiausias ląstelės komponentas, kuris yra beveik visose daugialąsčių organizmų ląstelėse. Dauguma ląstelių turi vieną branduolį, tačiau yra ir dvibranduolių, ir daugiabranduolių (pavyzdžiui, dryžuotų raumenų skaidulų). Dvigubos ir daugiabranduolės atsiranda dėl funkcinių savybių arba patologinės ląstelių būklės. Branduolio forma ir dydis yra labai įvairūs ir priklauso nuo organizmo tipo, tipo, amžiaus ir ląstelės funkcinės būklės. Vidutiniškai branduolio tūris yra maždaug 10% viso ląstelės tūrio. Dažniausiai branduolys yra apvalios arba ovalios formos, svyruoja nuo 3 iki 10 mikronų skersmens. Mažiausias branduolio dydis – 1 mikronas (kai kuriuose pirmuoniuose), didžiausias – 1 mm (kai kurių žuvų ir varliagyvių ikrai). Kai kuriais atvejais yra branduolio formos priklausomybė nuo ląstelės formos. Branduolys dažniausiai užima centrinę padėtį, tačiau diferencijuotose ląstelėse jis gali būti išstumtas į periferinę ląstelės dalį. Beveik visa eukariotinės ląstelės DNR yra sutelkta branduolyje.

Pagrindinės branduolio funkcijos yra šios:

1) Genetinės informacijos saugojimas ir perdavimas;

2) Baltymų sintezės, metabolizmo ir energijos reguliavimas ląstelėje.

Taigi branduolys yra ne tik genetinės medžiagos talpykla, bet ir vieta, kur ši medžiaga funkcionuoja ir dauginasi. Todėl bet kurios iš šių funkcijų sutrikimas sukels ląstelių mirtį. Visa tai rodo pagrindinį branduolinių struktūrų vaidmenį nukleorūgščių ir baltymų sintezėje.

BLOKINGAS

Šerdis. Chromatinas, heterochromatinas, euchromatinas.

Branduolys (lot.branduolys) yra vienas iš eukariotinės ląstelės struktūrinių komponentų, turintis genetinę informaciją (DNR molekules), atliekantis pagrindines funkcijas: saugoti, perduoti ir įgyvendinti paveldimą informaciją, užtikrinant baltymų sintezę. Branduolys susideda iš chromatino, branduolio, karioplazmos (arba nukleoplazmos) ir branduolio apvalkalo. Ląstelės branduolyje vyksta replikacija (arba reduplikacija) – DNR molekulių padvigubėjimas, taip pat transkripcija – RNR molekulių sintezė DNR molekulėje. Branduolyje susintetintos RNR molekulės modifikuojamos, po to patenka į citoplazmą. Abiejų ribosomų subvienetų susidarymas vyksta specialiose ląstelės branduolio dariniuose – branduoliuose. Taigi ląstelės branduolys yra ne tik genetinės informacijos saugykla, bet ir vieta, kur ši medžiaga funkcionuoja ir dauginasi.

Nesidalančios, tarpfazės ląstelės branduolys paprastai yra po vieną ląstelėje (nors randama ir daugiabranduolių ląstelių). Branduolys susideda iš chromatino, branduolio, karioplazmos (nukleoplazmos) ir jį nuo citoplazmos skiriančio branduolio apvalkalo (17 pav.).

Chromatinas

Stebint gyvas ar fiksuotas ląsteles branduolio viduje, nustatomos tankios medžiagos zonos, kurias gerai suvokia įvairūs dažikliai, ypač baziniai. Dėl šios savybės gerai dažytis šis branduolio komponentas vadinamas „chromatinu“ (iš graikų chroma – spalva, dažai). Chromatino sudėtyje yra DNR komplekse su baltymu. Chromosomos, kurios aiškiai matomos mitozinio ląstelių dalijimosi metu, turi tas pačias savybes. Nesiskiriančiose (tarpfazėse) ląstelėse chromatinas, aptiktas šviesos mikroskopu, gali daugiau ar mažiau tolygiai užpildyti branduolio tūrį arba išsidėstyti atskiruose gabalėliuose.

Tarpfazių branduolių chromatinas yra chromosoma, kuri šiuo metu praranda kompaktišką formą, atsipalaiduoja, dekondensuojasi. Tokios chromosomų dekondensacijos laipsnis gali būti skirtingas. Morfologai savo vietų visiško dekondensacijos zonas vadina euchromatinu. Nevisiškai atsipalaidavus chromosomoms tarpfaziniame branduolyje, matomos kondensuoto chromatino sritys, kartais vadinamos heterochromatinu. Chromosominės medžiagos – chromatino dekondensacijos laipsnis tarpfazėje gali atspindėti šios struktūros funkcinę apkrovą. Kuo daugiau „difuzinio“ chromatino pasiskirsto tarpfaziniame branduolyje (ty kuo daugiau euchromatino), tuo intensyvesni sintetiniai procesai jame.

Chromatinas maksimaliai kondensuojasi mitozinio ląstelių dalijimosi metu, kai randamas tankių chromosomų pavidalu. Šiuo laikotarpiu chromosomos neatlieka jokių sintetinių funkcijų, į jas neįeina DNR ir RNR pirmtakai.

Taigi ląstelių chromosomos gali būti dviejų struktūrinių ir funkcinių būsenų: aktyvios, veikiančios, iš dalies arba visiškai dekondensuotos, kai joms dalyvaujant tarpfaziniame branduolyje vyksta transkripcijos ir reduplikacijos procesai, ir neaktyvios būsenos. metabolinio poilsio būsena su maksimalia kondensacija, kai atlieka genetinės medžiagos paskirstymo ir perdavimo dukterinėms ląstelėms funkciją.

Chromatinas

Didžiulis eukariotų DNR molekulių ilgis lėmė specialių genetinės medžiagos saugojimo, replikacijos ir įgyvendinimo mechanizmų atsiradimą. Chromatinas vadinamas chromosominės DNR molekule kartu su specifiniais baltymais, reikalingais šiems procesams įgyvendinti. Didžiąją dalį sudaro „saugyklos baltymai“, vadinamieji histonai. Iš šių baltymų statomos nukleosomos – struktūros, ant kurių suvyniotos DNR molekulių gijos. Nukleosomos yra išdėstytos gana reguliariai, todėl gauta struktūra primena karoliuką. Nukleosoma susideda iš keturių tipų baltymų: H2A, H2B, H3 ir H4. Vienoje nukleozomoje yra po du kiekvieno tipo baltymus – iš viso aštuoni baltymai. Histonas H1, kuris yra didesnis už kitus histonus, jungiasi su DNR ten, kur patenka į nukleozomą. Nukleosoma kartu su H1 vadinama chromosoma.

DNR grandinė su nukleozomomis sudaro netaisyklingą į solenoidą panašią maždaug 30 nanometrų storio struktūrą, vadinamąją 30 nm fibrilę. Tolesnis šios fibrilės pakavimas gali būti skirtingo tankio. Jei chromatinas yra sandariai supakuotas, jis vadinamas kondensuotu arba heterochromatinas, tai aiškiai matoma pro mikroskopą. Heterochromatine randama DNR netranskribuojama, dažniausiai tokia būklė būdinga nereikšmingiems ar tyliems regionams. Tarpfazėje heterochromatinas dažniausiai yra branduolio periferijoje (parietalinis heterochromatinas). Visiška chromosomų kondensacija įvyksta prieš ląstelių dalijimąsi. Jei chromatinas yra laisvai supakuotas, jis vadinamas eu- arba interchromatinas... Šio tipo chromatinas yra daug mažiau tankus žiūrint pro mikroskopą ir paprastai jam būdingas transkripcijos aktyvumas. Chromatino pakavimo tankį daugiausia lemia histono modifikacijos – acetilinimas ir fosforilinimas.

Manoma, kad branduolyje egzistuoja vadinamieji funkciniai chromatino domenai (vieno domeno DNR yra apie 30 tūkst. bazinių porų), tai yra, kiekviena chromosomos sritis turi savo „teritoriją“. Deja, chromatino erdvinio pasiskirstymo branduolyje klausimas dar nėra pakankamai ištirtas. Yra žinoma, kad telomerinės (galinės) ir centromerinės (atsakingos už seserinių chromatidžių surišimą mitozėje) chromosomų dalys yra prijungtos prie branduolio sluoksnio baltymų.

2. Chromatinas

Chromatinas – tai daug baziniais dažais nudažytų granulių, iš kurių susidaro chromosomos. Chromosomas sudaro nukleoproteinų kompleksas, kuriame yra nukleorūgščių ir baltymų. Žmogaus ląstelių branduoliuose tarpfazėje yra dviejų tipų chromatinas – išsklaidytas, silpnos spalvos chromatinas (euchromatinas), sudarytas iš ilgų, plonų, susipynusių skaidulų, metaboliškai labai aktyvus ir kondensuotas chromatinas (heterochromatinas), atitinkantis chromosomų sritis, kurios nedalyvauja reguliuojant medžiagų apykaitos veiklą... Brandžioms ląstelėms (pavyzdžiui, kraujui) būdingi branduoliai, kuriuose gausu tankaus, kondensuoto chromatino, glūdintys gabalėliais. Moterų somatinių ląstelių branduoliuose jį vaizduoja chromatino gumulas, esantis arti branduolio membranos: tai yra moteriškos lyties chromatinas (arba mažasis Barro kūnas), kuris yra kondensuota X chromosoma. Vyrišką lytinį chromatiną vyriškų somatinių ląstelių branduoliuose vaizduoja gumulas, kuris švyti, kai dažomas fluorochromais. Lyties chromatino nustatymas naudojamas, pavyzdžiui, vaiko lyčiai nustatyti naudojant ląsteles, gautas iš nėščios moters vaisiaus vandenų.

Biocheminiai genetikos tyrimai yra svarbus jos pagrindinių elementų – chromosomų ir genų – tyrimo būdas. Šiame straipsnyje apžvelgsime, kas yra chromatinas, išsiaiškinsime jo struktūrą ir funkciją ląstelėje.

Paveldimumas yra pagrindinė gyvosios medžiagos savybė

Pagrindiniai procesai, apibūdinantys Žemėje gyvenančius organizmus, yra kvėpavimas, mityba, augimas, išsiskyrimas ir dauginimasis. Pastaroji funkcija yra pati svarbiausia gyvybės išsaugojimui mūsų planetoje. Kaip neprisiminti, kad pirmasis Dievo įsakymas Adomui ir Ievai buvo toks: „Būkite vaisingi ir dauginkitės“. Ląstelių lygmenyje generatyvinę funkciją atlieka nukleino rūgštys (sudaryta chromosomų medžiaga). Šias struktūras mes apsvarstysime vėliau.

Taip pat pridurkime, kad paveldimos informacijos išsaugojimas ir perdavimas palikuonims vykdomas pagal vieną mechanizmą, kuris visiškai nepriklauso nuo individo organizuotumo lygio, tai yra virusui, bakterijoms ir žmonėms. , jis yra universalus.

Kas yra paveldimumo esmė

Šiame darbe tiriame chromatiną, kurio struktūra ir funkcijos tiesiogiai priklauso nuo nukleorūgščių molekulių organizavimo. 1869 m. šveicarų mokslininkas Mischeris atrado junginius, pasižyminčius rūgščių savybėmis imuninės sistemos ląstelių branduoliuose, kuriuos iš pradžių pavadino nukleinu, o vėliau nukleino rūgštimis. Chemijos požiūriu tai didelės molekulinės masės junginiai – polimerai. Jų monomerai yra tokios sandaros nukleotidai: purino arba pirimidino bazė, pentozė ir liekana.Mokslininkai nustatė, kad ląstelėse gali būti dvi rūšys ir RNR. Jie sudaro kompleksą su baltymais ir sudaro chromosomų medžiagą. Kaip ir baltymai, nukleino rūgštys turi keletą erdvinio organizavimo lygių.

1953 metais DNR struktūrą iššifravo Nobelio premijos laureatai Watsonas ir Crickas. Tai molekulė, susidedanti iš dviejų grandinių, tarpusavyje sujungtų vandeniliniais ryšiais, kurie atsiranda tarp azotinių bazių pagal komplementarumo principą (priešais adeninui yra timino bazė, priešinga citozinui – guaninas). Chromatine, kurio struktūrą ir funkciją mes tiriame, yra įvairios konfigūracijos dezoksiribonukleino ir ribonukleino rūgščių molekulės. Išsamiau šį klausimą aptarsime skyriuje „Chromatino organizavimo lygiai“.

Paveldimumo medžiagos lokalizacija ląstelėje

DNR yra tokiose citostruktūrose kaip branduolys, taip pat galinčiose dalytis organelėse – mitochondrijose ir chloroplastuose. Taip yra dėl to, kad šios organelės ląstelėje atlieka svarbiausias funkcijas: taip pat gliukozės sintezę ir deguonies susidarymą augalų ląstelėse. Sintetiniame gyvavimo ciklo etape pirminės organelės padvigubėja. Taigi dėl mitozės (somatinių ląstelių dalijimosi) arba mejozės (kiaušialąsčių ir spermatozoidų susidarymo) dukterinės ląstelės gauna reikiamą ląstelių struktūrų, aprūpinančių ląsteles maistinėmis medžiagomis ir energija, arsenalą.

Ribonukleorūgštis susideda iš vienos grandinės ir turi mažesnę molekulinę masę nei DNR. Jis yra tiek branduolyje, tiek hialoplazmoje, taip pat yra daugelio ląstelių organelių dalis: ribosomos, mitochondrijos, endoplazminis tinklas, plastidai. Šiose organelėse esantis chromatinas yra susijęs su histono baltymais ir yra plazmidžių – žiedinių uždarų DNR molekulių – dalis.

Chromatinas ir jo struktūra

Taigi, mes nustatėme, kad nukleino rūgštys yra chromosomų medžiagoje - paveldimumo struktūriniuose vienetuose. Jų chromatinas elektroniniu mikroskopu atrodo kaip granulės arba siūliški dariniai. Jame, be DNR, taip pat yra RNR molekulių, taip pat baltymų, kurie pasižymi pagrindinėmis savybėmis ir vadinami histonais. Visi aukščiau išvardyti elementai yra nukleosomos. Jie randami branduolio chromosomose ir vadinami fibrilėmis (solenoidiniais siūlais). Apibendrinant visa tai, kas išdėstyta pirmiau, apibrėžkime, kas yra chromatinas. Tai kompleksinis junginys ir specialūs baltymai – histonai. Ant jų, kaip ir ant ritinių, suvyniotos dvigrandės DNR molekulės, kad susidarytų nukleozomos.

Chromatino organizacijos lygiai

Paveldimumo medžiaga turi skirtingą struktūrą, kuri priklauso nuo daugelio veiksnių. Pavyzdžiui, kokį gyvenimo ciklo etapą išgyvena ląstelė: dalijimosi periodas (mejozė arba mejozė), presintetinis arba sintetinis tarpfazės laikotarpis. Dėl solenoido arba fibrilės formos, kaip paprasčiausios formos, toliau vyksta chromatino tankinimas. Heterochromatinas yra tankesnė būsena; jis susidaro chromosomos introninėse srityse, kuriose transkripcija neįmanoma. Ląstelės ramybės periodu – interfazėje, kai nevyksta dalijimosi procesas – heterochromatinas yra branduolio karioplazmoje palei periferiją, šalia jo membranos. Branduolinio turinio sutankinimas vyksta posintetinėje ląstelės gyvavimo ciklo stadijoje, tai yra prieš pat dalijimąsi.

Nuo ko priklauso paveldimumo substancijos kondensacija?

Toliau tyrinėdami klausimą „kas yra chromatinas“, mokslininkai išsiaiškino, kad jo tankinimas priklauso nuo histono baltymų, kurie kartu su DNR ir RNR molekulėmis yra nukleozomų dalis. Jie sudaryti iš keturių tipų baltymų, vadinamų šerdies ir jungiamaisiais baltymais. Transkripcijos metu (informacijos nuskaitymas iš genų naudojant RNR) paveldimumo medžiaga yra silpnai kondensuota ir vadinama euchromatinu.

Šiuo metu toliau tiriamos DNR molekulių, susijusių su histono baltymais, pasiskirstymo ypatybės. Pavyzdžiui, mokslininkai nustatė, kad skirtingų tos pačios chromosomos lokusų chromatinas skiriasi kondensacijos lygiu. Pavyzdžiui, dalijimosi verpstės gijų, vadinamų centromeromis, prisitvirtinimo prie chromosomos vietose jis tankesnis nei telomerinėse srityse – galiniuose lokusuose.

Reguliavimo genai ir chromatino sudėtis

Prancūzų genetikų Jacob ir Monod sukurta genų aktyvumo reguliavimo koncepcija leidžia suprasti, kad egzistuoja dezoksiribonukleino rūgšties regionai, kuriuose nėra informacijos apie baltymų struktūras. Jie atlieka grynai biurokratines – vadybines funkcijas. Šios chromosomų dalys, vadinamos reguliatoriais, savo struktūroje paprastai neturi histono baltymų. Chromatinas, kurio nustatymas buvo atliktas nustatant seką, buvo vadinamas atviru.

Tolimesnių tyrimų metu buvo nustatyta, kad šiuose lokusuose yra išsidėsčiusios nukleotidų sekos, kurios neleidžia baltymų dalelėms prisijungti prie DNR molekulių. Tokiose vietose yra reguliuojančių genų: promotorių, stiprintuvų, aktyvatorių. Chromatino tankinimas juose yra didelis, o šių sričių ilgis vidutiniškai yra apie 300 nm. Yra atviro chromatino apibrėžimas izoliuotuose branduoliuose, kuriuose naudojamas fermentas DNazė. Jis labai greitai suskaido chromosomų lokusus, kuriuose trūksta histono baltymų. Chromatinas šiose srityse buvo vadinamas padidėjusiu jautrumu.

Paveldimumo substancijos vaidmuo

Kompleksai, įskaitant DNR, RNR ir baltymus, vadinamus chromatinu, dalyvauja ląstelių ontogenezėje ir keičia jų sudėtį priklausomai nuo audinio tipo, taip pat nuo viso organizmo vystymosi stadijos. Pavyzdžiui, odos epitelio ląstelėse tokius genus kaip stipriklis ir promotorius blokuoja represoriniai baltymai, o tie patys reguliuojantys genai žarnyno epitelio sekrecinėse ląstelėse yra aktyvūs ir yra atviro chromatino zonoje. Genetikai nustatė, kad DNR, kuri nekoduoja baltymų, sudaro daugiau nei 95% viso žmogaus genomo. Tai reiškia, kad yra daug daugiau kontrolinių genų nei tie, kurie atsakingi už peptidų sintezę. Tokių metodų kaip DNR lustai ir sekos nustatymas leido išsiaiškinti, kas yra chromatinas, ir dėl to atlikti žmogaus genomo kartografavimą.

Chromatino tyrimai yra labai svarbūs tokiose mokslo šakose kaip žmogaus genetika ir medicininė genetika. Taip yra dėl smarkiai padidėjusio paveldimų ligų, tiek genetinių, tiek chromosomų, atsiradimo lygio. Ankstyvas šių sindromų nustatymas padidina teigiamos jų gydymo prognozės procentą.

Karioplazma

Karioplazma (branduolinės sultys, nukleoplazma) yra pagrindinė vidinė branduolio aplinka, ji užima visą erdvę tarp branduolio, chromatino, membranų, visų rūšių inkliuzų ir kitų struktūrų. Karioplazma po elektroniniu mikroskopu atrodo kaip vienalytė arba smulkiagrūdė masė su mažu elektronų tankiu. Jame yra suspenduotų ribosomų, mikrokūnų, globulinų ir įvairių medžiagų apykaitos produktų.

Branduolinių sulčių klampumas yra maždaug toks pat kaip pagrindinės citoplazmos medžiagos klampumas. Branduolinės sulos rūgštingumas, nustatytas mikroinjekciniais indikatoriais į branduolį, pasirodė šiek tiek didesnis nei citoplazmos.

Be to, branduolių sultyse yra fermentų, dalyvaujančių nukleino rūgščių sintezėje branduolyje ir ribosomoje. Branduolio sula nėra nudažyta baziniais dažais, todėl ji vadinama achromatinine medžiaga arba kariolimfa, priešingai nei galinčios nudažyti sritys - chromatinu.

Chromatinas

Pagrindinis branduolių komponentas – chromatinas, yra genetinę ląstelės funkciją atliekanti struktūra, praktiškai visa genetinė informacija yra įterpta į chromatino DNR.

Eukariotinės chromosomos atrodo kaip ryškiai apibrėžtos struktūros tik prieš pat mitozę ir jos metu – branduolio dalijimosi somatinėse ląstelėse procesą. Ramybės, nesidalijančiose eukariotinėse ląstelėse chromosominė medžiaga, vadinama chromatinu, atrodo neryškiai ir atrodo atsitiktinai paskirstyta visame branduolyje. Tačiau kai ląstelė ruošiasi dalytis, chromatinas sutirštėja ir susirenka į jam būdingą aiškiai išsiskiriančių chromosomų skaičių.

Chromatinas buvo išskirtas iš branduolių ir ištirtas. Jį sudaro labai smulkūs pluoštai. Pagrindiniai chromatino komponentai yra DNR ir baltymai, tarp kurių didžioji dalis yra histonai ir nehistoniniai baltymai. Vidutiniškai apie 40% chromatino yra DNR ir apie 60% - baltymai, tarp kurių specifiniai branduoliniai baltymai-histonai sudaro 40 iki 80% visų baltymų, sudarančių izoliuotą chromatiną. Be to, chromatino frakcijos apima membranos komponentus, RNR, angliavandenius, lipidus, glikoproteinus.

Chromatino skaidulos chromosomoje yra sulankstytos ir sudaro daug mazgų bei kilpų. Chromatino DNR yra labai glaudžiai susieta su baltymais, vadinamais histonais, kurių funkcija yra supakuoti ir išdėstyti DNR į struktūrinius vienetus – nukleosomas. Chromatino sudėtyje taip pat yra nemažai ne histoninių baltymų. Skirtingai nuo eukariotų chromosomų, bakterijų chromosomose nėra histonų; juose yra tik nedidelis kiekis baltymų, kurie prisideda prie kilpų susidarymo ir DNR kondensacijos (sutankėjimo).

Stebint daug gyvų ląstelių, ypač augalų ląstelių, arba ląsteles po fiksacijos ir nudažymo branduolio viduje, išryškėja tankios medžiagos zonos, kurios gerai nusidažo įvairiais dažais, ypač baziniais. Chromatino gebėjimas suvokti bazinius (šarminius) dažus rodo jo rūgštines savybes, kurias lemia tai, kad chromatine yra DNR komplekse su baltymais. Chromosomos turi tas pačias dažymo savybes ir DNR kiekį, kuris gali būti stebimas mitozinių ląstelių dalijimosi metu.

Skirtingai nuo prokariotinių ląstelių, DNR turinti eukariotinė chromatino medžiaga gali egzistuoti dviem alternatyviomis būsenomis: dekondensuota tarpfazėje ir maksimaliai sutankinta mitozės metu, kaip mitozinių chromosomų dalis.

Nesiskiriančiose (tarpfazėse) ląstelėse chromatinas gali tolygiai užpildyti branduolio tūrį arba išsidėstyti atskiruose krešuliuose (chromocentruose). Dažnai jis ypač aiškiai aptinkamas branduolio periferijoje (parietalinis, kraštinis, permembraninis chromatinas) arba sudaro gana storų (apie 0,3 μm) ir ilgų virvelių susipynimą branduolio viduje intrabranduolinio tinklo pavidalu.

Tarpfazių branduolių chromatinas yra DNR nešantys kūnai (chromosomos), kurie šiuo metu praranda kompaktišką formą, atsipalaiduoja, dekondensuojasi. Tokios chromosomų dekondensacijos laipsnis skirtingų ląstelių branduoliuose gali būti skirtingas. Kai chromosoma ar jos dalis yra visiškai dekondensuota, šios zonos vadinamos difuziniu chromatinu. Nevisiškai atsipalaidavus chromosomoms tarpfaziniame branduolyje, matomos kondensuoto chromatino (kartais vadinamo heterochromatinu) sritys. Daugybė darbų parodė, kad chromosominės medžiagos, chromatino, dekondensacijos laipsnis tarpfazėje gali atspindėti šios struktūros funkcinę apkrovą. Kuo labiau išsklaidytas tarpfazinio branduolio chromatinas, tuo jame vyksta aukštesni sintetiniai procesai. RNR sintezės metu kinta chromatino struktūra. DNR ir RNR sintezės sumažėjimą ląstelėse paprastai lydi kondensuoto chromatino zonų padidėjimas.

Chromatinas maksimaliai kondensuojasi mitozinio ląstelių dalijimosi metu, kai randamas kūnų – chromosomų pavidalu. Šiuo laikotarpiu chromosomos neturi jokių sintetinių apkrovų, jos neapima DNR ir RNR pirmtakų.

Remiantis tuo, galima daryti prielaidą, kad ląstelių chromosomos gali būti dviejų struktūrinių ir funkcinių būsenų: darbinės, iš dalies arba visiškai dekondensuotos, kai dalyvauja tarpfaziniame branduolyje, vyksta transkripcijos ir reduplikacijos procesai ir neaktyvios. metabolinio ramybės būsenoje maksimaliai kondensuojasi, kai atlieka genetinės medžiagos paskirstymo ir perdavimo dukterinėms ląstelėms funkciją.

Euchromatinas ir heterochromatinas

Struktūrizacijos, chromatino kondensacijos laipsnis tarpfaziniuose branduoliuose gali būti išreikštas skirtingais laipsniais. Taigi intensyviai besidalijančiose ir mažai specializuotose ląstelėse branduoliai turi difuzinę struktūrą, juose, be siauro periferinio kondensuoto chromatino krašto, yra nedidelis skaičius mažų chromocentrų, o pagrindinė branduolio dalis yra užimta. difuziniu, dekondensuotu chromatinu. Tuo pačiu metu labai specializuotose ląstelėse arba ląstelėse, kurios baigia savo gyvavimo ciklą, chromatinas yra masyvaus periferinio sluoksnio ir didelių chromocentrų, kondensuoto chromatino blokų, pavidalu. Kuo didesnė kondensuoto chromatino dalis branduolyje, tuo mažesnis branduolio metabolinis aktyvumas. Natūraliai ar eksperimentiškai inaktyvuojant branduolius, vyksta laipsniška chromatino kondensacija ir, atvirkščiai, aktyvavus branduolius, didėja difuzinio chromatino dalis.

Tačiau metabolinio aktyvinimo metu ne visos kondensuoto chromatino sritys gali virsti difuzine forma. Dar ketvirtojo dešimtmečio pradžioje E. Geitzas pastebėjo, kad tarpfaziniuose branduoliuose yra pastovios kondensuoto chromatino sritys, kurių buvimas nepriklauso nei nuo audinių diferenciacijos laipsnio, nei nuo ląstelių funkcinio aktyvumo. Tokios sritys vadinamos heterochromatinu, priešingai nei likusi chromatino masė – euchromatinas (pats chromatinas). Remiantis šiomis sąvokomis, heterochromatinas yra kompaktiškos chromosomų dalys, kurios profazėje pasirodo anksčiau nei kitos mitozinių chromosomų sudėties dalys ir telofazėje nedekondensuoja, pereina į tarpfazinį branduolį intensyviai spalvotų tankių struktūrų (chromocentrų) pavidalu. Chromosomų centromerinės ir telomerinės sritys dažniausiai yra nuolat kondensuotos zonos. Be jų, kai kurios sritys, kurios yra chromosomų rankų dalis, gali būti nuolat kondensuotos - tarpkalarinis arba interkalarinis heterochromatinas, kuris taip pat yra branduoliuose chromocentrų pavidalu. Tokios nuolat kondensuotos chromosomų sritys tarpfaziniuose branduoliuose dabar dažniausiai vadinamos konstituciniu (nuolatiniu) heterochromatinu. Pažymėtina, kad konstitucinio heterochromatino sritys turi nemažai savybių, išskiriančių jį iš likusio chromatino. Konstitucinis heterochromatinas yra genetiškai neaktyvus; jis netranskribuojamas, replikuojasi vėliau nei likęs chromatinas, jame yra speciali (palydovinė) DNR, praturtinta labai pasikartojančiomis nukleotidų sekomis, lokalizuota centromerinėse, telomerinėse ir tarpkalarinėse mitozinių chromosomų zonose. Konstitucinio chromatino dalis kiekviename objekte gali skirtis. Konstitucinio heterochromatino funkcinė reikšmė nėra visiškai suprantama. Daroma prielaida, kad ji atlieka daugybę svarbių funkcijų, susijusių su homologų poravimusi mejozės metu, su tarpfazinio branduolio struktūrizavimu ir kai kuriomis reguliavimo funkcijomis.

Likusi dalis, didžioji branduolinio chromatino dalis, gali keisti savo sutankinimo laipsnį, priklausomai nuo funkcinio aktyvumo, priklauso euchromatinui. Euchromatinės neaktyvios sritys, kurios yra kondensuotos būsenos, pradėtos vadinti fakultatyviniu heterochromatinu, pabrėžiant pasirenkamą tokios būsenos pobūdį.

Diferencijuotose ląstelėse tik apie 10% genų yra aktyvios būsenos, likusieji genai yra inaktyvuoti ir yra kondensuoto chromatino (fakultatyvaus heterochromatino) dalis. Ši aplinkybė paaiškina, kodėl didžioji dalis branduolinio chromatino yra struktūrizuota.

Chromatino DNR

Chromatino preparate DNR paprastai sudaro 30–40 proc. Ši DNR yra dvigrandė spiralinė molekulė, panaši į gryną izoliuotą DNR vandeniniuose tirpaluose. Chromatino DNR molekulinė masė yra 7-9106. Chromosomų sudėtyje atskirų linijinių (priešingai nei prokariotinių chromosomų) DNR molekulių ilgis gali siekti šimtus mikrometrų ir net kelis centimetrus. Bendras DNR kiekis, patenkantis į ląstelių branduolines struktūras, organizmų genomą, svyruoja.

Eukariotinių ląstelių DNR yra nevienalytės sudėties, turi keletą nukleotidų sekų klasių: dažnai pasikartojančios sekos (> 106 kartus), įtrauktos į palydovinę DNR frakciją ir netranskribuotos; saikingai pasikartojančių sekų dalis (102-105), vaizduojančių tikrų genų blokus, taip pat trumpas sekas, išsibarsčiusios visame genome; unikalių sekų dalis, pernešanti informaciją apie daugumą ląstelės baltymų. Visos šios nukleotidų klasės yra susietos į vieną milžinišką kovalentinę DNR grandinę.

Pagrindiniai chromatino baltymai – histonai

Ląstelės branduolyje pagrindinis vaidmuo organizuojant DNR išdėstymą, sutankinant ir reguliuojant funkcines apkrovas tenka branduoliniams baltymams. Chromatino baltymai yra labai įvairūs, tačiau juos galima suskirstyti į dvi grupes: histonus ir nehistoninius baltymus. Histonai sudaro iki 80% visų chromatino baltymų. Jų sąveika su DNR vyksta per druskos arba joninius ryšius ir yra nespecifinė DNR molekulės nukleotidų sudėties ar sekos atžvilgiu. Eukariotų ląstelėje yra tik 5-7 tipų histono molekulės. Skirtingai nuo histonų, vadinamieji nehistoniniai baltymai didžiąja dalimi specifiškai sąveikauja su tam tikromis DNR molekulių sekomis, į šią grupę įtrauktų baltymų tipų įvairovė yra labai didelė (keli šimtai), o jų atliekamų funkcijų įvairovė yra labai didelė. puiku.

Histonai – baltymai, būdingi tik chromatinui – turi nemažai ypatingų savybių. Tai baziniai arba šarminiai baltymai, kurių savybes lemia gana didelis tokių nepakeičiamų aminorūgščių kaip lizinas ir argininas kiekis. Būtent teigiami lizino ir arginino amino grupių krūviai lemia šių baltymų druską arba elektrostatinį ryšį su neigiamais DNR fosfatų grupių krūviais.

Histonai yra palyginti mažos molekulinės masės baltymai. Histonų klasės skiriasi viena nuo kitos skirtingų nepakeičiamų aminorūgščių kiekiu. Visų klasių histonams būdingas pagrindinių aminorūgščių - lizino ir arginino - pasiskirstymas molekulių N ir C galuose. Vidurinės histono molekulių sritys sudaro keletą (3–4) b-spiralių regionų, kurie izotoninėmis sąlygomis sutankinami į rutulinę struktūrą. Nespiraliniai histonų baltymų molekulių galai, turintys daug teigiamų krūvių, atlieka ryšį vienas su kitu ir su DNR.

Ląstelių gyvavimo metu gali atsirasti potransliacinių histonų pokyčių (modifikacijų): kai kurių lizino liekanų acetilinimas ir metilinimas, dėl kurio prarandamas teigiamų krūvių skaičius, ir serino liekanų fosforilinimas, dėl kurio atsiranda neigiamas krūvis. Histonų acetilinimas ir fosforilinimas gali būti grįžtamas. Šios modifikacijos žymiai pakeičia histonų savybes, jų gebėjimą jungtis su DNR.

Histonai sintetinami citoplazmoje, pernešami į branduolį ir jungiasi su DNR jos replikacijos metu S periode, t.y. histonų ir DNR sintezės sinchronizuojamos. Kai ląstelė nustoja sintetinti DNR, histonų pasiuntinių RNR suyra per kelias minutes ir histonų sintezė sustoja. Į chromatiną įtraukti histonai yra labai stabilūs ir turi mažą pakeitimo greitį.

Histono baltymų funkcijos

1. Kiekybinė ir kokybinė histonų būklė turi įtakos chromatino kompaktiškumo ir aktyvumo laipsniui.

2. Struktūrinis – tankinimas – histonų vaidmuo chromatino organizavime.

Norint išilgai chromosomos, kurios dydis yra tik keli mikrometrai, išdėstyti didžiulius centimetrus DNR molekules, DNR molekulė turi būti susukta, sutankinta, kad pakavimo tankis būtų lygus 1: 10 000. DNR tankinimo procese, yra keli pakavimo lygiai, iš kurių pirmąjį tiesiogiai lemia histonų sąveika su DNR

Beveik visa ląstelės DNR yra branduolyje. DNR yra ilgas linijinis polimeras, turintis daug milijonų nukleotidų. Keturi DNR nukleotidų tipai skiriasi azoto bazės. Nukleotidai yra išdėstyti tokia seka, kuri yra kodo forma, skirta įrašyti paveldimą informaciją.
Norint įgyvendinti šią informaciją, ji perrašoma arba perrašoma į trumpesnes m-RNR grandines. Genetinio kodo simboliai i-RNR yra nukleotidų tripletai - kodonai... Kiekvienas kodonas reiškia vieną iš aminorūgščių. Kiekviena DNR molekulė atitinka atskirą chromosomą, o visa genetinė informacija, saugoma organizmo chromosomose, vadinama genomo.
Aukštesniųjų organizmų genome yra perteklinis DNR kiekis, tai nesusiję su organizmo sudėtingumu. Yra žinoma, kad žmogaus genome yra 700 kartų daugiau DNR nei E. coli bakterijose. Tuo pačiu metu kai kurių varliagyvių ir augalų genomas yra 30 kartų didesnis nei žmogaus genomas. Stuburiniams gyvūnams daugiau nei 90% DNR nėra būtina. DNR saugomą informaciją organizuoja, skaito ir atkartoja įvairūs baltymai.
Pagrindiniai branduolio struktūriniai baltymai yra baltymai-histonai būdingas tik eukariotų ląstelėms. Histonai- maži stipriai baziniai baltymai. Šią savybę lemia tai, kad jie yra praturtinti pagrindinėmis aminorūgštimis – lizinu ir argininu. Histonams taip pat būdingas triptofano nebuvimas. Jie yra vieni konservatyviausių iš visų žinomų baltymų, pavyzdžiui, karvės ir žirnio H4 išsiskiria tik dviem aminorūgščių liekanomis. Baltymų kompleksas su DNR eukariotų ląstelių branduoliuose vadinamas chromatinu.
Stebint ląsteles šviesos mikroskopu, chromatinas branduoliuose aptinkamas kaip tankios medžiagos zonos, gerai nudažytos pagrindiniais dažais. Išsamus chromatino struktūros tyrimas prasidėjo 1974 m., kai sutuoktiniai Ada ir Donaldas Olinsas apibūdino pagrindinį jo struktūrinį vienetą, jis buvo pavadintas nukleosoma.
Nukleosomos leidžia kompaktiškiau sulankstyti ilgą DNR molekulių grandinę. Taigi kiekvienoje žmogaus chromosomoje DNR grandinės ilgis yra tūkstančius kartų didesnis už branduolio dydį. Elektroninėse nuotraukose nukleosoma atrodo kaip diskoidinė dalelė, kurios skersmuo yra apie 11 nm. Jo šerdis yra aštuonių histonų molekulių kompleksas, kuriame keturi histonai H2A, H2B, H3 ir H4 yra atstovaujami po dvi molekules. Šie histonai sudaro vidinę nukleosomos dalį – histono šerdį. DNR molekulė, turinti 146 bazių poras, yra suvyniota ant histono šerdies. Jis sudaro du nepilnus posūkius aplink nukleosomos histono šerdį; viename posūkyje yra 83 nukleotidų poros. Kiekviena nukleosoma nuo kitos yra atskirta jungiančia DNR seka, kurios ilgis gali siekti iki 80 nukleotidų. Ši struktūra primena karoliukų eilutę.
Skaičiavimas rodo, kad žmogaus DNR, turinčioje 6x109 nukleotidų poras, turėtų turėti 3x107 nukleozomų. Gyvose ląstelėse chromatinas retai atrodo taip. Nukleosomos yra sujungtos į dar kompaktiškesnes struktūras. Didžioji dalis chromatino yra 30 nm skersmens fibrilių pavidalu. Šis pakavimas atliekamas naudojant kitą histoną H1. Vienoje nukleosomoje yra viena H1 molekulė, kuri sutraukia jungiklio vietą tose vietose, kur DNR patenka į histono šerdį ir palieka ją.
DNR pakuotė žymiai sumažina jos ilgį. Nepaisant to, vidutinis vienos chromosomos chromatino gijos ilgis šiame etape turėtų viršyti branduolio dydį 100 kartų.
Aukštesnės eilės chromatino struktūra yra kilpų serija, kurių kiekvienoje yra apie 20–100 tūkstančių bazinių porų. Kilpos apačioje yra specifinis DNR surišantis baltymas. Tokie baltymai atpažįsta tam tikras dviejų atskirtų chromatino gijos sričių nukleotidų sekas (vietoves) ir jas suartina.

teksto_laukai

rodyklė_aukštyn

Branduolys yra centrinis ląstelės elementas. Chirurginis jo pašalinimas sutrikdo citoplazmos funkcijas. Branduolys atlieka svarbų vaidmenį perduodant paveldimus požymius ir baltymų sintezę. Genetinės informacijos perdavimą iš vienos ląstelės į kitą užtikrina chromosomose esanti dezoksiribonukleino rūgštis (DNR). DNR dubliavimasis vyksta prieš ląstelių dalijimąsi. Branduolio masė skirtingų audinių ląstelėse yra skirtinga ir yra, pavyzdžiui, 10-18% hepatocitų masės, 60% - limfoidinėse ląstelėse. Tarpfazėje (intermitoziniame periode) branduolį vaizduoja keturi elementai: chromatinas, nukleola (nukleolis), nukleoplazma ir branduolio membrana.

Chromatinas

teksto_laukai

rodyklė_aukštyn

Brandžioms ląstelėms (pavyzdžiui, kraujui) būdingi branduoliai, kuriuose gausu tankaus, kondensuoto chromatino, glūdintys gabalėliais. Moterų somatinių ląstelių branduoliuose jį vaizduoja chromatino gumulas, esantis arti branduolio membranos: tai yra moteriškos lyties chromatinas (arba mažasis Barro kūnas), kuris yra kondensuota X chromosoma. Vyrišką lytinį chromatiną vyriškų somatinių ląstelių branduoliuose vaizduoja gumulas, kuris švyti, kai dažomas fluorochromais. Lyties chromatino nustatymas naudojamas, pavyzdžiui, vaiko lyčiai nustatyti naudojant ląsteles, gautas iš nėščios moters vaisiaus vandenų.

Nukleolis

teksto_laukai

rodyklė_aukštyn

Branduolys yra sferinė intrabranduolinė struktūra, neturinti membranos. Jis išsivysto visose ląstelėse, kurioms būdingas didelis baltymų sintezės aktyvumas, susijęs su citoplazminių subvienetų, rRNR, susidarymu joje. Pavyzdžiui, branduolių yra ląstelių, galinčių dalytis, branduoliuose – limfoblastuose, mieloblastuose ir kt.

Šerdies membrana

teksto_laukai

rodyklė_aukštyn

Branduolio membraną vaizduoja du lakštai, tarp kurių esantis tarpas yra sujungtas su endoplazminio tinklo ertme. Membrana turi iki maždaug 100 nm skersmens skylutes (branduolines poras), pro kurias laisvai praeina makromolekulės (ribonukleazės, RNR). Tuo pačiu metu branduolio membrana ir poros palaiko branduolio mikroaplinką, užtikrindamos selektyvų įvairių medžiagų mainus tarp branduolio ir citoplazmos. Blogai diferencijuotoje ląstelėje poros užima iki 10% branduolio paviršiaus, tačiau ląstelei bręstant bendras jų paviršius mažėja.

Nukleoplazma (branduolinės sultys)

teksto_laukai

rodyklė_aukštyn

Nukleoplazma (branduolių sultys) – koloidinis baltymų turintis tirpalas, užtikrinantis metabolitų mainus ir greitą RNR molekulių judėjimą į branduolio poras. Brandinant arba senstant ląstelei, nukleoplazmos kiekis mažėja.

Ląstelių dalijimasis. Mitozė.

teksto_laukai

rodyklė_aukštyn

Mitozė(1.5 pav.) užima tik dalį ląstelės ciklo. Žinduolių ląstelėse mitozinė fazė (M) trunka apie valandą.

Po to seka postmitotinė pauzė (G1), kuriai būdingas didelis baltymų biosintezės aktyvumas ląstelėje, realizuojami transkripcijos ir transliacijos procesai. Pauzės trukmė – apie 10 valandų, tačiau šis laikas labai skiriasi ir priklauso nuo reguliuojančių faktorių, skatinančių ir stabdančių ląstelių dalijimąsi, įtakos, nuo jų aprūpinimo maistinėmis medžiagomis.

Kitai ląstelės ciklo fazei būdinga DNR sintezė (replikacija) (S fazė) ir trunka apie 9 valandas. Po to seka premitozinė G2 fazė, kuri trunka apie 4 valandas. Taigi visas ląstelių ciklas trunka apie 24 valandas:

Ląstelės gali būti ir ramybės fazėje – Eik, ilgai likdamos už ląstelės ciklo ribų. Pavyzdžiui, žmonėms iki 90% kraujodaros kamieninių ląstelių yra Go fazėje, tačiau jų perėjimas iš Go į G1 pagreitėja, kai didėja kraujo ląstelių poreikis.

Didelis ląstelių jautrumas faktoriams, reguliuojantiems jų dalijimąsi G1 fazėje, paaiškinamas tuo, kad šiuo laikotarpiu ant ląstelių membranų vyksta hormonų receptorių, stimuliuojančių ir slopinančių faktorių sintezė. Pavyzdžiui, eritroidinių ląstelių dalijimasis kaulų čiulpuose G fazėje stimuliuoja hormoną eritropoetiną. Šį procesą slopina eritropoezės inhibitorius – medžiaga, kuri sumažina eritrocitų gamybą, kai sumažėja audinių deguonies poreikis (6 skyrius).

Informacijos perdavimas į branduolį apie membraninių receptorių sąveiką su ląstelių dalijimosi stimuliatoriumi apima DNR sintezę, tie. S fazė... Dėl to DNR kiekis ląstelėje pasikeičia iš diploidinio, 2N, į tetraploidinį, 4N. G2 fazėje sintezuojamos mitozei reikalingos struktūros, ypač mitozinio veleno baltymai.

M fazėje tarp dviejų dukterinių ląstelių pasiskirsto identiška genetinė medžiaga. Pati M fazė skirstoma į keturis periodus: profazę, metafazę, anafazę ir telofazę (1.5 pav.).

Profazė būdingas DNR chromosomų kondensacija, sudarydama dvi chromatides, kurių kiekviena yra viena iš dviejų identiškų DNR molekulių. Branduolys ir branduolio apvalkalas išnyksta. Centrioliai, pavaizduoti plonais mikrovamzdeliais, nukrypsta į du ląstelės polius, sudarydami mitozinį veleną.

Į metafazę chromosomos yra ląstelės centre, sudarydamos metafazės plokštelę.Šioje fazėje labiausiai išsiskiria kiekvienos chromosomos morfologija, kuri praktiškai naudojama tiriant ląstelės chromosomų rinkinį.

Anafazė būdingas chromatidų judėjimas, mitozinio veleno skaidulomis „ištraukiamas“ į priešingus ląstelės polius.

Telofazė būdingas branduolinės membranos susidarymas aplink dukterinių chromosomų rinkinį. Ląstelių ciklo ypatybių žinios panaudojamos praktikoje, pavyzdžiui, kuriant citostatines medžiagas leukemijai gydyti. Taigi vinkristino savybė būti nuodu mitoziniam velenui naudojama leukeminių ląstelių mitozei sustabdyti.

Ląstelių diferenciacija

teksto_laukai

rodyklė_aukštyn

Ląstelių diferenciacija – tai specializuotų funkcijų įgijimas ląstelėje, susietas su šių funkcijų atlikimą užtikrinančių struktūrų atsiradimu joje (pavyzdžiui, hemoglobino sintezė ir kaupimasis eritrocituose apibūdina jų diferenciaciją į eritrocitus). Diferenciacija siejama su genetiškai užprogramuotu vienų genomo dalių funkcijų slopinimu (represijomis), kitų – aktyvinimu.