Starpfāzu kodola vispārīgie raksturojumi

Kodols ir vissvarīgākā šūnas sastāvdaļa, kas atrodas gandrīz visās daudzšūnu organismu šūnās. Lielākajai daļai šūnu ir viens kodols, bet ir arī divkodolu un daudzkodolu šūnas (piemēram, šķērssvītrotas muskuļu šķiedras). Divkodolu un daudzkodolu rodas šūnu funkcionālo īpašību vai patoloģiskā stāvokļa dēļ. Kodola forma un izmērs ir ļoti mainīgs un atkarīgs no organisma veida, tipa, vecuma un šūnas funkcionālā stāvokļa. Vidēji kodola tilpums ir aptuveni 10% no kopējā šūnas tilpuma. Visbiežāk kodolam ir apaļa vai ovāla forma, kuras izmērs ir no 3 līdz 10 mikroniem diametrā. Minimālais kodola izmērs ir 1 mikrons (dažiem vienšūņiem), maksimālais ir 1 mm (dažu zivju un abinieku olas). Dažos gadījumos pastāv kodola formas atkarība no šūnas formas. Kodols parasti ieņem centrālo pozīciju, bet diferencētās šūnās tas var tikt pārvietots uz šūnas perifēro daļu. Kodols satur gandrīz visu eikariotu šūnas DNS.

Kodola galvenās funkcijas ir:

1) ģenētiskās informācijas glabāšana un nodošana;

2) Olbaltumvielu sintēzes, vielmaiņas un enerģijas regulēšana šūnā.

Tādējādi kodols ir ne tikai ģenētiskā materiāla tvertne, bet arī vieta, kur šis materiāls funkcionē un vairojas. Tāpēc jebkuras no šīm funkcijām pārkāpums izraisīs šūnu nāvi. Tas viss norāda uz kodolstruktūru vadošo lomu nukleīnskābju un olbaltumvielu sintēzē.

SASĀDĀŠANA

Kodols. Hromatīns, heterohromatīns, eihromatīns.

Kodols (lat. Nucleus) ir viena no eikariotu šūnas strukturālajām sastāvdaļām, kas satur ģenētisko informāciju (DNS molekulas), kas veic galvenās funkcijas: iedzimtas informācijas uzglabāšanu, pārraidi un realizāciju ar proteīnu sintēzi. Kodols sastāv no hromatīna, kodola, karioplazmas (vai nukleoplazmas) un kodola apvalka. Šūnas kodolā notiek replikācija (vai reduplikācija) - DNS molekulu dublēšanās, kā arī transkripcija - RNS molekulu sintēze uz DNS molekulas. Kodolā sintezētās RNS molekulas tiek modificētas un pēc tam izlaistas citoplazmā. Abu ribosomu apakšvienību veidošanās notiek īpašos šūnas kodola veidojumos - nukleolus. Tādējādi šūnas kodols ir ne tikai ģenētiskās informācijas tvertne, bet arī vieta, kur šis materiāls funkcionē un vairojas.

Nedalāmas, starpfāzu šūnas kodols parasti ir viens katrā šūnā (lai gan tiek atrastas arī daudzkodolu šūnas). Kodols sastāv no hromatīna, kodola, karioplazmas (nukleoplazmas) un kodola apvalka, kas to atdala no citoplazmas (17. att.).

Hromatīns

Vērojot dzīvās vai fiksētās šūnas kodola iekšpusē, atklājas blīvas vielas zonas, kuras labi uztver dažādas krāsvielas, īpaši galvenās. Pateicoties šai spējai labi krāsoties, šo kodola komponentu sauca par "hromatīnu" (no grieķu hroma - krāsa, krāsa). Hromatīns satur DNS kombinācijā ar proteīnu. Hromosomām, kas ir skaidri redzamas mitotiskās šūnu dalīšanās laikā, ir tādas pašas īpašības. Nedalāmās (starpfāzu) šūnās gaismas mikroskopā konstatētais hromatīns var vairāk vai mazāk vienmērīgi aizpildīt kodola tilpumu vai atrasties atsevišķos ķekaros.

Starpfāzu kodolu hromatīnu attēlo hromosomas, kuras tomēr šajā laikā zaudē savu kompakto formu, atslābst un dekondensējas. Šādas hromosomu dekondensācijas pakāpe var būt dažāda. To sekciju pilnīgas dekondensācijas zonas morfologi sauc par eihromatīnu (euchromatinum). Ar nepilnīgu hromosomu atslābināšanos starpfāzu kodolā ir redzami kondensētā hromatīna apgabali, ko dažreiz sauc par heterohromatīnu (heterohromatīnu). Hromosomu materiāla - hromatīna dekondensācijas pakāpe starpfāzē var atspoguļot šīs struktūras funkcionālo slodzi. Jo "izkliedētāk" hromatīns ir sadalīts starpfāzu kodolā (t.i., jo vairāk eihromatīna), jo intensīvāki tajā notiek sintētiskie procesi.

Hromatīns maksimāli kondensējas mitotiskās šūnu dalīšanās laikā, kad tas tiek konstatēts blīvu hromosomu veidā. Šajā periodā hromosomas neveic nekādas sintētiskas funkcijas, tās neietver DNS un RNS prekursorus.

Tādējādi šūnu hromosomas var būt divos strukturālos un funkcionālos stāvokļos: aktīvā, darba, daļēji vai pilnībā dekondensētā, kad notiek transkripcijas un reduplikācijas procesi, piedaloties starpfāzu kodolā, un neaktīvas, vielmaiņas miera stāvoklī ar maksimālu kondensāciju. , kad tie veic ģenētiskā materiāla izplatīšanas un pārnešanas uz meitas šūnām funkciju.

Hromatīns

Milzīgais eikariotu DNS molekulu garums noteica īpašu mehānismu rašanos ģenētiskā materiāla uzglabāšanai, replikācijai un ieviešanai. Hromatīnu sauc par hromosomu DNS molekulām kombinācijā ar specifiskiem proteīniem, kas nepieciešami šo procesu īstenošanai. Lielākā daļa ir "uzglabāšanas olbaltumvielas", tā sauktie histoni. Nukleosomas ir veidotas no šīm olbaltumvielām - struktūrām, ap kurām tiek savīti DNS molekulu pavedieni. Nukleosomas ir sakārtotas diezgan regulāri, tā, ka iegūtā struktūra atgādina krelles. Nukleosomu veido četru veidu proteīni: H2A, H2B, H3 un H4. Viena nukleosoma satur divus katra veida proteīnus – kopā astoņas olbaltumvielas. Histons H1, kas ir lielāks par citiem histoniem, saistās ar DNS, kad tā nonāk nukleozomā. Nukleosomu kopā ar H1 sauc par hromatosomu.

DNS virkne ar nukleosomām veido neregulāru solenoīdam līdzīgu struktūru, kuras biezums ir aptuveni 30 nanometri, tā saukto 30 nm fibrilu. Šīs fibrilas tālākai iesaiņošanai var būt atšķirīgs blīvums. Ja hromatīns ir cieši iesaiņots, to sauc par kondensētu vai heterohromatīns Tas ir skaidri redzams zem mikroskopa. DNS, kas atrodas heterohromatīnā, netiek transkribēta, parasti šis stāvoklis ir raksturīgs nenozīmīgiem vai klusiem reģioniem. Starpfāzē heterohromatīns parasti atrodas kodola perifērijā (parietālais heterohromatīns). Pilnīga hromosomu kondensācija notiek pirms šūnu dalīšanās. Ja hromatīns ir brīvi iepakots, to sauc eu vai starphromatīns. Šāda veida hromatīns ir daudz mazāk blīvs, ja to novēro mikroskopā, un to parasti raksturo transkripcijas aktivitātes klātbūtne. Hromatīna iesaiņojuma blīvumu lielā mērā nosaka histona modifikācijas – acetilēšana un fosforilēšana.

Tiek uzskatīts, ka kodolā ir tā sauktie hromatīna funkcionālie domēni (viena domēna DNS satur aptuveni 30 tūkstošus bāzes pāru), tas ir, katrai hromosomas sadaļai ir sava "teritorija". Diemžēl jautājums par hromatīna telpisko sadalījumu kodolā vēl nav pietiekami izpētīts. Ir zināms, ka hromosomu telomēriskie (terminālie) un centromēri (atbildīgi par māsu hromatīdu saistīšanos mitozē) ir fiksēti uz kodola lamina proteīniem.

2. Hromatīns

Hromatīns ir daudzas granulas, kas iekrāsotas ar pamata krāsvielām, no kurām veidojas hromosomas. Hromosomas veido nukleoproteīnu komplekss, kas satur nukleīnskābes un olbaltumvielas. Cilvēka šūnu kodolos starpfāzē ir divu veidu hromatīns - izkliedēts, vāji iekrāsots hromatīns (eihromatīns), ko veido garas, plānas, savstarpēji savītas šķiedras, metaboliski ļoti aktīvs un kondensēts hromatīns (heterohromatīns), kas atbilst hromosomu reģioniem, kas ir nav iesaistīts vielmaiņas aktivitātes kontroles procesos. Nobriedušām šūnām (piemēram, asinīm) ir raksturīgi kodoli, kas bagāti ar blīvu, kondensētu hromatīnu, kas atrodas gabalos. Sieviešu somatisko šūnu kodolos to attēlo hromatīna gabals tuvu kodola membrānai: tas ir sieviešu dzimuma hromatīns (vai Barra ķermeņi), kas ir kondensēta X hromosoma. Vīriešu dzimuma hromatīns ir attēlots vīriešu somatisko šūnu kodolos kā kamols, kas mirdz, krāsojot ar fluorohromiem. Dzimuma hromatīna noteikšanu izmanto, piemēram, bērna dzimuma noteikšanai no šūnām, kas iegūtas no grūtnieces augļa šķidruma.

Bioķīmiskie pētījumi ģenētikā ir nozīmīgs veids, kā pētīt tās galvenos elementus – hromosomas un gēnus. Šajā rakstā mēs apsvērsim, kas ir hromatīns, uzzināsim tā struktūru un funkcijas šūnā.

Iedzimtība ir galvenā dzīvās vielas īpašība

Galvenie procesi, kas raksturo uz Zemes dzīvojošos organismus, ir elpošana, uzturs, augšana, izdalīšanās un vairošanās. Pēdējā funkcija ir visnozīmīgākā dzīvības saglabāšanai uz mūsu planētas. Kā gan lai neatceras, ka pirmais Dieva bauslis Ādamam un Ievai bija šāds: "Augļojieties un vairojieties." Šūnu līmenī ģeneratīvo funkciju veic nukleīnskābes (hromosomu sastāvdaļa). Šīs struktūras tiks izskatītas nākotnē.

Mēs arī piebilstam, ka iedzimtas informācijas saglabāšana un pārsūtīšana pēcnācējiem tiek veikta saskaņā ar vienu mehānismu, kas ir pilnīgi neatkarīgs no indivīda organizācijas līmeņa, tas ir, vīrusam un baktērijām, un cilvēkiem tas ir universāls.

Kāda ir iedzimtības būtība

Šajā darbā mēs pētām hromatīnu, kura struktūra un funkcijas ir tieši atkarīgas no nukleīnskābju molekulu organizācijas. 1869. gadā Šveices zinātnieks Mišers imūnsistēmas šūnu kodolos atklāja savienojumus, kuriem piemīt skābju īpašības, ko viņš vispirms nosauca par nukleīnu un pēc tam par nukleīnskābēm. No ķīmijas viedokļa tie ir lielmolekulārie savienojumi - polimēri. To monomēri ir nukleotīdi ar šādu struktūru: purīna vai pirimidīna bāze, pentoze un atlikums Zinātnieki ir atklājuši, ka šūnās var būt divu veidu RNS. Tie ir kompleksi ar olbaltumvielām un veido hromosomu vielu. Tāpat kā olbaltumvielām, arī nukleīnskābēm ir vairāki telpiskās organizācijas līmeņi.

1953. gadā Nobela prēmijas laureāti Vatsons un Kriks atšifrēja DNS struktūru. Tā ir molekula, kas sastāv no divām ķēdēm, kas savstarpēji savienotas ar ūdeņraža saitēm, kas rodas starp slāpekļa bāzēm saskaņā ar komplementaritātes principu (adenīns atrodas pretī timīna bāzei, pretējā citozīnam ir guanīna bāze). Hromatīns, kura struktūru un funkcijas pētām, satur dažādas konfigurācijas dezoksiribonukleīnskābju un ribonukleīnskābju molekulas. Sīkāk par šo jautājumu pakavēsimies sadaļā "Hromatīna organizācijas līmeņi".

Iedzimtības vielas lokalizācija šūnā

DNS atrodas tādās citostruktūrās kā kodols, kā arī dalīties spējīgās organellās - mitohondrijās un hloroplastos. Tas ir saistīts ar faktu, ka šīs organellas veic svarīgākās funkcijas šūnā: kā arī glikozes sintēzi un skābekļa veidošanos augu šūnās. Dzīves cikla sintētiskajā posmā mātes organelli dubultojas. Tādējādi mitozes (somatisko šūnu dalīšanās) vai mejozes (olšūnu un spermatozoīdu veidošanās) rezultātā meitas šūnas saņem nepieciešamo šūnu struktūru arsenālu, kas nodrošina šūnas ar barības vielām un enerģiju.

Ribonukleīnskābe sastāv no vienas virknes, un tai ir mazāka molekulmasa nekā DNS. Tas atrodas gan kodolā, gan hialoplazmā, kā arī ir daļa no daudzām šūnu organellām: ribosomām, mitohondrijiem, endoplazmatiskajiem tīkliem, plastidiem. Hromatīns šajās organellās ir saistīts ar histona proteīniem un ir daļa no plazmīdām - gredzenveida slēgtām DNS molekulām.

Hromatīns un tā struktūra

Tātad, mēs esam noskaidrojuši, ka nukleīnskābes atrodas hromosomu vielā - iedzimtības struktūrvienībās. Viņu hromatīns elektronu mikroskopā izskatās kā granulas vai pavedienu veidojumi. Tajā papildus DNS ir arī RNS molekulas, kā arī olbaltumvielas, kurām piemīt pamatīpašības un ko sauc par histoniem. Visas iepriekš minētās nukleosomas. Tie atrodas kodola hromosomās un tiek saukti par fibrilām (pavedieniem-solenoīdiem). Apkopojot visu iepriekš minēto, mēs definējam, kas ir hromatīns. Tas ir sarežģīts savienojums un īpaši proteīni - histoni. Uz tām, tāpat kā uz spolēm, tiek uzvilktas divpavedienu DNS molekulas, veidojot nukleosomas.

Hromatīna organizācijas līmeņi

Iedzimtības vielai ir atšķirīga struktūra, kas ir atkarīga no daudziem faktoriem. Piemēram, tas ir atkarīgs no tā, kādu dzīves cikla posmu šūna piedzīvo: dalīšanās periods (metoze vai mejoze), presintētiskais vai sintētiskais starpfāzes periods. No solenoīda vai fibrila formas, kā vienkāršākā, notiek turpmāka hromatīna sablīvēšanās. Heterohromatīns - blīvāks stāvoklis, veidojas hromosomas intronu reģionos, uz kuriem transkripcija nav iespējama. Šūnas atpūtas periodā – starpfāzē, kad nenotiek dalīšanās process – heterohromatīns atrodas kodola karioplazmā gar perifēriju, tās membrānas tuvumā. Kodola satura sablīvēšanās notiek šūnu dzīves cikla postsintētiskajā stadijā, tas ir, tieši pirms dalīšanās.

Kas nosaka iedzimtības vielas kondensāciju

Turpinot pētīt jautājumu "kas ir hromatīns", zinātnieki atklāja, ka tā sablīvēšanās ir atkarīga no histona proteīniem, kas kopā ar DNS un RNS molekulām ir daļa no nukleosomām. Tie sastāv no četru veidu olbaltumvielām, ko sauc par kodolproteīniem un linkerolbaltumvielām. Transkripcijas laikā (informācijas nolasīšana no gēniem, izmantojot RNS) iedzimtības viela ir vāji kondensēta un tiek saukta par eihromatīnu.

Pašlaik turpina pētīt ar histona proteīniem saistīto DNS molekulu sadalījuma iezīmes. Piemēram, zinātnieki ir atklājuši, ka vienas hromosomas dažādu lokusu hromatīns atšķiras kondensācijas līmenī. Piemēram, vārpstas šķiedru piestiprināšanas vietās pie hromosomas, ko sauc par centromēriem, tas ir blīvāks nekā telomēriskajos reģionos - termināla lokusos.

Regulējošie gēni un hromatīna sastāvs

Franču ģenētiķu Jēkaba un Monoda radītā gēnu aktivitātes regulēšanas koncepcija sniedz priekšstatu par dezoksiribonukleīnskābes reģionu esamību, kuros nav informācijas par olbaltumvielu struktūrām. Viņi veic tīri birokrātiskas – vadības funkcijas. Šo hromosomu daļu, ko sauc par regulatorgēniem, struktūrā parasti nav histona proteīnu. Hromatīns, kura definīcija tika veikta ar sekvencēšanu, tika saukta par atvērtu.

Turpmāko pētījumu gaitā tika konstatēts, ka šie loki satur nukleotīdu sekvences, kas neļauj proteīna daļiņām pievienoties DNS molekulām. Šādās vietās ir regulējošie gēni: promotori, pastiprinātāji, aktivatori. Hromatīna sablīvēšanās tajos ir augsta, un šo reģionu garums ir vidēji aptuveni 300 nm. Ir atklāta hromatīna definīcija izolētos kodolos, kas izmanto fermentu DNāzi. Tas ļoti ātri šķeļ hromosomu lokusus, kuriem trūkst histona proteīnu. Hromatīns šajos reģionos tiek saukts par paaugstinātu jutību.

Iedzimtības vielas loma

Kompleksi, tostarp DNS, RNS un proteīns, ko sauc par hromatīnu, ir iesaistīti šūnu ontoģenēzē un maina savu sastāvu atkarībā no audu veida, kā arī no organisma attīstības stadijas kopumā. Piemēram, ādas epitēlija šūnās tādus gēnus kā pastiprinātājs un promotors bloķē represorproteīni, savukārt tie paši regulējošie gēni darbojas zarnu epitēlija sekrēcijas šūnās un atrodas atvērtajā hromatīna zonā. Ģenētikas zinātnieki ir atklājuši, ka DNS, kas nekodē proteīnus, veido vairāk nekā 95% no visa cilvēka genoma. Tas nozīmē, ka ir daudz vairāk kontroles gēnu nekā tie, kas ir atbildīgi par peptīdu sintēzi. Tādu paņēmienu kā DNS mikroshēmu un sekvencēšanas ieviešana ļāva noskaidrot, kas ir hromatīns, un rezultātā kartēt cilvēka genomu.

Hromatīna pētījumi ir ļoti svarīgi tādās zinātnes nozarēs kā cilvēka ģenētika un medicīniskā ģenētika. Tas ir saistīts ar strauji palielinātu iedzimtu slimību - gan gēnu, gan hromosomu - sastopamības līmeni. Šo sindromu agrīna atklāšana palielina pozitīvās prognozes procentuālo daļu to ārstēšanā.

Karioplazma

Karioplazma (kodolsula, nukleoplazma) ir galvenā kodola iekšējā vide, tā aizņem visu telpu starp kodolu, hromatīnu, membrānām, visa veida ieslēgumiem un citām struktūrām. Karioplazma zem elektronu mikroskopa izskatās kā viendabīga vai smalkgraudaina masa ar zemu elektronu blīvumu. Tas satur ribosomas, mikroorganismus, globulīnus un dažādus vielmaiņas produktus suspendētā stāvoklī.

Kodolsulas viskozitāte ir aptuveni tāda pati kā citoplazmas galvenās vielas viskozitāte. Kodolsulas skābums, kas noteikts ar indikatoru mikroinjekciju kodolā, izrādījās nedaudz augstāks nekā citoplazmā.

Turklāt kodolu sula satur fermentus, kas iesaistīti nukleīnskābju sintēzē kodolā un ribosomās. Kodolsula nav iekrāsota ar bāziskām krāsvielām, tāpēc to dēvē par ahromatisko vielu jeb kariolimfu, atšķirībā no vietām, kuras var iekrāsot - hromatīnu.

Hromatīns

Kodolu galvenā sastāvdaļa ir hromatīns, struktūra, kas veic šūnas ģenētisko funkciju, gandrīz visa ģenētiskā informācija ir iestrādāta hromatīna DNS.

Eikariotu hromosomas parādās kā skaidri noteiktas struktūras tikai tieši pirms mitozes, kodola dalīšanās procesa somatiskajās šūnās, un tās laikā. Atpūtas, nedalāmās eikariotu šūnās hromosomu materiāls, ko sauc par hromatīnu, izskatās izplūdis un šķiet nejauši sadalīts visā kodolā. Tomēr, šūnai gatavojoties dalīšanai, hromatīns kondensējas un uzkrājas sugai raksturīgo skaidri noteiktu hromosomu skaitā.

Hromatīns tika izolēts no kodoliem un analizēts. Tas sastāv no ļoti smalkām šķiedrām. Galvenās hromatīna sastāvdaļas ir DNS un olbaltumvielas, starp kurām lielākā daļa ir histoni un nehistona proteīni.Vidēji aptuveni 40% hromatīna ir DNS un aptuveni 60% ir olbaltumvielas, starp kurām specifiskie kodola histonu proteīni ir robežās no 40 līdz 80 % no visiem proteīniem, kas veido izvēlēto hromatīnu. Turklāt hromatīna frakciju sastāvā ietilpst membrānas komponenti, RNS, ogļhidrāti, lipīdi, glikoproteīni.

Hromatīna šķiedras hromosomā ir salocītas un veido daudzus mezgliņus un cilpas. DNS hromatīnā ir ļoti cieši saistīta ar proteīniem, ko sauc par histoniem, kuru funkcija ir iepakot un sakārtot DNS struktūrvienībās - nukleozomās. Hromatīns satur arī vairākus nehistona proteīnus. Atšķirībā no eikariotu, baktēriju hromosomas nesatur histonus; tajos ir tikai neliels daudzums proteīnu, kas veicina cilpu veidošanos un DNS kondensāciju (sablīvēšanos).

Vērojot daudzas dzīvas šūnas, īpaši augu šūnas, vai šūnas pēc fiksācijas un iekrāsošanas kodola iekšienē, atklājas blīvas vielas zonas, kuras labi iekrāso ar dažādām krāsvielām, īpaši pamata. Hromatīna spēja uztvert bāziskās (sārmainās) krāsvielas liecina par tā skābajām īpašībām, kuras nosaka tas, ka hromatīns satur DNS kombinācijā ar olbaltumvielām. Hromosomām, kuras var novērot mitotisko šūnu dalīšanās laikā, ir tādas pašas krāsošanas īpašības un DNS saturs.

Atšķirībā no prokariotu šūnām, eikariotu hromatīna DNS saturošais materiāls var pastāvēt divos alternatīvos stāvokļos: dekondensēts starpfāzē un maksimāli sablīvēts mitozes laikā, kā daļa no mitotiskām hromosomām.

Nedalāmās (starpfāzu) šūnās hromatīns var vienmērīgi aizpildīt kodola tilpumu vai atrasties atsevišķos puduros (hromocentros). Bieži vien tas ir īpaši skaidri nosakāms kodola perifērijā (parietālais, marginālais, gandrīz membrānas hromatīns) vai kodola iekšpusē veido diezgan biezu (apmēram 0,3 μm) un garu pavedienu mudžekli intranukleāra tīkla veidā.

Starpfāzu kodolu hromatīns ir DNS nesējs ķermenis (hromosoma), kas šajā laikā zaudē savu kompakto formu, atslābst, dekondensējas. Šādas hromosomu dekondensācijas pakāpe dažādu šūnu kodolos var būt atšķirīga. Kad hromosoma vai tās daļa ir pilnībā dekondensēta, šīs zonas sauc par difūzo hromatīnu. Ar nepilnīgu hromosomu atslābināšanos starpfāžu kodolā ir redzami kondensētā hromatīna (dažreiz saukta par heterohromatīnu) apgabali. Daudzi darbi ir parādījuši, ka hromosomu materiāla, hromatīna, dekondensācijas pakāpe starpfāzē var atspoguļot šīs struktūras funkcionālo slodzi. Jo difūzāks ir starpfāzu kodola hromatīns, jo augstāki sintētiskie procesi tajā. RNS sintēzes laikā mainās hromatīna struktūra. DNS un RNS sintēzes samazināšanos šūnās parasti pavada kondensēto hromatīna zonu palielināšanās.

Hromatīns maksimāli kondensējas mitotiskās šūnu dalīšanās laikā, kad tas tiek atrasts ķermeņu – hromosomu veidā. Šajā periodā hromosomas nenes nekādas sintētiskas slodzes, tās neietver DNS un RNS prekursorus.

Pamatojoties uz to, var uzskatīt, ka šūnu hromosomas var būt divos strukturālos un funkcionālos stāvokļos: darba, daļēji vai pilnībā dekondensētās, kad notiek transkripcijas un reduplikācijas procesi, piedaloties starpfāzes kodolā, un neaktīvās - stāvoklī vielmaiņas atpūta maksimāli to kondensācija, kad tie veic ģenētiskā materiāla izplatīšanas un pārneses uz meitas šūnām funkciju.

Eihromatīns un heterohromatīns

Strukturizācijas pakāpi, hromatīna kondensāciju starpfāzu kodolos var izteikt dažādi. Tādējādi ātri dalošās un vāji specializētās šūnās kodoliem ir difūza struktūra, papildus šaurajai kondensētā hromatīna perifērajai malai tajos ir atrodams neliels skaits mazu hromocentru, savukārt galveno kodola daļu aizņem difūzs. , dekondensēts hromatīns. Tajā pašā laikā ļoti specializētās šūnās vai šūnās, kas pabeidz savu dzīves ciklu, hromatīns tiek parādīts masīva perifēra slāņa un lielu hromocentru, kondensēta hromatīna bloku veidā. Jo lielāks kondensētā hromatīna īpatsvars kodolā, jo zemāka ir kodola vielmaiņas aktivitāte. Ar dabisku vai eksperimentālu kodolu inaktivāciju notiek progresīva hromatīna kondensācija, un, gluži pretēji, aktivizējoties kodoliem, palielinās difūzā hromatīna īpatsvars.

Tomēr vielmaiņas aktivācijas laikā ne visas kondensētā hromatīna zonas var pāriet difūzā formā. Jau pagājušā gadsimta 30. gadu sākumā E. Geitss atzīmēja, ka starpfāzu kodolos ir pastāvīgas kondensētā hromatīna zonas, kuru klātbūtne nav atkarīga ne no audu diferenciācijas pakāpes, ne no šūnu funkcionālās aktivitātes. Šādas zonas sauc par heterohromatīnu, atšķirībā no pārējās hromatīna masas - eihromatīna (pats hromatīns). Saskaņā ar šīm idejām heterohromatīns ir kompaktas hromosomu sadaļas, kas parādās profāzē agrāk nekā citas mitotisko hromosomu sastāva daļas un nedekondensējas telofāzē, pārejot starpfāzu kodolā intensīvas krāsas blīvu struktūru (hromocentru) veidā. Hromosomu centromēriskie un telomēriskie reģioni visbiežāk ir pastāvīgi kondensētas zonas. Papildus tiem dažas sadaļas, kas veido hromosomu zarus, var pastāvīgi kondensēties - starpkalārais jeb interkalārais heterohromatīns, kas arī kodolos atrodas hromocentru veidā. Šādas pastāvīgi kondensētas hromosomu daļas starpfāzu kodolos tagad parasti sauc par konstitutīvo (pastāvīgo) heterohromatīnu. Jāatzīmē, ka konstitutīvā heterohromatīna reģioniem ir vairākas pazīmes, kas to atšķir no pārējā hromatīna. Konstitutīvais heterohromatīns nav ģenētiski aktīvs; tas nav transkribēts, replikējas vēlāk nekā pārējais hromatīns, tajā ir iekļauta īpaša (satelīta) DNS, kas bagātināta ar izteikti atkārtojošām nukleotīdu sekvencēm, tas ir lokalizēts mitotisko hromosomu centromēriskajā, telomēriskajā un starpkalāriskajā zonā. Konstitutīvā hromatīna proporcija dažādos objektos var atšķirties. Konstitutīvā heterohromatīna funkcionālā nozīme nav pilnībā noskaidrota. Tiek pieņemts, ka tai ir vairākas svarīgas funkcijas, kas saistītas ar homologu savienošanu pārī mejozē, ar starpfāzu kodola strukturēšanu un ar dažām regulējošām funkcijām.

Pārējais, kodolhromatīna lielākā daļa var mainīt tā sablīvēšanās pakāpi atkarībā no funkcionālās aktivitātes, tas pieder eihromatīnam. Eihromatiski neaktīvos reģionus, kas atrodas kondensētā stāvoklī, sāka saukt par fakultatīvo heterohromatīnu, uzsverot šāda stāvokļa izvēles iespējamību.

Diferencētās šūnās tikai aptuveni 10% gēnu ir aktīvā stāvoklī, pārējie gēni ir inaktivēti un ir daļa no kondensētā hromatīna (fakultatīvā heterohromatīna). Šis apstāklis izskaidro, kāpēc lielākā daļa kodolhromatīna ir strukturēta.

hromatīna DNS

Hromatīna preparātā DNS parasti veido 30-40%. Šī DNS ir divpavedienu spirālveida molekula, kas līdzīga tīrai izolētai DNS ūdens šķīdumos. Hromatīna DNS molekulmasa ir 7–9 106. Kā daļu no hromosomām atsevišķu lineāro (atšķirībā no prokariotu hromosomām) DNS molekulu garums var sasniegt simtiem mikrometru un pat vairākus centimetrus. Kopējais DNS daudzums, kas iekļauts šūnu kodolstruktūrās, organismu genomā, svārstās.

Eikariotu šūnu DNS pēc sastāva ir neviendabīga, satur vairākas nukleotīdu secību klases: bieži atkārtotas sekvences (>106 reizes), kas ietilpst satelīta DNS frakcijā un netiek transkribētas; daļa no vidēji atkārtojamām sekvencēm (102-105), kas pārstāv īstu gēnu blokus, kā arī īsas sekvences, kas izkaisītas visā genomā; daļa unikālu secību, kas satur informāciju par lielāko daļu šūnu proteīnu. Visas šīs nukleotīdu klases ir saistītas vienā milzīgā kovalentā DNS virknē.

Galvenie hromatīna proteīni ir histoni

Šūnas kodolā vadošā loma DNS izkārtojuma organizēšanā, tās blīvēšanā un funkcionālo slodžu regulēšanā pieder kodolproteīniem. Proteīni hromatīnā ir ļoti dažādi, taču tos var iedalīt divās grupās: histoni un nehistona proteīni. Histoni veido līdz pat 80% no visiem hromatīna proteīniem. To mijiedarbība ar DNS notiek sāls vai jonu saišu dēļ, un tā ir nespecifiska attiecībā uz DNS molekulas nukleotīdu sastāvu vai sekvencēm. Eikariotu šūna satur tikai 5–7 veidu histona molekulas. Atšķirībā no histoniem, tā sauktie nehistona proteīni pārsvarā specifiski mijiedarbojas ar noteiktām DNS molekulu sekvencēm, šajā grupā ir iekļauts ļoti liels proteīnu veidu klāsts (vairāki simti), un tiem ir ļoti daudz dažādu funkciju. veikt.

Histoniem - proteīniem, kas raksturīgi tikai hromatīnam - ir vairākas īpašas īpašības. Tie ir bāziski jeb sārmaini proteīni, kuru īpašības nosaka salīdzinoši augstais tādu bāzisko aminoskābju kā lizīns un arginīns saturs. Tieši lizīna un arginīna aminogrupu pozitīvie lādiņi nosaka šo proteīnu sāls vai elektrostatisko saiti ar negatīvajiem lādiņiem uz DNS fosfātu grupām.

Histoni ir relatīvi mazi proteīni pēc molekulmasas. Histonu klases atšķiras viena no otras ar dažādu pamata aminoskābju saturu. Visu klašu histoniem raksturīgs galveno aminoskābju - lizīna un arginīna - klasteru sadalījums molekulu N- un C-galos. Histona molekulu vidējās sekcijas veido vairākas (3-4) 6-spirālveida sekcijas, kuras izotoniskos apstākļos tiek sablīvētas lodveida struktūrā. Histonu proteīnu molekulu nespiralizētie gali, kas bagāti ar pozitīviem lādiņiem, veic savienojumu savā starpā un ar DNS.

Šūnu dzīves laikā var rasties histonu pēctranslācijas izmaiņas (modifikācijas): dažu lizīna atlikumu acetilēšana un metilēšana, kas izraisa pozitīvo lādiņu skaita zudumu, un serīna atlikumu fosforilēšanās, kā rezultātā parādās negatīvs lādiņš. Histonu acetilēšana un fosforilēšana var būt atgriezeniska. Šīs modifikācijas būtiski maina histonu īpašības, to spēju saistīties ar DNS.

Histoni tiek sintezēti citoplazmā, tiek transportēti uz kodolu un saistās ar DNS tās replikācijas laikā S-periodā, t.i. histonu un DNS sintēzes tiek sinhronizētas. Kad šūna pārtrauc DNS sintēzi, histona ziņojuma RNS sadalās dažu minūšu laikā un histona sintēze apstājas. Hromatīnā iekļautie histoni ir ļoti stabili un tiem ir zems nomaiņas ātrums.

Histona proteīnu funkcijas

1. Histonu kvantitatīvais un kvalitatīvais stāvoklis ietekmē hromatīna kompaktuma un aktivitātes pakāpi.

2. Strukturālā - blīvēšana - histonu loma hromatīna organizācijā.

Lai milzīgas centimetrus garas DNS molekulas ietilptu tikai dažus mikrometrus lielas hromosomas garumā, DNS molekula ir jāsagriež, jāsablīvē ar iepakojuma blīvumu 1: 10 000. DNS sablīvēšanas procesā ir vairāki iepakojuma līmeņi, no kuriem pirmo tieši nosaka histonu mijiedarbība ar DNS

Gandrīz visa šūnas DNS atrodas kodolā. DNS ir garš lineārs polimērs, kas satur daudzus miljonus nukleotīdu. Izšķir četrus DNS nukleotīdu veidus slāpekļa bāzes. Nukleotīdi ir sakārtoti tādā secībā, kas apzīmē koda formu iedzimtības informācijas ierakstīšanai.
Lai ieviestu šo informāciju, tā tiek pārrakstīta vai pārrakstīta īsākos mRNS pavedienos. Ģenētiskā koda simboli mRNS ir nukleotīdu tripleti - kodoni. Katrs kodons apzīmē vienu no aminoskābēm. Katra DNS molekula atbilst atsevišķai hromosomai, un visa organisma hromosomās glabātā ģenētiskā informācija tiek saukta genoms.
Augstāko organismu genoms satur pārmērīgu DNS daudzumu, tas nav saistīts ar organisma sarežģītību. Ir zināms, ka cilvēka genomā ir 700 reižu vairāk DNS nekā Escherichia coli baktērija. Tajā pašā laikā dažu abinieku un augu genoms ir 30 reizes lielāks nekā cilvēka genoms. Mugurkaulniekiem vairāk nekā 90% DNS nav būtiskas. DNS glabāto informāciju organizē, nolasa un replikē dažādi proteīni.
Kodola galvenie strukturālie proteīni ir histonu proteīni raksturīga tikai eikariotu šūnām. Histoni ir mazi, stipri bāziski proteīni. Šī īpašība ir saistīta ar to, ka tie ir bagātināti ar pamata aminoskābēm - lizīnu un arginīnu. Histonus raksturo arī triptofāna trūkums. Tie ir vieni no konservatīvākajiem no visiem zināmajiem proteīniem, piemēram, govīm un zirņiem H4 atšķiras tikai ar diviem aminoskābju atlikumiem. Olbaltumvielu kompleksu ar DNS eikariotu šūnu kodolos sauc par hromatīnu.
Novērojot šūnas ar gaismas mikroskopu, hromatīns tiek atklāts kodolos kā blīvas vielas zonas, kas ir labi iekrāsotas ar pamata krāsvielām. Padziļināta hromatīna struktūras izpēte sākās 1974. gadā, kad tā galveno struktūrvienību aprakstīja dzīvesbiedri Ada un Donalds Olins, to sauca par nukleozomu.
Nukleosomas ļauj kompaktāk salocīt garu DNS molekulas ķēdi. Tātad katrā cilvēka hromosomā DNS virknes garums ir tūkstošiem reižu lielāks par kodola izmēru. Elektronu fotogrāfijās nukleosoma izskatās kā diska formas daļiņa, kuras diametrs ir aptuveni 11 nm. Tās kodols ir astoņu histonu molekulu komplekss, kurā četri histoni H2A, H2B, H3 un H4 ir attēloti pa divām molekulām. Šie histoni veido nukleosomas iekšējo daļu, histona kodolu. Ap histona kodolu ir aptīta DNS molekula, kas satur 146 bāzes pārus. Tas veido divus nepilnīgus apgriezienus ap nukleosomas histona kodolu ar 83 nukleotīdu pāriem katrā pagriezienā. Katru nukleosomu no nākamās atdala DNS linkera secība, kas var būt līdz 80 nukleotīdiem gara. Šī struktūra atgādina krelles uz auklas.
Aprēķins parāda, ka cilvēka DNS, kurā ir 6x10 9 nukleotīdu pāri, jāsatur 3x10 7 nukleosomas. Dzīvās šūnās hromatīnam reti ir šāds izskats. Nukleosomas ir savienotas viena ar otru vēl kompaktākās struktūrās. Lielākajai daļai hromatīna ir fibrilu forma ar diametru 30 nm. Šāda iepakošana tiek veikta ar cita H1 histona palīdzību. Katrā nukleosomā ir viena H1 molekula, kas savieno linkera vietu punktos, kur DNS ieiet un iziet no histona kodola.
DNS iepakojums ievērojami samazina tā garumu. Neskatoties uz to, vienas hromosomas hromatīna pavediena vidējam garumam šajā posmā vajadzētu 100 reizes pārsniegt kodola izmēru.
Augstākas kārtas hromatīna struktūra ir virkne cilpu, no kurām katra satur apmēram 20 līdz 100 tūkstošus bāzes pāru. Cilpas pamatnē ir vietai specifisks DNS saistošs proteīns. Šādi proteīni atpazīst noteiktas nukleotīdu sekvences (vietas) no divām attālām hromatīna pavediena sekcijām un tuvina tās.

teksta_lauki

bultiņa_augšup

Kodols ir šūnas centrālais elements. Tā tūlītēja noņemšana izjauc citoplazmas funkcijas. Kodolam ir liela nozīme iedzimto īpašību pārnešanā un olbaltumvielu sintēzē. Ģenētiskās informācijas pārnešanu no vienas šūnas uz otru nodrošina hromosomās esošā dezoksiribonukleīnskābe (DNS). DNS dublēšanās notiek pirms šūnu dalīšanās. Kodola masa dažādu audu šūnās ir atšķirīga un ir, piemēram, 10-18% no hepatocīta masas, 60% limfoīdās šūnās. Starpfāzē (intermitotiskajā periodā) kodolu attēlo četri elementi: hromatīns, kodols (nucleolus), nukleoplazma un kodola membrāna.

Hromatīns

teksta_lauki

bultiņa_augšup

Nobriedušām šūnām (piemēram, asinīm) ir raksturīgi kodoli, kas bagāti ar blīvu, kondensētu hromatīnu, kas atrodas gabalos. Sieviešu somatisko šūnu kodolos to attēlo hromatīna gabals tuvu kodola membrānai: tas ir sieviešu dzimuma hromatīns (vai Barra ķermeņi), kas ir kondensēta X hromosoma. Vīriešu dzimuma hromatīns ir attēlots vīriešu somatisko šūnu kodolos kā kamols, kas mirdz, krāsojot ar fluorohromiem. Dzimuma hromatīna noteikšanu izmanto, piemēram, bērna dzimuma noteikšanai no šūnām, kas iegūtas no grūtnieces augļa šķidruma.

kodols

teksta_lauki

bultiņa_augšup

Kodols ir sfēriskas formas intranukleāra struktūra, kurai nav membrānas. Tas attīstās visās šūnās, kurām raksturīga augsta proteīnu sintēzes aktivitāte, kas saistīta ar citoplazmas apakšvienību, rRNS, veidošanos tajā. Piemēram, nukleoli ir atrodami dalīties spējīgu šūnu kodolos – limfoblastos, mieloblastos utt.

kodola membrāna

teksta_lauki

bultiņa_augšup

Kodolmembrānu attēlo divas loksnes, starp kurām lūmenis ir savienots ar endoplazmatiskā retikuluma dobumu. Membrānā ir caurumi (kodolporas) diametrā līdz aptuveni 100 nm, caur kurām brīvi iziet makromolekulas (ribonukleāzes, RNS). Tajā pašā laikā kodola membrāna un poras uztur kodola mikrovidi, nodrošinot selektīvu dažādu vielu apmaiņu starp kodolu un citoplazmu. Vāji diferencētā šūnā poras aizņem līdz 10% no kodola virsmas, bet šūnai nobriestot, to kopējā virsma samazinās.

Nukleoplazma (kodolu sula)

teksta_lauki

bultiņa_augšup

Nukleoplazma (kodolsula) ir olbaltumvielas saturošs koloidāls šķīdums, kas nodrošina metabolītu apmaiņu un RNS molekulu ātru pārvietošanos uz kodola porām. Nukleoplazmas daudzums samazinās līdz ar šūnas nobriešanu vai novecošanos.

Šūnu dalīšanās. Mitoze.

teksta_lauki

bultiņa_augšup

Mitoze(1.5. att.) aizņem tikai daļu no šūnas cikla. Zīdītāju šūnās mitotiskā fāze (M) ilgst apmēram stundu.

Tam seko postmitotiskā pauze (G1), kam raksturīga augsta proteīna biosintēzes aktivitāte šūnā, tiek realizēti transkripcijas un translācijas procesi. Pauzes ilgums ir aptuveni 10 stundas, taču šis laiks ievērojami atšķiras un ir atkarīgs no regulējošo faktoru ietekmes, kas stimulē un kavē šūnu dalīšanos, uz barības vielu piegādi.

Nākamo šūnu cikla fāzi raksturo DNS sintēze (replikācija). (S fāze) un aizņem apmēram 9 stundas. Tam seko premitotiskā fāze G2, kas ilgst aptuveni 4 stundas. Tādējādi viss šūnu cikls ilgst aptuveni 24 stundas:

Šūnas var būt arī miera fāzē – Ej, ilgstoši paliekot ārpus šūnu cikla. Piemēram, cilvēkiem līdz pat 90% hematopoētisko cilmes šūnu atrodas Go fāzē, bet to pāreja no Go uz G1 paātrinās, palielinoties pieprasījumam pēc asins šūnām.

Šūnu augstā jutība pret faktoriem, kas regulē to dalīšanos G1 fāzē, skaidrojama ar hormonu receptoru, stimulējošu un inhibējošu faktoru sintēzi uz šūnu membrānām šajā periodā. Piemēram, eritroīdo šūnu dalīšanās kaulu smadzenēs G fāzē stimulē hormona eritropoetīnu. Šo procesu kavē eritropoēzes inhibitors – viela, kas samazina sarkano asins šūnu veidošanos, ja samazinās audu pieprasījums pēc skābekļa (6. nodaļa).

Informācijas nodošana kodolam par membrānas receptoru mijiedarbību ar šūnu dalīšanās stimulatoru ietver DNS sintēzi, tie. S fāze. Rezultātā DNS daudzums šūnā mainās no diploīda, 2N, uz tetraploīdu, 4N. G2 fāzē tiek sintezētas mitozei nepieciešamās struktūras, jo īpaši mitotiskās vārpstas olbaltumvielas.

M fāzē identiska ģenētiskā materiāla sadalījums starp divām meitas šūnām. Pati fāze M iedalās četros periodos: profāze, metafāze, anafāze un telofāze (1.5. att.).

Profāze ko raksturo DNS hromosomu kondensācija, veidojot divas hromatīdas, no kurām katra ir viena no divām identiskām DNS molekulām. Kodols un kodola apvalks pazūd. Centrioles, ko attēlo plānas mikrotubulas, novirzās uz diviem šūnas poliem, veidojot mitotisku vārpstu.

metafāzē hromosomas atrodas šūnas centrā, veidojot metafāzes plāksni.Šajā fāzē katras hromosomas morfoloģija ir visizteiktākā, ko praksē izmanto šūnas hromosomu kopas pētīšanai.

Anafāze ko raksturo hromatīdu kustība, ko mitotiskās vārpstas šķiedras "izvelk" uz šūnas pretējiem poliem.

Telofāze ko raksturo kodolmembrānas veidošanās ap meitas hromosomu komplektu. Zināšanas par šūnu cikla iezīmēm tiek izmantotas praksē, piemēram, veidojot citostatiskas vielas leikēmijas ārstēšanai. Tādējādi vinkristīna īpašība būt par inde mitotiskajai vārpstai tiek izmantota, lai apturētu leikēmijas šūnu mitozi.

Šūnu diferenciācija

teksta_lauki

bultiņa_augšup

Šūnu diferenciācija ir specializētu funkciju iegūšana šūnai, kas saistīta ar struktūru parādīšanos, kas nodrošina šo funkciju izpildi (piemēram, hemoglobīna sintēze un uzkrāšanās eritrocītos raksturo to diferenciāciju eritrocītos). Diferenciācija ir saistīta ar ģenētiski ieprogrammētu dažu genoma daļu funkciju kavēšanu (represiju) un citu aktivizēšanu.