Ciri umum nukleus antara fasa

Nukleus adalah komponen paling penting dalam sel, yang terdapat dalam hampir semua sel organisma multiselular. Kebanyakan sel mempunyai satu nukleus, tetapi terdapat sel binukleus dan multinukleus (contohnya, gentian otot berjalur). Dwi dan multinukleasi adalah disebabkan oleh ciri fungsi atau keadaan patologi sel. Bentuk dan saiz nukleus sangat berubah-ubah dan bergantung kepada jenis organisma, jenis, umur dan keadaan fungsi sel. Secara purata, isipadu nukleus adalah lebih kurang 10% daripada jumlah isipadu sel. Selalunya, nukleus mempunyai bentuk bulat atau bujur, bersaiz antara 3 hingga 10 mikron diameter. Saiz minimum nukleus ialah 1 mikron (dalam sesetengah protozoa), maksimum ialah 1 mm (telur sesetengah ikan dan amfibia). Dalam sesetengah kes, terdapat pergantungan bentuk nukleus pada bentuk sel. Nukleus biasanya menduduki kedudukan pusat, tetapi dalam sel yang dibezakan ia boleh disesarkan ke bahagian periferi sel. Hampir semua DNA sel eukariotik tertumpu di dalam nukleus.

Fungsi utama kernel ialah:

1) Penyimpanan dan penghantaran maklumat genetik;

2) Mengawal sintesis protein, metabolisme dan tenaga dalam sel.

Oleh itu, nukleus bukan sahaja bekas untuk bahan genetik, tetapi juga tempat di mana bahan ini berfungsi dan membiak. Oleh itu, gangguan mana-mana fungsi ini akan membawa kepada kematian sel. Semua ini menunjukkan peranan utama struktur nuklear dalam sintesis asid nukleik dan protein.

MENGGEMPARKAN

teras. Kromatin, heterochromatin, euchromatin.

Nukleus (lat.nucleus) adalah salah satu komponen struktur sel eukariotik, yang mengandungi maklumat genetik (molekul DNA), melaksanakan fungsi utama: penyimpanan, penghantaran dan pelaksanaan maklumat keturunan dengan penyediaan sintesis protein. Nukleus terdiri daripada kromatin, nukleolus, karyoplasma (atau nukleoplasma) dan sampul nuklear. Dalam nukleus sel, replikasi (atau reduplikasi) berlaku - penggandaan molekul DNA, serta transkripsi - sintesis molekul RNA pada molekul DNA. Molekul RNA yang disintesis dalam nukleus diubah suai, selepas itu ia memasuki sitoplasma. Pembentukan kedua-dua subunit ribosom berlaku dalam pembentukan khas nukleus sel - nukleolus. Oleh itu, nukleus sel bukan sahaja repositori maklumat genetik, tetapi juga tempat di mana bahan ini berfungsi dan membiak.

Nukleus sel interfasa yang tidak membahagi biasanya adalah satu bagi setiap sel (walaupun sel multinukleus juga ditemui). Nukleus terdiri daripada kromatin, nukleolus, karyoplasma (nukleoplasma) dan sampul nuklear yang memisahkannya daripada sitoplasma (Rajah 17).

Kromatin

Apabila memerhatikan sel hidup atau tetap di dalam nukleus, zon bahan padat dikenal pasti, yang dapat dilihat dengan baik oleh pelbagai pewarna, terutamanya yang asas. Oleh kerana keupayaan ini untuk mengotorkan dengan baik, komponen nukleus ini dipanggil "chromatin" (daripada kroma Yunani - warna, cat). Kromatin mengandungi DNA dalam kompleks dengan protein. Kromosom, yang boleh dilihat dengan jelas semasa pembahagian sel mitosis, mempunyai sifat yang sama. Dalam sel tidak membahagi (antara fasa), kromatin, yang dikesan dalam mikroskop cahaya, boleh lebih kurang seragam mengisi isipadu nukleus atau terletak dalam ketulan yang berasingan.

Kromatin nukleus interphase adalah kromosom, yang, bagaimanapun, pada masa ini kehilangan bentuk padat mereka, melonggarkan, dekondensat. Tahap dekondensasi kromosom sedemikian boleh berbeza. Ahli morfologi memanggil zon dekondensasi lengkap tapak mereka sebagai euchromatin. Dengan kelonggaran kromosom yang tidak lengkap dalam nukleus interfasa, kawasan kromatin terkondensasi, kadangkala dipanggil heterochromatinum, boleh dilihat. Tahap dekondensasi bahan kromosom - kromatin dalam interfasa mungkin mencerminkan beban fungsi struktur ini. Lebih banyak kromatin "meresap" diedarkan dalam nukleus antara fasa (iaitu, lebih banyak eukromatin), lebih sengit proses sintetik di dalamnya.

Kromatin terkondensasi secara maksimum semasa pembahagian sel mitosis, apabila ia ditemui dalam bentuk kromosom padat. Dalam tempoh ini, kromosom tidak melakukan sebarang fungsi sintetik, dan prekursor DNA dan RNA tidak termasuk di dalamnya.

Oleh itu, kromosom sel boleh berada dalam dua keadaan struktur dan berfungsi: dalam keadaan aktif, berfungsi, terdekondensasi sebahagian atau sepenuhnya, apabila dengan penyertaan mereka dalam nukleus interfasa, proses transkripsi dan reduplikasi berlaku, dan dalam keadaan tidak aktif, dalam keadaan rehat metabolik dengan pemeluwapan maksimum mereka, apabila mereka melaksanakan fungsi mengedar dan memindahkan bahan genetik ke sel anak.

Kromatin

Panjang besar molekul DNA eukariotik menentukan kemunculan mekanisme khas untuk penyimpanan, replikasi dan pelaksanaan bahan genetik. Kromatin dipanggil molekul DNA kromosom dalam kombinasi dengan protein khusus yang diperlukan untuk pelaksanaan proses ini. Sebahagian besarnya terdiri daripada "protein simpanan", yang dipanggil histon. Daripada protein ini dibina nukleosom - struktur di mana untaian molekul DNA dililit. Nukleosom disusun agak teratur, supaya struktur yang terhasil menyerupai manik. Nukleosom terdiri daripada empat jenis protein: H2A, H2B, H3, dan H4. Satu nukleosom mengandungi dua protein bagi setiap jenis - sejumlah lapan protein. Histone H1, yang lebih besar daripada histon lain, mengikat DNA di mana ia memasuki nukleosom. Nukleosom, bersama-sama dengan H1, dipanggil kromosom.

Seutas DNA dengan nukleosom membentuk struktur seperti solenoid yang tidak teratur kira-kira 30 nanometer tebal, yang dipanggil fibril 30 nm. Pembungkusan selanjutnya fibril ini boleh mempunyai ketumpatan yang berbeza. Jika kromatin dibungkus rapat, ia dipanggil pekat atau heterokromatin, ia boleh dilihat dengan jelas di bawah mikroskop. DNA yang terdapat dalam heterochromatin tidak ditranskripsi, biasanya keadaan ini adalah ciri kawasan tidak ketara atau senyap. Dalam interfasa, heterochromatin biasanya terletak di pinggiran nukleus (heterochromatin parietal). Pemeluwapan lengkap kromosom berlaku sebelum pembahagian sel. Jika kromatin dibungkus dengan longgar, ia dipanggil eu- atau interchromatin... Kromatin jenis ini adalah lebih kurang tumpat apabila dilihat di bawah mikroskop dan biasanya dicirikan oleh kehadiran aktiviti transkrip. Ketumpatan pembungkusan kromatin sebahagian besarnya ditentukan oleh pengubahsuaian histon - asetilasi dan fosforilasi.

Adalah dipercayai bahawa apa yang dipanggil domain kromatin berfungsi wujud dalam nukleus (DNA satu domain mengandungi kira-kira 30 ribu pasangan asas), iaitu, setiap rantau kromosom mempunyai "wilayah" sendiri. Malangnya, isu taburan spatial kromatin dalam nukleus masih belum cukup dikaji. Telah diketahui bahawa bahagian telomerik (terminal) dan centromeric (bertanggungjawab untuk pengikatan kromatid kakak dalam mitosis) bahagian kromosom dilekatkan pada protein lamina nuklear.

2. Kromatin

Kromatin ialah banyak butiran yang diwarnai dengan pewarna asas, dari mana kromosom terbentuk. Kromosom dibentuk oleh kompleks nukleoprotein yang mengandungi asid nukleik dan protein. Terdapat dua jenis kromatin dalam nukleus sel manusia dalam interfasa - kromatin yang tersebar, berwarna lemah (euchromatin), dibentuk oleh gentian panjang, nipis, berjalin, kromatin yang sangat aktif secara metabolik dan pekat (heterochromatin), sepadan dengan kawasan kromosom yang tidak terlibat dalam kawalan aktiviti metabolik ... Sel-sel matang (sebagai contoh, darah) dicirikan oleh nukleus yang kaya dengan kromatin yang padat dan pekat, terletak dalam ketulan. Dalam nukleus sel somatik wanita, ia diwakili oleh ketulan kromatin yang berdekatan dengan membran nukleus: ini adalah kromatin seks wanita (atau badan kecil Barr), iaitu kromosom X pekat. Kromatin seks lelaki diwakili dalam nukleus sel somatik lelaki dengan ketulan yang bercahaya apabila diwarnai dengan fluorokrom. Penentuan kromatin seks digunakan, sebagai contoh, untuk menentukan jantina kanak-kanak menggunakan sel yang diperoleh daripada cecair amniotik wanita hamil.

Penyelidikan biokimia dalam genetik adalah cara penting untuk mengkaji unsur asasnya - kromosom dan gen. Dalam artikel ini kita akan melihat apa itu kromatin, mengetahui struktur dan fungsinya dalam sel.

Keturunan adalah harta utama bahan hidup

Proses utama yang mencirikan organisma yang hidup di Bumi termasuk respirasi, pemakanan, pertumbuhan, perkumuhan dan pembiakan. Fungsi terakhir adalah yang paling penting untuk pemeliharaan kehidupan di planet kita. Bagaimana untuk tidak mengingati bahawa perintah pertama yang diberikan oleh Tuhan kepada Adam dan Hawa adalah seperti berikut: "Beranak cuculah dan bertambah banyak." Di peringkat sel, fungsi generatif dilakukan oleh asid nukleik (bahan penyusun kromosom). Struktur ini akan dipertimbangkan oleh kami kemudian.

Marilah kita juga menambah bahawa pemeliharaan dan penghantaran maklumat keturunan kepada keturunan dijalankan mengikut satu mekanisme yang tidak bergantung sama sekali pada tahap organisasi individu, iaitu, untuk virus, untuk bakteria, dan untuk manusia. , ia adalah universal.

Apakah zat keturunan

Dalam kerja ini, kami mengkaji kromatin, struktur dan fungsinya secara langsung bergantung pada organisasi molekul asid nukleik. Pada tahun 1869, saintis Switzerland Mischer menemui sebatian yang mempamerkan sifat asid dalam nukleus sel sistem imun, yang dipanggil nuklein pertama, dan kemudian asid nukleik. Dari sudut pandangan kimia, ini adalah sebatian berat molekul tinggi - polimer. Monomernya ialah nukleotida dengan struktur berikut: asas purin atau pirimidin, pentosa dan sisa.Saintis telah menetapkan bahawa dua jenis dan RNA boleh hadir dalam sel. Mereka memasuki kompleks dengan protein dan membentuk bahan kromosom. Seperti protein, asid nukleik mempunyai beberapa peringkat organisasi spatial.

Pada tahun 1953, struktur DNA telah ditafsirkan oleh pemenang Nobel Watson dan Crick. Ia adalah molekul yang terdiri daripada dua rantai yang saling berkaitan oleh ikatan hidrogen yang timbul antara bes nitrogen mengikut prinsip saling melengkapi (bertentangan dengan adenin ialah bes timin, bertentangan dengan sitosin - guanin). Kromatin, struktur dan fungsi yang sedang kita kaji, mengandungi molekul asid deoksiribonukleik dan ribonukleik pelbagai konfigurasi. Kami akan membincangkan isu ini dengan lebih terperinci dalam bahagian "Tahap organisasi kromatin".

Penyetempatan bahan keturunan dalam sel

DNA hadir dalam sitostruktur seperti nukleus, serta dalam organel yang mampu membahagi - mitokondria dan kloroplas. Ini disebabkan oleh fakta bahawa organel ini melakukan fungsi yang paling penting dalam sel: serta sintesis glukosa dan pembentukan oksigen dalam sel tumbuhan. Pada peringkat sintetik kitaran hayat, organel induk berganda. Oleh itu, sebagai hasil daripada mitosis (pembahagian sel somatik) atau meiosis (pembentukan telur dan sperma), sel anak menerima senjata yang diperlukan untuk struktur selular yang menyediakan sel dengan nutrien dan tenaga.

Asid ribonukleik terdiri daripada satu helai dan mempunyai berat molekul yang lebih rendah daripada DNA. Ia terkandung dalam nukleus dan dalam hyaloplasma, dan juga merupakan sebahagian daripada banyak organel selular: ribosom, mitokondria, retikulum endoplasma, plastid. Kromatin dalam organel ini dikaitkan dengan protein histon dan merupakan sebahagian daripada plasmid - molekul DNA tertutup bulat.

Kromatin dan strukturnya

Jadi, kami telah menetapkan bahawa asid nukleik terkandung dalam bahan kromosom - unit struktur keturunan. Kromatin mereka di bawah mikroskop elektron kelihatan seperti butiran atau pembentukan seperti benang. Ia mengandungi, sebagai tambahan kepada DNA, juga molekul RNA, serta protein yang mempamerkan sifat asas dan dipanggil histon. Semua di atas adalah nukleosom. Ia terdapat dalam kromosom nukleus dan dipanggil fibril (filamen solenoid). Merumuskan semua perkara di atas, mari kita tentukan apa itu kromatin. Ia adalah sebatian kompleks dan protein khas - histon. Molekul DNA beruntai dua dililit pada mereka, seperti pada gegelung, untuk membentuk nukleosom.

Tahap organisasi kromatin

Bahan keturunan mempunyai struktur yang berbeza, yang bergantung pada banyak faktor. Sebagai contoh, pada peringkat kitaran hayat yang mana sel akan melalui: tempoh pembahagian (meiosis atau meiosis), tempoh prasintetik atau sintetik interfasa. Dari bentuk solenoid, atau fibril, sebagai bentuk paling mudah, pemadatan kromatin selanjutnya berlaku. Heterochromatin adalah keadaan yang lebih padat; ia terbentuk di kawasan intron kromosom di mana transkripsi adalah mustahil. Semasa tempoh rehat sel - interphase, apabila tiada proses pembahagian - heterochromatin terletak di karyoplasma nukleus di sepanjang pinggir, berhampiran membrannya. Pemadatan kandungan nuklear berlaku dalam peringkat pasca sintetik kitaran hayat sel, iaitu, sejurus sebelum pembahagian.

Apakah pemeluwapan bahan keturunan bergantung kepada?

Terus mengkaji persoalan "apa itu kromatin", saintis telah mendapati bahawa pemadatannya bergantung pada protein histon, yang, bersama-sama dengan molekul DNA dan RNA, adalah sebahagian daripada nukleosom. Mereka terdiri daripada empat jenis protein, dipanggil protein teras dan penghubung. Pada masa transkripsi (membaca maklumat daripada gen menggunakan RNA), bahan keturunan lemah terkondensasi dan dipanggil euchromatin.

Pada masa ini, ciri taburan molekul DNA yang dikaitkan dengan protein histon terus dikaji. Sebagai contoh, saintis telah mendapati bahawa kromatin lokus berbeza kromosom yang sama berbeza dalam tahap pemeluwapan. Sebagai contoh, di tempat lampiran pada kromosom filamen gelendong pembahagian, dipanggil centromeres, ia lebih padat daripada di kawasan telomerik - lokus terminal.

Gen pengawalseliaan dan komposisi kromatin

Konsep peraturan aktiviti gen, yang dicipta oleh ahli genetik Perancis Jacob dan Monod, memberikan gambaran tentang kewujudan kawasan asid deoksiribonukleik di mana tidak ada maklumat tentang struktur protein. Mereka melaksanakan fungsi pengurusan birokrasi semata-mata. Dipanggil gen pengawal selia, bahagian kromosom ini, sebagai peraturan, tidak mempunyai protein histon dalam strukturnya. Kromatin, yang penentuannya dilakukan dengan penjujukan, dipanggil terbuka.

Dalam perjalanan penyelidikan lanjut, didapati bahawa dalam lokus ini terletak jujukan nukleotida yang menghalang perlekatan zarah protein pada molekul DNA. Tapak sedemikian mengandungi gen pengawalseliaan: penganjur, penambah, pengaktif. Pemadatan kromatin di dalamnya adalah tinggi, dan panjang kawasan ini secara purata kira-kira 300 nm. Terdapat definisi kromatin terbuka dalam nukleus terpencil, di mana enzim DNase digunakan. Ia sangat cepat membelah lokus kromosom yang kekurangan protein histon. Kromatin di kawasan ini telah dipanggil hipersensitif.

Peranan zat keturunan

Kompleks, termasuk DNA, RNA dan protein, dipanggil kromatin, terlibat dalam ontogenesis sel dan mengubah komposisinya bergantung pada jenis tisu, serta pada peringkat perkembangan organisma secara keseluruhan. Sebagai contoh, dalam sel epitelium kulit, gen seperti penambah dan promoter disekat oleh protein penindas, dan gen pengawalseliaan yang sama dalam sel rembesan epitelium usus aktif dan terletak di zon kromatin terbuka. Para saintis genetik telah mendapati bahawa DNA, yang tidak mengodkan protein, menyumbang lebih daripada 95% daripada keseluruhan genom manusia. Ini bermakna terdapat lebih banyak gen kawalan daripada gen yang bertanggungjawab untuk sintesis peptida. Pengenalan kaedah seperti cip DNA dan penjujukan memungkinkan untuk mengetahui apa itu kromatin, dan, sebagai hasilnya, untuk menjalankan pemetaan genom manusia.

Penyelidikan kromatin sangat penting dalam cabang sains seperti genetik manusia dan genetik perubatan. Ini disebabkan oleh peningkatan mendadak tahap kejadian penyakit keturunan, baik genetik dan kromosom. Pengesanan awal sindrom ini meningkatkan peratusan prognosis positif dalam rawatan mereka.

Karyoplasma

Karyoplasma (jus nuklear, nukleoplasma) adalah persekitaran dalaman utama nukleus; ia menduduki seluruh ruang antara nukleolus, kromatin, membran, semua jenis kemasukan dan struktur lain. Karyoplasma di bawah mikroskop elektron kelihatan seperti jisim homogen atau berbutir halus dengan ketumpatan elektron yang rendah. Ia mengandungi ribosom, badan mikro, globulin dan pelbagai produk metabolik dalam keadaan terampai.

Kelikatan sap nuklear adalah lebih kurang sama dengan kelikatan bahan asas sitoplasma. Keasidan sap nuklear, ditentukan oleh suntikan mikro penunjuk ke dalam nukleus, ternyata lebih tinggi sedikit daripada sitoplasma.

Selain itu, jus nuklear mengandungi enzim yang terlibat dalam sintesis asid nukleik dalam nukleus dan ribosom. Getah nuklear tidak diwarnai dengan pewarna asas, oleh itu ia dipanggil bahan achromatin, atau karyolymph, berbeza dengan kawasan yang boleh mengotorkan - kromatin.

Kromatin

Komponen utama nukleus - kromatin, adalah struktur yang melaksanakan fungsi genetik sel; hampir semua maklumat genetik tertanam dalam DNA kromatin.

Kromosom eukariotik kelihatan seperti struktur yang digariskan secara tajam hanya sejurus sebelum dan semasa mitosis - proses pembahagian nuklear dalam sel somatik. Semasa berehat, sel eukariotik yang tidak membahagikan, bahan kromosom, dipanggil kromatin, kelihatan tidak jelas dan kelihatan teragih secara rawak ke seluruh nukleus. Walau bagaimanapun, apabila sel bersedia untuk membahagi, kromatin menebal dan berkumpul ke dalam bilangan ciri-ciri kromosom yang boleh dibezakan dengan jelas.

Kromatin diasingkan daripada nukleus dan dianalisis. Ia terdiri daripada gentian yang sangat halus. Komponen utama kromatin ialah DNA dan protein, antaranya sebahagian besarnya adalah protein histon dan bukan histon. Secara purata, kira-kira 40% kromatin adalah DNA dan kira-kira 60% adalah protein, antaranya protein nuklear tertentu-histone membentuk daripada 40 kepada 80% daripada semua protein yang membentuk kromatin terpencil. Selain itu, pecahan kromatin termasuk komponen membran, RNA, karbohidrat, lipid, glikoprotein.

Gentian kromatin dalam kromosom dilipat dan membentuk banyak simpulan dan gelung. DNA dalam kromatin terikat sangat rapat dengan protein yang dipanggil histon, yang berfungsi untuk membungkus dan menyusun DNA ke dalam unit struktur - nukleosom. Kromatin juga mengandungi sejumlah protein bukan histon. Tidak seperti kromosom eukariotik, kromosom bakteria tidak mengandungi histon; ia mengandungi hanya sejumlah kecil protein yang menyumbang kepada pembentukan gelung dan pemeluwapan (pemadatan) DNA.

Apabila memerhati banyak sel hidup, terutamanya sel tumbuhan, atau sel selepas penetapan dan pewarnaan di dalam nukleus, zon jirim padat didedahkan, yang diwarnai dengan baik dengan pelbagai pewarna, terutamanya yang asas. Keupayaan kromatin untuk melihat pewarna asas (beralkali) menunjukkan sifat berasidnya, yang ditentukan oleh fakta bahawa kromatin mengandungi DNA dalam kompleks dengan protein. Kromosom mempunyai sifat pewarnaan dan kandungan DNA yang sama, yang boleh diperhatikan semasa pembahagian sel mitosis.

Tidak seperti sel prokariotik, bahan kromatin eukariotik yang mengandungi DNA boleh wujud dalam dua keadaan alternatif: terdekondensasi dalam interfasa dan dipadatkan secara maksimum semasa mitosis, sebagai sebahagian daripada kromosom mitosis.

Dalam sel yang tidak membahagi (antara fasa), kromatin boleh mengisi secara sama rata isipadu nukleus atau terletak dalam bekuan berasingan (chromocenters). Selalunya, ia amat jelas ditemui pada pinggiran nukleus (parietal, marginal, kromatin permembrane) atau membentuk jalinan yang agak tebal (kira-kira 0.3 μm) dan kord panjang dalam bentuk rangkaian intranuklear di dalam nukleus.

Kromatin nukleus antara fasa adalah badan pembawa DNA (kromosom), yang pada masa ini kehilangan bentuk padatnya, longgar, dekondensat. Tahap dekondensasi kromosom sedemikian boleh berbeza dalam nukleus sel yang berbeza. Apabila kromosom atau sebahagian daripadanya terdekondensasi sepenuhnya, zon ini dipanggil kromatin meresap. Dengan kelonggaran kromosom yang tidak lengkap dalam nukleus interfasa, kawasan kromatin pekat (kadang-kadang dipanggil heterochromatin) kelihatan. Banyak kerja telah menunjukkan bahawa tahap dekondensasi bahan kromosom, kromatin, dalam interfasa boleh mencerminkan beban fungsi struktur ini. Semakin meresap kromatin nukleus interfasa, semakin tinggi proses sintetik di dalamnya. Semasa sintesis RNA, struktur kromatin berubah. Penurunan dalam sintesis DNA dan RNA dalam sel biasanya disertai dengan peningkatan dalam zon kromatin pekat.

Kromatin terkondensasi secara maksimum semasa pembahagian sel mitosis, apabila ia ditemui dalam bentuk badan - kromosom. Dalam tempoh ini, kromosom tidak membawa sebarang beban sintetik, ia tidak termasuk prekursor DNA dan RNA.

Berdasarkan ini, boleh diandaikan bahawa kromosom sel boleh berada dalam dua keadaan struktur dan berfungsi: dalam bekerja, separa atau sepenuhnya dekondensasi, apabila mereka mengambil bahagian dalam nukleus interphase, proses transkripsi dan reduplikasi berlaku, dan dalam tidak aktif. keadaan, dalam keadaan rehat metabolik pada maksimum pemeluwapan mereka apabila mereka menjalankan fungsi mengedar dan memindahkan bahan genetik kepada sel anak.

Euchromatin dan heterochromatin

Tahap penstrukturan, pemeluwapan kromatin dalam nukleus interfasa boleh dinyatakan dalam darjah yang berbeza. Jadi, dalam membahagikan secara intensif dan dalam sel khusus yang kecil, nukleus mempunyai struktur meresap, di dalamnya, sebagai tambahan kepada rim periferi sempit kromatin pekat, terdapat sebilangan kecil kromocenter kecil, manakala bahagian utama nukleus diduduki. oleh kromatin meresap, ternyah pekat. Pada masa yang sama, dalam sel yang sangat khusus atau dalam sel yang menamatkan kitaran hayatnya, kromatin dibentangkan dalam bentuk lapisan persisian yang besar dan kromocenter besar, blok kromatin pekat. Semakin besar pecahan kromatin pekat dalam nukleus, semakin rendah aktiviti metabolik nukleus. Dengan ketidakaktifan semula jadi atau eksperimen nukleus, pemeluwapan progresif kromatin berlaku dan, sebaliknya, dengan pengaktifan nukleus, perkadaran kromatin meresap meningkat.

Walau bagaimanapun, semasa pengaktifan metabolik, tidak semua kawasan kromatin pekat boleh berubah menjadi bentuk meresap. Kembali pada awal 1930-an, E. Geitz menyedari bahawa dalam nukleus interphase terdapat kawasan berterusan kromatin pekat, kehadirannya tidak bergantung pada tahap pembezaan tisu atau pada aktiviti fungsi sel. Kawasan sedemikian dipanggil heterochromatin, berbeza dengan seluruh jisim kromatin - euchromatin (kromatin itu sendiri). Menurut konsep ini, heterochromatin adalah bahagian kromosom yang padat, yang dalam prophase muncul lebih awal daripada bahagian lain dalam komposisi kromosom mitosis dan tidak terdekondensasi dalam telofasa, melepasi nukleus interphase dalam bentuk struktur padat berwarna terang (chromocenters). Kawasan centromeric dan telomerik kromosom selalunya zon pekat yang berterusan. Sebagai tambahan kepada mereka, beberapa kawasan yang merupakan sebahagian daripada lengan kromosom boleh sentiasa terkondensasi - intercalary, atau intercalary, heterochromatin, yang juga dibentangkan dalam nukleus dalam bentuk chromocenters. Kawasan kromosom yang sentiasa terkondensasi dalam nukleus interfasa kini biasanya dipanggil heterochromatin konstitutif (kekal). Perlu diingatkan bahawa kawasan heterochromatin konstitutif mempunyai beberapa ciri yang membezakannya daripada kromatin yang lain. Heterochromatin konstitutif secara genetik tidak aktif; ia tidak ditranskripsi, ia mereplikasi lebih lewat daripada kromatin yang lain, ia termasuk DNA (satelit) khas yang diperkaya dengan jujukan nukleotida yang sangat berulang, ia disetempat dalam zon centromeric, telomerik dan interkalari kromosom mitosis. Perkadaran kromatin konstitutif mungkin berbeza dari objek ke objek. Kepentingan fungsi heterochromatin konstitutif tidak difahami sepenuhnya. Diandaikan bahawa ia mempunyai beberapa fungsi penting yang dikaitkan dengan mengawan homolog dalam meiosis, dengan penstrukturan nukleus antara fasa, dengan beberapa fungsi pengawalseliaan.

Selebihnya, sebahagian besar kromatin nuklear, boleh mengubah tahap pemadatannya bergantung pada aktiviti berfungsi; ia tergolong dalam eukromatin. Kawasan tidak aktif eukromatik yang berada dalam keadaan pekat telah dipanggil heterochromatin fakultatif, menekankan sifat pilihan keadaan sedemikian.

Dalam sel yang dibezakan, hanya kira-kira 10% gen berada dalam keadaan aktif, selebihnya gen tidak diaktifkan dan merupakan sebahagian daripada kromatin pekat (heterochromatin fakultatif). Keadaan ini menjelaskan mengapa kebanyakan kromatin nuklear berstruktur.

DNA kromatin

Dalam penyediaan kromatin, DNA biasanya menyumbang 30-40%. DNA ini ialah molekul heliks beruntai dua serupa dengan DNA terpencil tulen dalam larutan akueus. DNA kromatin mempunyai berat molekul 7-9106. Dalam komposisi kromosom, panjang molekul DNA linear individu (berbanding dengan kromosom prokariotik) boleh mencapai ratusan mikrometer dan bahkan beberapa sentimeter. Jumlah keseluruhan DNA yang memasuki struktur nuklear sel, genom organisma, berubah-ubah.

DNA sel eukariotik adalah heterogen dalam komposisi, mengandungi beberapa kelas jujukan nukleotida: jujukan yang kerap berulang (> 106 kali) termasuk dalam pecahan DNA satelit dan tidak ditranskripsi; pecahan jujukan sederhana berulang (102-105) mewakili blok gen sebenar, serta jujukan pendek yang bertaburan di seluruh genom; pecahan jujukan unik yang membawa maklumat untuk kebanyakan protein dalam sel. Semua kelas nukleotida ini dihubungkan ke dalam satu untai DNA kovalen gergasi tunggal.

Protein utama kromatin - histon

Dalam nukleus sel, peranan utama dalam mengatur susunan DNA, dalam pemadatan dan pengawalseliaan beban berfungsi adalah milik protein nuklear. Protein dalam kromatin sangat pelbagai, tetapi ia boleh dibahagikan kepada dua kumpulan: protein histon dan bukan histon. Histones menyumbang sehingga 80% daripada semua protein kromatin. Interaksi mereka dengan DNA berlaku melalui ikatan garam atau ion dan tidak spesifik berkenaan dengan komposisi atau jujukan nukleotida dalam molekul DNA. Sel eukariotik mengandungi hanya 5-7 jenis molekul histon. Tidak seperti histones, yang dipanggil protein bukan histon untuk sebahagian besarnya secara khusus berinteraksi dengan urutan molekul DNA tertentu, kepelbagaian jenis protein yang termasuk dalam kumpulan ini adalah sangat besar (beberapa ratus), dan kepelbagaian fungsi yang mereka lakukan adalah. hebat.

Histon - protein yang hanya mempunyai ciri kromatin - mempunyai beberapa kualiti istimewa. Ini adalah protein asas atau alkali, yang sifatnya ditentukan oleh kandungan asid amino penting yang agak tinggi seperti lisin dan arginin. Ia adalah caj positif pada kumpulan amino lisin dan arginin yang menentukan garam atau ikatan elektrostatik protein ini dengan caj negatif pada kumpulan fosfat DNA.

Histon ialah protein yang mempunyai berat molekul yang agak kecil. Kelas histon berbeza antara satu sama lain dalam kandungan asid amino penting yang berbeza. Untuk histon semua kelas, taburan kluster asid amino utama - lisin dan arginin, di hujung N- dan C molekul adalah ciri. Kawasan tengah molekul histon membentuk beberapa (3-4) kawasan b-heliks, yang dipadatkan menjadi struktur globular di bawah keadaan isotonik. Hujung bukan heliks molekul protein histon, kaya dengan cas positif, menjalankan hubungannya antara satu sama lain dan dengan DNA.

Semasa hayat sel, perubahan pasca translasi (pengubahsuaian) histon boleh berlaku: asetilasi dan metilasi beberapa sisa lisin, yang membawa kepada kehilangan bilangan cas positif, dan fosforilasi sisa serin, yang membawa kepada penampilan a cas negatif. Asetilasi dan fosforilasi histon boleh diterbalikkan. Pengubahsuaian ini dengan ketara mengubah sifat histon, keupayaan mereka untuk mengikat DNA.

Histon disintesis dalam sitoplasma, diangkut ke nukleus, dan mengikat DNA semasa replikasi dalam tempoh S, i.e. sintesis histon dan DNA disegerakkan. Apabila sel berhenti mensintesis DNA, RNA penghantar histone hancur dalam beberapa minit dan sintesis histon berhenti. Histon yang digabungkan ke dalam kromatin adalah sangat stabil dan mempunyai kadar penggantian yang rendah.

Fungsi protein histon

1. Keadaan kuantitatif dan kualitatif histon mempengaruhi tahap kekompakan dan aktiviti kromatin.

2. Struktur - pemadatan - peranan histon dalam organisasi kromatin.

Untuk meletakkan molekul DNA sentimeter yang besar di sepanjang kromosom, yang mempunyai saiz hanya beberapa mikrometer, molekul DNA mesti dipintal, dipadatkan dengan ketumpatan pembungkusan sama dengan 1: 10, 000. Dalam proses pemadatan DNA, terdapat beberapa peringkat pembungkusan, yang pertama ditentukan secara langsung oleh histon interaksi dengan DNA

Hampir semua DNA sel terkandung dalam nukleus. DNA ialah polimer linear panjang yang mengandungi berjuta-juta nukleotida. Empat jenis nukleotida DNA berbeza asas nitrogen. Nukleotida disusun dalam urutan yang merupakan bentuk kod untuk merekod maklumat keturunan.
Untuk melaksanakan maklumat ini, ia ditulis semula, atau ditranskripsikan ke dalam rantai m-RNA yang lebih pendek. Simbol kod genetik dalam i-RNA ialah triplet nukleotida - kodon... Setiap kodon mewakili salah satu asid amino. Setiap molekul DNA sepadan dengan kromosom yang berasingan, dan semua maklumat genetik yang disimpan dalam kromosom organisma dipanggil genom.
Genom organisma yang lebih tinggi mengandungi jumlah DNA yang berlebihan, ini tidak dikaitkan dengan kerumitan organisma. Adalah diketahui bahawa genom manusia mengandungi 700 kali ganda DNA daripada bakteria E. coli. Pada masa yang sama, genom sesetengah amfibia dan tumbuhan adalah 30 kali lebih besar daripada genom manusia. Dalam vertebrata, lebih daripada 90% DNA tidak penting. Maklumat yang disimpan dalam DNA disusun, dibaca, dan direplikasi oleh pelbagai protein.
Protein struktur utama nukleus ialah protein-histones ciri hanya untuk sel eukariotik. Sejarah- protein asas kuat yang kecil. Harta ini disebabkan oleh fakta bahawa mereka diperkaya dengan asid amino asas - lisin dan arginin. Histon juga dicirikan oleh ketiadaan triptofan. Mereka adalah antara yang paling konservatif dari semua protein yang diketahui, sebagai contoh, H4 dalam lembu dan kacang dibezakan oleh hanya dua residu asid amino. Kompleks protein dengan DNA dalam nukleus sel eukariota dirujuk sebagai kromatin.
Apabila memerhati sel menggunakan mikroskop cahaya, kromatin dikesan dalam nukleus sebagai zon bahan tumpat, diwarnai dengan baik dengan pewarna asas. Kajian mendalam tentang struktur kromatin bermula pada tahun 1974, apabila pasangan Ada dan Donald Olins menerangkan unit struktur asasnya, ia dinamakan nukleosom.
Nukleosom membenarkan rantaian panjang molekul DNA dilipat dengan lebih padat. Jadi, dalam setiap kromosom manusia, panjang untaian DNA adalah beribu-ribu kali ganda saiz nukleus. Dalam gambar elektronik, nukleosom kelihatan seperti zarah diskoid dengan diameter kira-kira 11 nm. Terasnya ialah kompleks lapan molekul histon, di mana empat histon H2A, H2B, H3 dan H4 diwakili oleh dua molekul setiap satu. Histon ini membentuk bahagian dalam nukleosom - teras histon. Molekul DNA yang mengandungi 146 pasangan asas dililit pada teras histon. Ia membentuk dua pusingan tidak lengkap di sekeliling teras histon nukleosom; terdapat 83 pasangan nukleotida setiap giliran. Setiap nukleosom dipisahkan dari seterusnya oleh urutan DNA penghubung, yang boleh mencapai sehingga 80 nukleotida panjangnya. Struktur ini menyerupai rentetan manik.
Pengiraan menunjukkan bahawa DNA manusia yang mempunyai 6x10 9 pasangan nukleotida harus mengandungi 3x10 7 nukleosom. Dalam sel hidup, kromatin jarang mempunyai penampilan ini. Nukleosom dihubungkan bersama menjadi struktur yang lebih padat. Kebanyakan kromatin adalah dalam bentuk gentian berdiameter 30 nm. Pembungkusan ini dijalankan menggunakan histon H1 yang lain. Terdapat satu molekul H1 setiap nukleosom, yang menarik bersama tapak penghubung pada titik di mana DNA memasuki dan meninggalkan teras histon.
Pembungkusan DNA mengurangkan panjangnya dengan ketara. Namun begitu, purata panjang filamen kromatin satu kromosom pada peringkat ini harus melebihi saiz nukleus dengan faktor 100.
Struktur kromatin tertib tinggi ialah satu siri gelung, setiap satunya mengandungi kira-kira 20 hingga 100 ribu pasangan asas. Di dasar gelung adalah protein pengikat DNA khusus tapak. Protein sedemikian mengenali jujukan (tapak) nukleotida tertentu bagi dua kawasan jarak filamen kromatin dan membawanya lebih rapat.

text_fields

anak panah_atas

Nukleus ialah unsur pusat sel. Penyingkiran pembedahannya mengganggu fungsi sitoplasma. Nukleus memainkan peranan utama dalam penghantaran sifat keturunan dan sintesis protein. Pemindahan maklumat genetik dari satu sel ke sel lain disediakan oleh asid deoksiribonukleik (DNA) yang terkandung dalam kromosom. Penduaan DNA mendahului pembahagian sel. Jisim nukleus dalam sel-sel tisu yang berbeza adalah berbeza dan, sebagai contoh, 10-18% daripada jisim hepatosit, 60% - dalam sel limfoid. Dalam interphase (tempoh intermitotik), nukleus diwakili oleh empat unsur: kromatin, nukleola (nukleolus), nukleoplasma dan membran nuklear.

Kromatin

text_fields

anak panah_atas

Sel-sel matang (sebagai contoh, darah) dicirikan oleh nukleus yang kaya dengan kromatin yang padat dan pekat, terletak dalam ketulan. Dalam nukleus sel somatik wanita, ia diwakili oleh ketulan kromatin yang berdekatan dengan membran nukleus: ini adalah kromatin seks wanita (atau badan kecil Barr), iaitu kromosom X pekat. Kromatin seks lelaki diwakili dalam nukleus sel somatik lelaki dengan ketulan yang bercahaya apabila diwarnai dengan fluorokrom. Penentuan kromatin seks digunakan, sebagai contoh, untuk menentukan jantina kanak-kanak menggunakan sel yang diperoleh daripada cecair amniotik wanita hamil.

Nukleolus

text_fields

anak panah_atas

Nukleolus ialah struktur intranuklear sfera yang tidak mempunyai membran. Ia dibangunkan dalam semua sel yang dicirikan oleh aktiviti sintesis protein yang tinggi, yang dikaitkan dengan pembentukan subunit sitoplasma, rRNA, di dalamnya. Sebagai contoh, nukleolus terdapat dalam nukleus sel yang mampu membahagi - limfoblas, myeloblast, dll.

Membran teras

text_fields

anak panah_atas

Membran nukleus diwakili oleh dua helaian, jurang antara yang disambungkan ke rongga retikulum endoplasma. Membran mempunyai lubang (liang nuklear) sehingga diameter kira-kira 100 nm, yang melaluinya makromolekul (ribonucleases, RNA) bebas melaluinya. Pada masa yang sama, membran dan liang nuklear menyokong persekitaran mikro nukleus, memastikan pertukaran selektif pelbagai bahan antara nukleus dan sitoplasma. Dalam sel yang kurang dibezakan, liang-liang menduduki sehingga 10% daripada permukaan nukleus, tetapi apabila sel matang, jumlah permukaannya berkurangan.

Nukleoplasma (jus nuklear)

text_fields

anak panah_atas

Nukleoplasma (jus nuklear) ialah larutan koloid yang mengandungi protein, yang memastikan pertukaran metabolit dan pergerakan pantas molekul RNA ke liang nuklear. Jumlah nukleoplasma berkurangan dengan kematangan atau penuaan sel.

Pembahagian sel. Mitosis.

text_fields

anak panah_atas

Mitosis(Rajah 1.5) hanya menduduki sebahagian daripada kitaran sel. Dalam sel mamalia, fasa mitosis (M) berlangsung kira-kira sejam.

Ini diikuti dengan jeda postmitotic (G1), yang dicirikan oleh aktiviti biosintesis protein yang tinggi dalam sel, proses transkripsi dan terjemahan direalisasikan. Tempoh jeda adalah kira-kira 10 jam, tetapi kali ini sangat berbeza dan bergantung kepada pengaruh faktor pengawalseliaan yang merangsang dan menghalang pembahagian sel, pada bekalan nutrien kepada mereka.

Fasa seterusnya kitaran sel dicirikan oleh sintesis DNA (replikasi) (fasa S) dan mengambil masa kira-kira 9 jam. Ini diikuti oleh fasa G2 premitotik, yang berlangsung kira-kira 4 jam. Oleh itu, keseluruhan kitaran sel berlangsung kira-kira 24 jam:

Sel juga boleh berada dalam fasa rehat - Pergi, kekal di luar kitaran sel untuk masa yang lama. Sebagai contoh, pada manusia, sehingga 90% sel stem hematopoietik berada dalam fasa Go, tetapi peralihannya daripada Go ke G1 dipercepatkan dengan peningkatan dalam permintaan untuk sel darah.

Kepekaan sel yang tinggi terhadap faktor yang mengawal pembahagiannya dalam fasa G1 dijelaskan oleh sintesis pada membran sel dalam tempoh reseptor hormon ini, faktor rangsangan dan perencatan. Sebagai contoh, pembahagian sel erythroid dalam sumsum tulang dalam fasa G merangsang hormon erythropoietin. Proses ini dihalang oleh perencat erythropoiesis - bahan yang mengurangkan pengeluaran eritrosit sekiranya berlaku penurunan dalam permintaan oksigen tisu (Bab 6).

Pemindahan maklumat kepada nukleus tentang interaksi reseptor membran dengan stimulator pembahagian sel termasuk sintesis DNA, mereka. fasa S... Akibatnya, jumlah DNA dalam sel berubah daripada diploid, 2N, kepada tetraploid, 4N. Dalam fasa G2, struktur yang diperlukan untuk mitosis disintesis, khususnya, protein gelendong mitosis.

Dalam fasa M terdapat taburan bahan genetik yang sama antara dua sel anak. Fasa M itu sendiri dibahagikan kepada empat tempoh: profasa, metafasa, anafasa dan telofasa (Rajah 1.5.).

Profase dicirikan oleh pemeluwapan kromosom DNA membentuk dua kromatid, setiap satunya adalah salah satu daripada dua molekul DNA yang sama. Nukleola dan sampul nuklear hilang. Sentriol, diwakili oleh mikrotubulus nipis, menyimpang kepada dua kutub sel, membentuk gelendong mitosis.

Ke dalam metafasa kromosom terletak di tengah-tengah sel, membentuk plat metafasa. Dalam fasa ini, morfologi setiap kromosom adalah paling berbeza, yang digunakan dalam amalan untuk mengkaji set kromosom sel.

Anafasa dicirikan oleh pergerakan kromatid, "ditarik terpisah" oleh gentian gelendong mitosis ke kutub sel yang bertentangan.

Telofasa dicirikan oleh pembentukan membran nuklear di sekeliling set kromosom anak perempuan. Pengetahuan tentang ciri-ciri kitaran sel digunakan dalam amalan, sebagai contoh, dalam penciptaan bahan sitostatik untuk rawatan leukemia. Oleh itu, sifat vincristine untuk menjadi racun untuk gelendong mitosis digunakan untuk menghentikan mitosis sel leukemia.

Pembezaan sel

text_fields

anak panah_atas

Pembezaan sel ialah pemerolehan fungsi khusus oleh sel yang dikaitkan dengan penampilan di dalamnya struktur yang memastikan prestasi fungsi ini (contohnya, sintesis dan pengumpulan hemoglobin dalam eritrosit mencirikan pembezaan mereka menjadi eritrosit). Pembezaan dikaitkan dengan perencatan (penindasan) yang diprogramkan secara genetik terhadap fungsi beberapa bahagian genom dan pengaktifan yang lain.