Generelle egenskaper ved interfasekjernen

Kjernen er den viktigste komponenten i cellen, som finnes i nesten alle celler i flercellede organismer. De fleste celler har en enkelt kjerne, men det er tokjernede og flerkjernede celler (for eksempel tverrete muskelfibre). Binukleære og multinukleære er på grunn av funksjonelle egenskaper eller patologisk tilstand til cellene. Formen og størrelsen på kjernen er svært varierende og avhenger av typen organisme, type, alder og funksjonstilstand til cellen. I gjennomsnitt er volumet av kjernen omtrent 10 % av det totale volumet til cellen. Oftest har kjernen en rund eller oval form som varierer i størrelse fra 3 til 10 mikron i diameter. Minste kjernestørrelse er 1 mikron (i noen protozoer), maksimum er 1 mm (egg fra noen fisk og amfibier). I noen tilfeller er det en avhengighet av formen til kjernen på formen til cellen. Kjernen inntar vanligvis en sentral posisjon, men i differensierte celler kan den forskyves til den perifere delen av cellen. Kjernen inneholder nesten alt av DNA fra en eukaryot celle.

Hovedfunksjonene til kjernen er:

1) Lagring og overføring av genetisk informasjon;

2) Regulering av proteinsyntese, metabolisme og energi i cellen.

Dermed er kjernen ikke bare en beholder for genetisk materiale, men også et sted hvor dette materialet fungerer og reproduserer. Derfor vil brudd på noen av disse funksjonene føre til celledød. Alt dette peker på den ledende rollen til kjernefysiske strukturer i syntesen av nukleinsyrer og proteiner.

JÆVEL

Kjerne. Kromatin, heterokromatin, eukromatin.

Kjernen (lat. Nucleus) er en av de strukturelle komponentene i en eukaryotisk celle, som inneholder genetisk informasjon (DNA-molekyler), og utfører hovedfunksjonene: lagring, overføring og implementering av arvelig informasjon med proteinsyntese. Kjernen består av kromatin, nukleolus, karyoplasma (eller nukleoplasma) og kjernekappe. I cellekjernen skjer replikasjon (eller reduplikasjon) - duplisering av DNA-molekyler, samt transkripsjon - syntese av RNA-molekyler på et DNA-molekyl. RNA-molekylene syntetisert i kjernen modifiseres og frigjøres deretter til cytoplasmaet. Dannelsen av begge underenhetene av ribosomer skjer i spesielle formasjoner av cellekjernen - nukleolene. Dermed er cellekjernen ikke bare en beholder for genetisk informasjon, men også et sted hvor dette materialet fungerer og reproduserer.

Kjernen til en ikke-delende interfasecelle er vanligvis én per celle (selv om flerkjernede celler også finnes). Kjernen består av kromatin, nukleolus, karyoplasma (nukleoplasma) og en kjernekonvolutt som skiller den fra cytoplasma (fig. 17).

Kromatin

Når man observerer levende eller faste celler inne i kjernen, avsløres soner med tett stoff som er godt oppfattet av forskjellige fargestoffer, spesielt de viktigste. På grunn av denne evnen til å farge godt, ble denne komponenten av kjernen kalt "kromatin" (fra gresk chroma - farge, maling). Kromatin inneholder DNA i kombinasjon med protein. Kromosomer, som er godt synlige under mitotisk celledeling, har de samme egenskapene. I ikke-delte (interfase) celler kan kromatin, påvist i et lysmikroskop, mer eller mindre jevnt fylle volumet av kjernen eller være lokalisert i separate klumper.

Kromatinet til interfasekjernene er representert av kromosomer, som imidlertid mister sin kompakte form på dette tidspunktet, løsner og dekondenserer. Graden av slik dekondensering av kromosomer kan være forskjellig. Soner med fullstendig dekondensering av seksjonene deres kalles euchromatin (euchromatinum) av morfologer. Ved ufullstendig løsning av kromosomer er områder med kondensert kromatin, noen ganger kalt heterochromatin (heterochromatinum), synlige i interfasekjernen. Graden av dekondensering av kromosomalt materiale - kromatin i interfasen kan reflektere den funksjonelle belastningen til denne strukturen. Jo mer "diffust" kromatinet er fordelt i interfasekjernen (dvs. jo mer eukromatin), jo mer intense er de syntetiske prosessene i den.

Kromatin kondenseres maksimalt under mitotisk celledeling, når det finnes i form av tette kromosomer. I løpet av denne perioden utfører ikke kromosomene noen syntetiske funksjoner; de inkluderer ikke forløperne til DNA og RNA.

Således kan cellekromosomer være i to strukturelle og funksjonelle tilstander: i aktive, fungerende, delvis eller fullstendig dekondenserte, når transkripsjons- og reduplikasjonsprosesser skjer med deres deltakelse i interfasekjernen, og inaktive, i en tilstand av metabolsk hvile med maksimal kondensasjon. , når de utfører funksjonen å distribuere og overføre genetisk materiale til datterceller.

Kromatin

Den enorme lengden på eukaryote DNA-molekyler forutbestemte fremveksten av spesielle mekanismer for lagring, replikering og implementering av genetisk materiale. Kromatin kalles kromosomale DNA-molekyler i kombinasjon med spesifikke proteiner som er nødvendige for gjennomføringen av disse prosessene. Hovedtyngden er «lagringsproteiner», de såkalte histoner. Nukleosomer er bygget av disse proteinene - strukturer som tråder av DNA-molekyler er viklet rundt. Nukleosomer er ordnet ganske regelmessig, slik at den resulterende strukturen ligner perler. Nukleosomet består av fire typer proteiner: H2A, H2B, H3 og H4. Ett nukleosom inneholder to proteiner av hver type – totalt åtte proteiner. Histon H1, som er større enn de andre histonene, binder seg til DNA når det kommer inn i nukleosomet. Nukleosomet sammen med H1 kalles kromatosomet.

En DNA-streng med nukleosomer danner en uregelmessig solenoid-lignende struktur som er omtrent 30 nanometer tykk, den såkalte 30 nm fibrillen. Ytterligere pakking av denne fibrillen kan ha forskjellige tettheter. Hvis kromatinet er tettpakket, kalles det kondensert eller heterokromatin Det er godt synlig under et mikroskop. DNA lokalisert i heterokromatin blir ikke transkribert, vanligvis er denne tilstanden karakteristisk for ubetydelige eller stille områder. I interfase er heterochromatin vanligvis lokalisert i periferien av kjernen (parietal heterochromatin). Fullstendig kondensering av kromosomer skjer før celledeling. Hvis kromatin er løst pakket, kalles det eu eller interkromatin. Denne typen kromatin er mye mindre tett når den observeres under et mikroskop og er vanligvis preget av tilstedeværelsen av transkripsjonsaktivitet. Pakningstettheten til kromatin bestemmes i stor grad av histonmodifikasjoner - acetylering og fosforylering.

Det antas at i kjernen er det såkalte funksjonelle domener av kromatin (DNA fra ett domene inneholder omtrent 30 tusen basepar), det vil si at hver seksjon av kromosomet har sitt eget "territorium". Dessverre er spørsmålet om den romlige fordelingen av kromatin i kjernen ennå ikke studert tilstrekkelig. Det er kjent at telomere (terminale) og sentromere (ansvarlige for bindingen av søsterkromatider i mitose) regioner av kromosomer er fiksert på nukleære lamina-proteiner.

2. Kromatin

Kromatin er de mange granulene farget med grunnleggende fargestoffer som kromosomer dannes fra. Kromosomer dannes av et kompleks av nukleoproteiner som inneholder nukleinsyrer og proteiner. Det er to typer kromatin i kjernene til menneskelige celler i interfase - dispergert, svakt farget kromatin (eukromatin), dannet av lange, tynne, sammenvevde fibre, metabolsk svært aktivt og kondensert kromatin (heterokromatin), tilsvarende regioner av kromosomer som er ikke involvert i prosessene med å kontrollere metabolsk aktivitet. Modne celler (for eksempel blod) er preget av kjerner rike på tett, kondensert kromatin som ligger i klumper. I kjernene til somatiske celler hos kvinner er det representert av en kromatinklump nær kjernemembranen: dette er det kvinnelige kjønnskromatinet (eller Barr-kropper), som er et kondensert X-kromosom. Mannlig kjønnskromatin er representert i kjernene til mannlige somatiske celler som en klump som lyser når den farges med fluorokromer. Bestemmelse av kjønnskromatin brukes for eksempel til å bestemme kjønnet til et barn fra celler hentet fra fostervannet til en gravid kvinne.

Biokjemisk forskning i genetikk er en viktig måte å studere dens hovedelementer - kromosomer og gener. I denne artikkelen vil vi vurdere hva kromatin er, finne ut dets struktur og funksjoner i cellen.

Arvelighet er hovedegenskapen til levende materie

Hovedprosessene som karakteriserer organismer som lever på jorden inkluderer respirasjon, ernæring, vekst, utskillelse og reproduksjon. Den siste funksjonen er den viktigste for bevaring av liv på planeten vår. Hvordan ikke huske at det første budet som ble gitt av Gud til Adam og Eva var følgende: "Vær fruktbare og former deg." På cellenivå utføres den generative funksjonen av nukleinsyrer (kromosomets bestanddeler). Disse strukturene vil bli vurdert i fremtiden.

Vi legger også til at bevaring og overføring av arvelig informasjon til etterkommere utføres i henhold til en enkelt mekanisme som er helt uavhengig av organisasjonsnivået til individet, det vil si for viruset og for bakterier, og for mennesker er det universell.

Hva er stoffet i arv

I dette arbeidet studerer vi kromatin, hvis struktur og funksjoner direkte avhenger av organiseringen av nukleinsyremolekyler. I 1869 oppdaget den sveitsiske forskeren Miescher i cellekjernene til immunsystemet forbindelser som viser egenskapene til syrer, som han kalte først nuklein, og deretter nukleinsyrer. Fra et kjemisynspunkt er dette høymolekylære forbindelser - polymerer. Monomerene deres er nukleotider som har følgende struktur: en purin- eller pyrimidinbase, en pentose og en rest. Forskere har funnet ut at to typer RNA kan være tilstede i celler. De er kompleksbundne med proteiner og danner stoffet til kromosomer. Som proteiner har nukleinsyrer flere nivåer av romlig organisering.

I 1953 dechiffrerte Nobelprisvinnerne Watson og Crick strukturen til DNA. Det er et molekyl som består av to kjeder forbundet med hydrogenbindinger som oppstår mellom nitrogenholdige baser i henhold til komplementaritetsprinsippet (adenin er motsatt en tyminbase, motsatt cytosin er en guaninbase). Kromatin, strukturen og funksjonene vi studerer, inneholder molekyler av deoksyribonukleinsyre og ribonukleinsyre med forskjellige konfigurasjoner. Vi vil dvele på dette problemet mer detaljert i delen "Nivåer av kromatinorganisasjon".

Lokalisering av arvestoffet i cellen

DNA er tilstede i slike cytostrukturer som kjernen, så vel som i organeller som er i stand til å dele - mitokondrier og kloroplaster. Dette skyldes det faktum at disse organellene utfører de viktigste funksjonene i cellen: så vel som syntesen av glukose og dannelsen av oksygen i planteceller. På det syntetiske stadiet av livssyklusen dobles mors organeller. Som et resultat av mitose (deling av somatiske celler) eller meiose (dannelse av egg og sædceller), mottar datterceller det nødvendige arsenal av cellulære strukturer som gir cellene næringsstoffer og energi.

Ribonukleinsyre består av en enkelt tråd og har lavere molekylvekt enn DNA. Det finnes både i kjernen og i hyaloplasmaet, og er også en del av mange cellulære organeller: ribosomer, mitokondrier, endoplasmatisk retikulum, plastider. Kromatin i disse organellene er assosiert med histonproteiner og er en del av plasmider - ringlukkede DNA-molekyler.

Kromatin og dets struktur

Så vi har fastslått at nukleinsyrer er inneholdt i substansen til kromosomer - de strukturelle enhetene av arv. Kromatinet deres under et elektronmikroskop ser ut som granuler eller filamentøse formasjoner. Den inneholder, i tillegg til DNA, også RNA-molekyler, samt proteiner som viser grunnleggende egenskaper og kalles histoner. Alle de ovennevnte nukleosomer. De er inneholdt i kromosomene i kjernen og kalles fibriller (tråd-solenoider). Oppsummerer alt det ovennevnte, definerer vi hva kromatin er. Dette er en kompleks forbindelse og spesielle proteiner - histoner. På dem, som på spoler, er dobbelttrådete DNA-molekyler viklet og danner nukleosomer.

Nivåer av kromatinorganisering

Arvestoffet har en annen struktur, som avhenger av mange faktorer. For eksempel avhenger det av hvilket stadium av livssyklusen cellen går gjennom: delingsperioden (metose eller meiose), den presyntetiske eller syntetiske perioden for interfase. Fra formen av en solenoid, eller fibrill, som den enkleste, skjer ytterligere komprimering av kromatin. Heterokromatin - en tettere tilstand, dannes i intronområdene til kromosomet, hvor transkripsjon er umulig. I løpet av hvileperioden til cellen - interfase, når det ikke er noen delingsprosess - er heterokromatin lokalisert i karyoplasmaen til kjernen langs periferien, nær membranen. Komprimering av kjernefysisk innhold skjer i det postsyntetiske stadiet av cellelivssyklusen, det vil si rett før deling.

Hva bestemmer kondenseringen av arvestoffet

Ved å fortsette å studere spørsmålet "hva er kromatin", fant forskerne at komprimeringen avhenger av histonproteiner, som sammen med DNA- og RNA-molekyler er en del av nukleosomer. De består av fire typer proteiner kalt kjerneproteiner og linkerproteiner. Ved transkripsjonstidspunktet (leser informasjon fra gener ved hjelp av RNA), er arvestoffet svakt kondensert og kalles eukromatin.

For tiden fortsetter egenskapene til fordelingen av DNA-molekyler assosiert med histonproteiner å bli studert. For eksempel har forskere funnet ut at kromatinet til forskjellige loci av samme kromosom er forskjellig i nivået av kondensering. For eksempel, på festestedene til kromosomet til spindelfibrene, kalt sentromerer, er det tettere enn i de telomere områdene - terminale loci.

Regulatoriske gener og kromatinsammensetning

Konseptet med regulering av genaktivitet, skapt av de franske genetikerne Jacob og Monod, gir en idé om eksistensen av deoksyribonukleinsyreregioner der det ikke er informasjon om strukturene til proteiner. De utfører rent byråkratiske – lederfunksjoner. Kalt regulatorgener, disse delene av kromosomene er som regel blottet for histonproteiner i strukturen. Kromatin, hvis definisjon ble utført ved sekvensering, ble kalt åpen.

I løpet av videre studier ble det funnet at disse lociene inneholder nukleotidsekvenser som hindrer proteinpartikler i å feste seg til DNA-molekyler. Slike steder inneholder regulatoriske gener: promotorer, forsterkere, aktivatorer. Komprimeringen av kromatin i dem er høy, og lengden på disse områdene er i gjennomsnitt omtrent 300 nm. Det er en definisjon av åpent kromatin i isolerte kjerner, som bruker enzymet DNase. Den spalter veldig raskt kromosomloci som mangler histonproteiner. Kromatinet i disse regionene har blitt kalt overfølsomt.

Rollen til arvestoffets substans

Komplekser, inkludert DNA, RNA og protein, kalt kromatin, er involvert i celleontogenese og endrer sammensetningen deres avhengig av typen vev, så vel som på utviklingsstadiet av organismen som helhet. For eksempel i hudepitelceller blokkeres gener som forsterker og promoter av repressorproteiner, mens de samme regulatoriske genene er aktive i sekretoriske celler i tarmepitelet og befinner seg i den åpne kromatinsonen. Genetiske forskere har funnet ut at DNA som ikke koder for proteiner utgjør mer enn 95 % av hele det menneskelige genomet. Dette betyr at det er mange flere kontrollgener enn de som er ansvarlige for peptidsyntese. Innføringen av teknikker som DNA-brikker og sekvensering gjorde det mulig å finne ut hva kromatin er og som et resultat kartlegge det menneskelige genomet.

Kromatinstudier er svært viktige i slike vitenskapsgrener som human genetikk og medisinsk genetikk. Dette skyldes et kraftig økt nivå av forekomst av arvelige sykdommer - både gen og kromosomale. Tidlig påvisning av disse syndromene øker prosentandelen av positiv prognose i behandlingen.

Karyoplasma

Karyoplasma (kjernejuice, nukleoplasma) er det viktigste indre miljøet til kjernen, det okkuperer hele rommet mellom nukleolus, kromatin, membraner, alle slags inneslutninger og andre strukturer. Karyoplasma under et elektronmikroskop ser ut som en homogen eller finkornet masse med lav elektrontetthet. Den inneholder ribosomer, mikrokropper, globuliner og ulike metabolske produkter i suspendert tilstand.

Viskositeten til kjernekraft er omtrent den samme som viskositeten til hovedstoffet i cytoplasmaet. Surheten til kjernesaften, bestemt ved mikroinjeksjon av indikatorer i kjernen, viste seg å være litt høyere enn cytoplasmaet.

I tillegg inneholder kjernejuice enzymer involvert i syntesen av nukleinsyrer i kjernen og ribosomer. Kjernejuice er ikke farget med grunnleggende fargestoffer, derfor kalles det en akromatisk substans, eller karyolymph, i motsetning til områder som kan farges - kromatin.

Kromatin

Hovedkomponenten i kjernene er kromatin, en struktur som utfører den genetiske funksjonen til cellen; nesten all genetisk informasjon er innebygd i kromatin-DNA.

Eukaryote kromosomer vises som skarpt definerte strukturer bare umiddelbart før og under mitose, prosessen med kjernefysisk deling i somatiske celler. I hvilende, ikke-delende eukaryote celler, ser det kromosomale materialet, kalt kromatin, uklar ut og ser ut til å være tilfeldig fordelt i hele kjernen. Imidlertid, mens cellen forbereder seg på deling, kondenserer kromatinet og samler seg til antallet veldefinerte kromosomer som er karakteristiske for arten.

Kromatin ble isolert fra kjerner og analysert. Den består av veldig fine fibre. Hovedkomponentene i kromatin er DNA og proteiner, hvorav hoveddelen er histoner og ikke-histonproteiner.I gjennomsnitt er omtrent 40 % av kromatinet DNA og omtrent 60 % er proteiner, hvorav spesifikke kjernefysiske histonproteiner varierer fra 40 til 80 % av alle proteiner som utgjør det valgte kromatinet. I tillegg inkluderer sammensetningen av kromatinfraksjoner membrankomponenter, RNA, karbohydrater, lipider, glykoproteiner.

Kromatinfibrene i kromosomet er foldet og danner mange knuter og løkker. DNA i kromatin er veldig tett bundet til proteiner kalt histoner, hvis funksjon er å pakke og organisere DNA i strukturelle enheter - nukleosomer. Kromatin inneholder også en rekke ikke-histonproteiner. I motsetning til eukaryote inneholder ikke bakterielle kromosomer histoner; de inneholder bare en liten mengde proteiner som fremmer dannelsen av løkker og kondensering (fortetting) av DNA.

Når man observerer mange levende celler, spesielt planteceller, eller celler etter fiksering og farging inne i kjernen, avsløres soner med et tett stoff, som er godt farget med forskjellige fargestoffer, spesielt grunnleggende. Kromatinets evne til å oppfatte basiske (alkaliske) fargestoffer indikerer dets sure egenskaper, som bestemmes av det faktum at kromatin inneholder DNA i kombinasjon med proteiner. Kromosomer, som kan observeres under mitotisk celledeling, har samme fargeegenskaper og DNA-innhold.

I motsetning til prokaryote celler, kan det DNA-holdige materialet til eukaryotisk kromatin eksistere i to alternative tilstander: dekondensert i interfase og maksimalt komprimert under mitose, som en del av mitotiske kromosomer.

I ikke-delte (interfase) celler kan kromatin jevnt fylle volumet av kjernen eller være lokalisert i separate klumper (kromosentre). Ofte er det spesielt tydelig påvist i periferien av kjernen (parietal, marginal, nærmembranøst kromatin) eller danner floker av ganske tykke (ca. 0,3 μm) og lange tråder inne i kjernen i form av et intranukleært nettverk.

Kromatinet til interfasekjernene er et DNA-bærende legeme (kromosom), som på dette tidspunktet mister sin kompakte form, løsner, dekondenserer. Graden av slik dekondensering av kromosomer kan være forskjellig i kjernene til forskjellige celler. Når et kromosom eller en del av det er fullstendig dekondensert, kalles disse områdene diffust kromatin. Med ufullstendig løsning av kromosomer er områder med kondensert kromatin (noen ganger kalt heterokromatin) synlige i interfasekjernen. Tallrike arbeider har vist at graden av dekondensering av kromosomalt materiale, kromatin, i interfase kan reflektere den funksjonelle belastningen til denne strukturen. Jo mer diffust kromatinet til interfasekjernen er, desto høyere er de syntetiske prosessene i den. Under RNA-syntese endres strukturen til kromatin. En reduksjon i DNA- og RNA-syntese i celler er vanligvis ledsaget av en økning i kondenserte kromatinsoner.

Kromatin kondenseres maksimalt under mitotisk celledeling, når det finnes i form av kropper - kromosomer. I løpet av denne perioden bærer ikke kromosomene noen syntetiske belastninger; de inkluderer ikke forløperne til DNA og RNA.

Basert på dette kan det vurderes at cellekromosomer kan være i to strukturelle og funksjonelle tilstander: i arbeid, delvis eller fullstendig dekondensert, når transkripsjons- og reduplikasjonsprosesser skjer med deres deltakelse i interfasekjernen, og i inaktive - i en tilstand av metabolsk hvile maksimalt deres kondensering når de utfører funksjonen distribusjon og overføring av genetisk materiale til datterceller.

Eukromatin og heterokromatin

Graden av strukturering, kondensering av kromatin i interfasekjerner kan uttrykkes på forskjellige måter. Således, i raskt delende og dårlig spesialiserte celler, har kjernene en diffus struktur; i tillegg til den smale perifere kanten av kondensert kromatin, finnes et lite antall små kromosentre i dem, mens hoveddelen av kjernen er okkupert av diffuse. , dekondensert kromatin. Samtidig, i høyt spesialiserte celler eller i celler som fullfører sin livssyklus, presenteres kromatin i form av et massivt perifert lag og store kromosentre, blokker av kondensert kromatin. Jo større andel av kondensert kromatin i kjernen, desto lavere er metabolsk aktivitet til kjernen. Ved naturlig eller eksperimentell inaktivering av kjerner oppstår progressiv kondensering av kromatin, og omvendt, med aktivering av kjerner, øker andelen diffust kromatin.

Under metabolsk aktivering kan imidlertid ikke alle områder av kondensert kromatin gå over i en diffus form. Tilbake på begynnelsen av 1930-tallet bemerket E. Gates at i interfasekjerner er det permanente områder av kondensert kromatin, hvis tilstedeværelse ikke avhenger av graden av vevsdifferensiering eller av cellenes funksjonelle aktivitet. Slike områder kalles heterokromatin, i motsetning til resten av kromatinmassen - eukromatin (kromatin i seg selv). I følge disse ideene er heterokromatin kompakte deler av kromosomer som vises i profase tidligere enn andre deler i sammensetningen av mitotiske kromosomer og ikke dekondenserer i telofase, og går inn i interfasekjernen i form av intenst fargede tette strukturer (kromosentre). De sentromere og telomere områdene av kromosomer er oftest permanent kondenserte soner. I tillegg til dem kan noen seksjoner som utgjør armene til kromosomene konstant kondenseres - intercalary, eller intercalary, heterochromatin, som også presenteres i kjernene i form av kromosentre. Slike permanent kondenserte seksjoner av kromosomer i interfasekjerner kalles nå vanligvis konstitutivt (permanent) heterokromatin. Det skal bemerkes at regioner av konstitutivt heterokromatin har en rekke funksjoner som skiller det fra resten av kromatin. Konstitutivt heterokromatin er ikke genetisk aktivt; det er ikke transkribert, replikerer senere enn resten av kromatinet, det inkluderer et spesielt (satellitt) DNA beriket med svært repeterende nukleotidsekvenser, det er lokalisert i de sentromere, telomere og interkalære sonene til mitotiske kromosomer. Andelen av konstitutivt kromatin kan variere i forskjellige objekter. Den funksjonelle betydningen av konstitutivt heterokromatin er ikke fullstendig klarlagt. Det antas at det har en rekke viktige funksjoner knyttet til sammenkobling av homologer i meiose, med struktureringen av interfasekjernen, og med noen regulatoriske funksjoner.

Resten, hoveddelen av kjernekromatinet kan endre graden av komprimering avhengig av funksjonell aktivitet, det tilhører eukromatin. Eukromatiske inaktive regioner, som er i en kondensert tilstand, begynte å bli kalt fakultativt heterokromatin, og understreket muligheten for en slik tilstand.

I differensierte celler er bare rundt 10 % av genene i aktiv tilstand, de resterende genene er inaktivert og er en del av det kondenserte kromatinet (fakultativt heterokromatin). Denne omstendigheten forklarer hvorfor det meste av kjernefysisk kromatin er strukturert.

kromatin-DNA

I et kromatinpreparat utgjør DNA vanligvis 30-40 %. Dette DNA er et dobbelttrådet spiralformet molekyl som ligner på rent isolert DNA i vandige løsninger. Kromatin-DNA har en molekylvekt på 7-9 106. Som en del av kromosomer kan lengden på individuelle lineære (i motsetning til prokaryote kromosomer) DNA-molekyler nå hundrevis av mikrometer og til og med flere centimeter. Den totale mengden DNA som er inkludert i kjernefysiske strukturer til celler, i genomet til organismer, svinger.

DNAet til eukaryote celler er heterogent i sammensetning, inneholder flere klasser av nukleotidsekvenser: hyppig gjentatte sekvenser (>106 ganger), som er en del av satellitt-DNA-fraksjonen og ikke transkriberes; en brøkdel av moderat repeterende sekvenser (102-105) som representerer blokker av ekte gener, så vel som korte sekvenser spredt utover genomet; en brøkdel av unike sekvenser som bærer informasjon for de fleste celleproteiner. Alle disse klassene av nukleotider er koblet til en enkelt gigantisk kovalent DNA-streng.

Hovedproteinene til kromatin er histoner

I cellekjernen tilhører den ledende rollen i organiseringen av DNA-arrangementet, i dets komprimering og regulering av funksjonelle belastninger kjerneproteiner. Proteiner i kromatin er svært forskjellige, men de kan deles inn i to grupper: histoner og ikke-histonproteiner. Histoner står for opptil 80 % av alle kromatinproteiner. Deres interaksjon med DNA skjer på grunn av salt- eller ionbindinger og er uspesifikk i forhold til sammensetningen eller sekvensene av nukleotider i DNA-molekylet. En eukaryot celle inneholder bare 5-7 typer histonmolekyler. I motsetning til histoner, interagerer de såkalte ikke-histonproteinene for det meste spesifikt med visse sekvenser av DNA-molekyler, det er et veldig stort utvalg av typer proteiner inkludert i denne gruppen (flere hundre), og en lang rekke funksjoner som de utføre.

Histoner - proteiner som kun er karakteristiske for kromatin - har en rekke spesielle kvaliteter. Dette er basiske eller alkaliske proteiner, hvis egenskaper bestemmes av det relativt høye innholdet av slike grunnleggende aminosyrer som lysin og arginin. Det er de positive ladningene på aminogruppene til lysin og arginin som bestemmer saltet eller den elektrostatiske bindingen til disse proteinene med de negative ladningene på fosfatgruppene i DNA.

Histoner er relativt små proteiner når det gjelder molekylvekt. Klasser av histoner skiller seg fra hverandre i innholdet av forskjellige basiske aminosyrer. Histoner av alle klasser er preget av en klyngefordeling av hovedaminosyrene - lysin og arginin, ved N- og C-terminalene til molekylene. De midterste seksjonene av histonmolekyler danner flere (3-4) 6-helikale seksjoner, som komprimeres til en kulestruktur under isotoniske forhold. De ikke-spiraliserte endene av proteinmolekylene til histoner, rike på positive ladninger, utfører sin forbindelse med hverandre og med DNA.

I løpet av cellenes levetid kan posttranslasjonelle endringer (modifikasjoner) av histoner forekomme: acetylering og metylering av noen lysinrester, noe som fører til tap av antall positive ladninger, og fosforylering av serinrester, som fører til utseendet av en negativ ladning. Acetylering og fosforylering av histoner kan være reversible. Disse modifikasjonene endrer egenskapene til histoner betydelig, deres evne til å binde seg til DNA.

Histoner syntetiseres i cytoplasmaet, transporteres til kjernen og binder seg til DNA under replikasjonen i S-perioden, dvs. synteser av histoner og DNA er synkronisert. Når cellen stopper DNA-syntesen, brytes histon-budbringer-RNA-er ned på noen få minutter og histonsyntesen stopper. Histoner innlemmet i kromatin er svært stabile og har lav erstatningsrate.

Funksjoner av histonproteiner

1. Den kvantitative og kvalitative tilstanden til histoner påvirker graden av kompakthet og aktivitet av kromatin.

2. Strukturell - komprimering - rollen til histoner i organiseringen av kromatin.

For at enorme centimeterlange DNA-molekyler skal passe langs lengden av et kromosom som bare er noen få mikrometer stort, må et DNA-molekyl vris, komprimeres med en pakkingstetthet på 1: 10 000. I prosessen med DNA-komprimering, det er flere pakkingsnivåer, hvorav de første er direkte bestemt av interaksjonshistonene med DNA

Nesten alt av cellens DNA finnes i kjernen. DNA er en lang lineær polymer som inneholder mange millioner nukleotider. De fire typene DNA-nukleotider skilles nitrogenholdige baser. Nukleotider er ordnet i en sekvens som representerer en kodeform for registrering av arvelig informasjon.
For å implementere denne informasjonen blir den omskrevet eller transkribert til kortere tråder av mRNA. Symbolene for den genetiske koden i mRNA er trillinger av nukleotider - kodoner. Hvert kodon angir en av aminosyrene. Hvert DNA-molekyl tilsvarer et separat kromosom, og all genetisk informasjon som er lagret i kromosomene til en organisme kalles genom.
Genomet til høyere organismer inneholder en overdreven mengde DNA, dette skyldes ikke kompleksiteten til organismen. Det er kjent at det menneskelige genomet inneholder 700 ganger mer DNA enn bakterien Escherichia coli. Samtidig er genomet til noen amfibier og planter 30 ganger større enn det menneskelige genomet. Hos virveldyr er mer enn 90 % av DNA ikke essensielt. Informasjonen som er lagret i DNA er organisert, lest og replikert av en rekke proteiner.
De viktigste strukturelle proteinene i kjernen er histonproteiner bare karakteristisk for eukaryote celler. Histoner er små, sterkt basiske proteiner. Denne egenskapen skyldes det faktum at de er beriket med basiske aminosyrer - lysin og arginin. Histoner er også preget av fravær av tryptofan. De er blant de mest konservative av alle kjente proteiner, for eksempel kjennetegnes H4 i kyr og erter ved bare to aminosyrerester. Komplekset av proteiner med DNA i cellekjernene til eukaryoter omtales som kromatin.
Når celler observeres med et lysmikroskop, påvises kromatin i kjernene som soner av et tett stoff som er godt farget med grunnleggende fargestoffer. En dyptgående studie av strukturen til kromatin begynte i 1974, da dens viktigste strukturelle enhet ble beskrevet av ektefellene Ada og Donald Olins, den ble kalt nukleosomet.
Nukleosomer gjør det mulig å brette en lang kjede av et DNA-molekyl mer kompakt. Så i hvert menneskelig kromosom er lengden på DNA-tråden tusenvis av ganger større enn størrelsen på kjernen. På elektronfotografier ser nukleosomet ut som en skiveformet partikkel med en diameter på omtrent 11 nm. Kjernen er et kompleks av åtte histonmolekyler, der fire histoner H2A, H2B, H3 og H4 er representert av to molekyler hver. Disse histonene utgjør den indre delen av nukleosomet, histonkjernen. Et DNA-molekyl som inneholder 146 basepar er viklet rundt histonkjernen. Den danner to ufullstendige svinger rundt histonkjernen til nukleosomet, med 83 nukleotidpar per tur. Hvert nukleosom er atskilt fra det neste med en DNA-linkersekvens, som kan være opptil 80 nukleotider lang. Denne strukturen ligner perler på en snor.
Beregningen viser at menneskelig DNA, med 6x10 9 nukleotidpar, må inneholde 3x10 7 nukleosomer. I levende celler har kromatin sjelden dette utseendet. Nukleosomer er forbundet med hverandre i enda mer kompakte strukturer. Det meste av kromatinet har form av fibriller med en diameter på 30 nm. Slik emballasje utføres ved hjelp av en annen H1-histon. Det er ett H1-molekyl per nukleosom, som trekker sammen linkerstedet på punktene der DNA kommer inn og ut av histonkjernen.
DNA-emballasje reduserer lengden betydelig. Ikke desto mindre bør den gjennomsnittlige lengden på kromatintråden til ett kromosom på dette stadiet overstige størrelsen på kjernen med 100 ganger.
Strukturen til kromatin av høyere orden er en serie løkker, som hver inneholder fra omtrent 20 til 100 tusen basepar. Ved bunnen av løkken er et stedsspesifikt DNA-bindende protein. Slike proteiner gjenkjenner visse nukleotidsekvenser (steder) av to fjerne deler av kromatintråden og bringer dem nærmere.

tekstfelter

arrow_upward

Kjernen er det sentrale elementet i cellen. Dens umiddelbare fjerning diskoordinerer funksjonene til cytoplasmaet. Kjernen spiller en stor rolle i overføring av arvelige egenskaper og proteinsyntese. Overføringen av genetisk informasjon fra en celle til en annen leveres av deoksyribonukleinsyre (DNA) inneholdt i kromosomene. DNA-duplisering går foran celledeling. Massen til kjernen i cellene i forskjellige vev er forskjellig og er for eksempel 10-18 % av massen til hepatocytten, 60 % i lymfoide celler. I interfasen (intermitotisk periode) er kjernen representert av fire elementer: kromatin, nukleolus (nukleolus), nukleoplasma og kjernemembran.

Kromatin

tekstfelter

arrow_upward

Modne celler (for eksempel blod) er preget av kjerner rike på tett, kondensert kromatin som ligger i klumper. I kjernene til somatiske celler hos kvinner er det representert av en kromatinklump nær kjernemembranen: dette er det kvinnelige kjønnskromatinet (eller Barr-kropper), som er et kondensert X-kromosom. Mannlig kjønnskromatin er representert i kjernene til mannlige somatiske celler som en klump som lyser når den farges med fluorokromer. Bestemmelse av kjønnskromatin brukes for eksempel til å bestemme kjønnet til et barn fra celler hentet fra fostervannet til en gravid kvinne.

nukleolus

tekstfelter

arrow_upward

Nukleolus er en intranukleær struktur med en sfærisk form som ikke har en membran. Det er utviklet i alle celler preget av en høy aktivitet av proteinsyntese, som er assosiert med dannelsen av cytoplasmatiske underenheter, rRNA, i den. For eksempel finnes nukleoler i cellekjernene som er i stand til å dele seg - lymfoblaster, myeloblaster, etc.

kjernemembran

tekstfelter

arrow_upward

Kjernemembranen er representert av to ark, lumen mellom dem er koblet til hulrommet til det endoplasmatiske retikulumet. Membranen har hull (kjerneporer) opp til ca. 100 nm i diameter, som makromolekyler (ribonukleaser, RNA) passerer fritt gjennom. Samtidig opprettholder kjernemembranen og porene mikromiljøet i kjernen, og sikrer selektiv utveksling av ulike stoffer mellom kjernen og cytoplasmaet. I en dårlig differensiert celle opptar porene opptil 10 % av kjernefysisk overflate, men etter hvert som cellen modnes, reduseres deres totale overflate.

Nukleoplasma (atomsaft)

tekstfelter

arrow_upward

Nukleoplasma (kjernejuice) er en kolloid løsning som inneholder proteiner, som sikrer utveksling av metabolitter og rask bevegelse av RNA-molekyler til kjernefysiske porer. Mengden nukleoplasma avtar med modning eller aldring av cellen.

Celledeling. Mitose.

tekstfelter

arrow_upward

Mitose(Fig. 1.5) opptar kun en del av cellesyklusen. I pattedyrceller varer den mitotiske fasen (M) omtrent en time.

Den etterfølges av en post-mitotisk pause (G1), som er preget av en høy aktivitet av proteinbiosyntese i cellen, blir prosessene med transkripsjon og translasjon realisert. Varigheten av pausen er ca. 10 timer, men denne tiden varierer betydelig og avhenger av påvirkningen av regulatoriske faktorer som stimulerer og hemmer celledeling, på tilførselen av næringsstoffer.

Den neste fasen av cellesyklusen er preget av syntese (replikasjon) av DNA (fase S) og tar ca 9 timer. Deretter følger den premitotiske fase G2, som varer i ca. 4 timer. Dermed varer hele cellesyklusen omtrent 24 timer:

Celler kan også være i hvilefasen - Go, forbli utenfor cellesyklusen i lang tid. For eksempel, hos mennesker er opptil 90 % av hematopoietiske stamceller i Go-fasen, men deres overgang fra Go til G1 akselererer med økende etterspørsel etter blodceller.

Cellenes høye følsomhet for faktorene som regulerer deres deling i G1-fasen forklares av syntesen av hormonreseptorer, stimulerende og hemmende faktorer, på cellemembraner i denne perioden. For eksempel stimulerer delingen av erytroide celler i benmargen i G-fasen hormonet erytropoietin. Denne prosessen hemmes av en hemmer av erytropoese - et stoff som reduserer produksjonen av røde blodlegemer ved en reduksjon i vevets oksygenbehov (kapittel 6).

Overføringen av informasjon til kjernen om samspillet mellom membranreseptorer og en celledelingsstimulator inkluderer DNA-syntese, de. fase S. Som et resultat endres mengden av DNA i cellen fra diploid, 2N, til tetraploid, 4N. I G2-fasen syntetiseres strukturer som er nødvendige for mitose, spesielt mitotiske spindelproteiner.

I fase M fordeling av identisk genetisk materiale mellom to datterceller. Selve fasen M er delt inn i fire perioder: profase, metafase, anafase og telofase (fig. 1.5.).

Profase karakterisert ved kondensering av DNA-kromosomer, og danner to kromatider, som hver er ett av to identiske DNA-molekyler. Nukleolus og kjernefysisk konvolutt forsvinner. Sentrioler, representert av tynne mikrotubuli, divergerer til to poler i cellen, og danner en mitotisk spindel.

inn i metafase kromosomer er plassert i midten av cellen, og danner en metafaseplate I denne fasen er morfologien til hvert kromosom mest distinkt, som i praksis brukes til å studere kromosomsettet til cellen.

Anafase preget av bevegelsen av kromatider, "trukket fra hverandre" av fibrene i den mitotiske spindelen til motsatte poler av cellen.

Telofase preget av dannelsen av en kjernemembran rundt dattersettet av kromosomer. Kunnskap om egenskapene til cellesyklusen brukes i praksis, for eksempel ved dannelse av cytostatiske stoffer for behandling av leukemi. Dermed brukes egenskapen til vinkristin til å være en gift for den mitotiske spindelen for å stoppe mitosen til leukemiske celler.

Celledifferensiering

tekstfelter

arrow_upward

Celledifferensiering er anskaffelsen av en celle av spesialiserte funksjoner assosiert med utseendet i den av strukturer som sikrer ytelsen til disse funksjonene (for eksempel kjennetegner syntesen og akkumuleringen av hemoglobin i erytrocytter deres differensiering til erytrocytter). Differensiering er assosiert med genetisk programmert hemming (undertrykkelse) av funksjonene til noen deler av genomet og aktivering av andre.