Caracteristicile generale ale nucleului de interfaza

Nucleul este cea mai importantă componentă a celulei, care se găsește în aproape toate celulele organismelor multicelulare. Majoritatea celulelor au un singur nucleu, dar există celule binucleate și multinucleate (de exemplu, fibre musculare striate). Dualitatea și multinuclearea se datorează caracteristicilor funcționale sau stării patologice a celulelor. Forma și dimensiunea nucleului sunt foarte variabile și depind de tipul de organism, tipul, vârsta și starea funcțională a celulei. În medie, volumul nucleului este de aproximativ 10% din volumul total al celulei. Cel mai adesea, nucleul are o formă rotundă sau ovală, cu dimensiuni cuprinse între 3 și 10 microni în diametru. Dimensiunea minimă a nucleului este de 1 micron (la unele protozoare), cea maximă este de 1 mm (ouăle unor pești și amfibieni). În unele cazuri, există o dependență a formei nucleului de forma celulei. Nucleul ocupă de obicei o poziție centrală, dar în celulele diferențiate poate fi deplasat în partea periferică a celulei. Aproape tot ADN-ul unei celule eucariote este concentrat în nucleu.

Principalele funcții ale nucleului sunt:

1) Stocarea și transmiterea informațiilor genetice;

2) Reglarea sintezei proteinelor, metabolismului și energiei în celulă.

Astfel, nucleul nu este doar un recipient pentru materialul genetic, ci și un loc în care acest material funcționează și se reproduce. Prin urmare, întreruperea oricăreia dintre aceste funcții va duce la moartea celulelor. Toate acestea indică rolul principal al structurilor nucleare în sinteza acizilor nucleici și proteinelor.

BLAKING

Miez. Cromatina, heterocromatina, eucromatina.

Nucleul (lat.nucleus) este una dintre componentele structurale ale unei celule eucariote, conținând informații genetice (molecule de ADN), îndeplinesc principalele funcții: stocarea, transmiterea și implementarea informațiilor ereditare cu asigurarea sintezei proteinelor. Nucleul este format din cromatină, nucleol, carioplasmă (sau nucleoplasmă) și înveliș nuclear. În nucleul celular are loc replicarea (sau reduplicarea) - dublarea moleculelor de ADN, precum și transcripția - sinteza moleculelor de ARN pe o moleculă de ADN. Moleculele de ARN sintetizate în nucleu sunt modificate, după care intră în citoplasmă. Formarea ambelor subunități de ribozom are loc în formațiuni speciale ale nucleului celular - nucleolii. Astfel, nucleul celular nu este doar un depozit de informații genetice, ci și un loc în care acest material funcționează și se reproduce.

Nucleul unei celule de interfaza nedivizată este de obicei unul pe celulă (deși se găsesc și celule multinucleate). Nucleul este format din cromatină, nucleol, carioplasmă (nucleoplasmă) și învelișul nuclear care îl separă de citoplasmă (Fig. 17).

Cromatina

La observarea celulelor vii sau fixe din interiorul nucleului, se identifică zone de materie densă, care sunt bine percepute de diverși coloranți, în special de cei de bază. Datorită acestei capacități de a colora bine, această componentă a nucleului se numește „cromatina” (din grecescul chroma - culoare, vopsea). Cromatina conține ADN într-un complex cu proteine. Cromozomii, care sunt clar vizibili în timpul diviziunii celulare mitotice, au aceleași proprietăți. În celulele nedivizate (interfazice), cromatina, detectată la microscop cu lumină, poate umple mai mult sau mai puțin uniform volumul nucleului sau poate fi localizată în bulgări separate.

Cromatina nucleelor de interfaza este un cromozom, care, cu toate acestea, în acest moment își pierd forma compactă, se slăbește, se decondensează. Gradul de astfel de decondensare a cromozomilor poate fi diferit. Morfologii numesc zonele de decondensare completă a locurilor lor eucromatină. Odată cu slăbirea incompletă a cromozomilor în nucleul de interfază, sunt vizibile zonele de cromatină condensată, uneori numite heterocromatina. Gradul de decondensare a materialului cromozomial - cromatina din interfaza poate reflecta sarcina functionala a acestei structuri. Cu cât cromatina este mai „difuză” distribuită în nucleul de interfază (adică, cu cât mai multă eucromatină), cu atât procesele sintetice din acesta sunt mai intense.

Cromatina este condensată maxim în timpul diviziunii celulare mitotice, când se găsește sub formă de cromozomi denși. În această perioadă, cromozomii nu îndeplinesc nicio funcție sintetică, iar precursorii ADN-ului și ARN-ului nu sunt incluși în ei.

Astfel, cromozomii celulelor pot fi în două stări structurale și funcționale: în stare activă, de lucru, decondensată parțial sau complet, atunci când, cu participarea lor la nucleul interfazic, au loc procesele de transcripție și reduplicare și în stare inactivă, într-un stare de repaus metabolic cu condensarea lor maximă, când îndeplinesc funcția de distribuire și transfer de material genetic către celulele fiice.

Cromatina

Lungimea enormă a moleculelor de ADN eucariote a predeterminat apariția unor mecanisme speciale de stocare, replicare și implementare a materialului genetic. Cromatina este numită o moleculă de ADN cromozomial în combinație cu proteine specifice necesare implementării acestor procese. Cea mai mare parte este formată din „proteine de stocare”, așa-numitele histone. Din aceste proteine se construiesc nucleozomi – structuri pe care sunt înfășurate firele de molecule de ADN. Nucleozomii sunt aranjați destul de regulat, astfel încât structura rezultată să semene cu o mărgele. Nucleozomul este format din patru tipuri de proteine: H2A, H2B, H3 și H4. Un nucleozom conține două proteine de fiecare tip - un total de opt proteine. Histona H1, care este mai mare decât alte histone, se leagă de ADN unde intră în nucleozom. Nucleozomul, împreună cu H1, se numește cromozom.

O catenă de ADN cu nucleozomi formează o structură neregulată asemănătoare solenoidului cu o grosime de aproximativ 30 de nanometri, așa-numita fibrilă de 30 nm. Ambalarea ulterioară a acestei fibrile poate avea densități diferite. Dacă cromatina este strâns compactă, se numește condensată sau heterocromatina, este clar vizibil la microscop. ADN-ul găsit în heterocromatină nu este transcris, de obicei această afecțiune este caracteristică regiunilor nesemnificative sau tăcute. În interfază, heterocromatina este de obicei localizată la periferia nucleului (heterocromatina parietală). Condensarea completă a cromozomilor are loc înainte de diviziunea celulară. Dacă cromatina este împachetată slab, se numește eu- sau intercromatina... Acest tip de cromatina este mult mai puțin dens atunci când este privit la microscop și este de obicei caracterizat prin prezența activității transcripționale. Densitatea de împachetare a cromatinei este determinată în mare măsură de modificările histonelor - acetilare și fosforilare.

Se crede că în nucleu există așa-numitele domenii cromatinei funcționale (ADN-ul unui domeniu conține aproximativ 30 de mii de perechi de baze), adică fiecare regiune cromozomală are propriul său „teritoriu”. Din păcate, problema distribuției spațiale a cromatinei în nucleu nu a fost încă suficient studiată. Se știe că secțiunile cromozomilor telomer (terminal) și centromer (responsabil de legarea cromatidelor surori în mitoză) sunt atașate de proteinele laminei nucleare.

2. Cromatina

Cromatina este numeroase granule colorate cu coloranți bazici, din care se formează cromozomi. Cromozomii sunt formați dintr-un complex de nucleoproteine care conține acizi nucleici și proteine. Exista doua tipuri de cromatina in nucleii celulelor umane in interfaza - cromatina dispersata, slab colorata (eucromatina), formata din fibre lungi, subtiri, impletite, cromatina foarte activa din punct de vedere metabolic si condensata (heterocromatina), corespunzatoare unor regiuni ale cromozomilor care nu sunt implicate în controlul activității metabolice... Celulele mature (de exemplu, sângele) se caracterizează prin nuclee bogate în cromatină densă, condensată, care se află în bulgări. În nucleele celulelor somatice ale femeilor, este reprezentată de un bulgăre de cromatină aproape de membrana nucleului: aceasta este cromatina sexuală feminină (sau corpul mic al lui Barr), care este un cromozom X condensat. Cromatina sexuală masculină este reprezentată în nucleii celulelor somatice masculine printr-un nodul care strălucește atunci când este colorat cu fluorocromi. Determinarea cromatinei sexuale este utilizată, de exemplu, pentru a determina sexul unui copil folosind celule obținute din lichidul amniotic al unei femei însărcinate.

Cercetarea biochimică în genetică este o modalitate importantă de a studia elementele sale de bază - cromozomii și genele. În acest articol ne vom uita la ce este cromatina, vom afla structura și funcția acesteia în celulă.

Ereditatea este principala proprietate a materiei vii

Principalele procese care caracterizează organismele care trăiesc pe Pământ includ respirația, nutriția, creșterea, excreția și reproducerea. Ultima funcție este cea mai importantă pentru conservarea vieții pe planeta noastră. Cum să nu ne amintim că prima poruncă dată de Dumnezeu lui Adam și Evei a fost următoarea: „Fiți roditori și înmulțiți-vă”. La nivel celular, funcția generativă este îndeplinită de acizii nucleici (substanța constitutivă a cromozomilor). Aceste structuri vor fi luate în considerare de noi mai târziu.

Să mai adăugăm că păstrarea și transmiterea informațiilor ereditare către descendenți se realizează după un singur mecanism care nu depinde deloc de nivelul de organizare al unui individ, adică pentru un virus, pentru bacterii și pentru om. , este universal.

Care este substanța eredității

În această lucrare, studiem cromatina, a cărei structură și funcții depind direct de organizarea moleculelor de acid nucleic. În 1869, omul de știință elvețian Mischer a descoperit compuși care prezintă proprietățile acizilor în nucleele celulelor sistemului imunitar, pe care i-a numit mai întâi nucleină și apoi acizi nucleici. Din punct de vedere al chimiei, aceștia sunt compuși cu greutate moleculară mare - polimeri. Monomerii lor sunt nucleotide cu următoarea structură: bază purinică sau pirimidină, pentoză și reziduu.Oamenii de știință au stabilit că două specii și ARN pot fi prezente în celule. Ele intră într-un complex cu proteine și formează substanța cromozomilor. Ca și proteinele, acizii nucleici au mai multe niveluri de organizare spațială.

În 1953, structura ADN-ului a fost descifrată de laureații Nobel Watson și Crick. Este o moleculă formată din două lanțuri, interconectate prin legături de hidrogen, care iau naștere între bazele azotate după principiul complementarității (opus adenină este baza timină, opus citozină - guanina). Cromatina, a cărei structură și funcție le studiem, conține molecule de acizi dezoxiribonucleici și ribonucleici de diverse configurații. Ne vom opri asupra acestei probleme mai detaliat în secțiunea „Niveluri de organizare a cromatinei”.

Localizarea substanței eredității în celulă

ADN-ul este prezent în citostructuri precum nucleul, precum și în organele capabile de diviziune - mitocondrii și cloroplaste. Acest lucru se datorează faptului că aceste organele îndeplinesc cele mai importante funcții în celulă: precum și sinteza glucozei și formarea oxigenului în celulele vegetale. În stadiul sintetic al ciclului de viață, organelele părinte se dublează. Astfel, ca urmare a mitozei (diviziunea celulelor somatice) sau a meiozei (formarea de ouă și spermatozoizi), celulele fiice primesc arsenalul necesar de structuri celulare care furnizează celulelor nutrienți și energie.

Acidul ribonucleic este format dintr-o singură catenă și are o greutate moleculară mai mică decât ADN-ul. Este conținut atât în nucleu, cât și în hialoplasmă și face parte și din multe organele celulare: ribozomi, mitocondrii, reticul endoplasmatic, plastide. Cromatina din aceste organite este asociată cu proteinele histonelor și face parte din plasmide - molecule circulare de ADN închise.

Cromatina și structura ei

Deci, am stabilit că acizii nucleici sunt conținuti în substanța cromozomilor - unitățile structurale ale eredității. Cromatina lor sub un microscop electronic arată ca niște granule sau formațiuni filiforme. Conține, pe lângă ADN, și molecule de ARN, precum și proteine care prezintă proprietăți de bază și se numesc histone. Toate cele de mai sus sunt nucleozomi. Se găsesc în cromozomii nucleului și se numesc fibrile (filamente solenoide). Rezumând toate cele de mai sus, să definim ce este cromatina. Este un compus complex și proteine speciale - histone. Moleculele de ADN dublu catenar sunt înfășurate pe ele, ca pe bobine, pentru a forma nucleozomi.

Niveluri de organizare a cromatinei

Substanța eredității are o structură diferită, care depinde de mulți factori. De exemplu, în ce etapă a ciclului de viață trece celula: perioada de diviziune (meioză sau meioză), perioada presintetică sau sintetică a interfazei. Din forma unui solenoid sau fibrilă, ca formă cea mai simplă, are loc o compactare suplimentară a cromatinei. Heterocromatina este o stare mai densă; se formează în regiunile de intron ale cromozomului unde transcripția este imposibilă. În perioada de repaus a celulei - interfaza, când nu există un proces de diviziune - heterocromatina este situată în carioplasma nucleului de-a lungul periferiei, în apropierea membranei sale. Compactarea conținutului nuclear are loc în etapa post-sintetică a ciclului de viață al celulei, adică imediat înainte de divizare.

De ce depinde condensarea substanței eredității?

Continuând să studieze întrebarea „ce este cromatina”, oamenii de știință au descoperit că compactarea acesteia depinde de proteinele histonelor, care, împreună cu moleculele de ADN și ARN, fac parte din nucleozomi. Ele sunt compuse din patru tipuri de proteine, numite proteine de bază și proteine linker. În momentul transcripției (citirea informațiilor din gene utilizând ARN), substanța ereditară este slab condensată și se numește eucromatină.

În prezent, caracteristicile distribuției moleculelor de ADN asociate cu proteinele histonelor continuă să fie studiate. De exemplu, oamenii de știință au descoperit că cromatina diferiților loci ai aceluiași cromozom diferă în ceea ce privește nivelul de condensare. De exemplu, în locurile de atașare la cromozomul filamentelor fusului de diviziune, numite centromeri, este mai dens decât în regiunile telomerice - loci terminali.

Gene reglatoare și compoziția cromatinei

Conceptul de reglare a activității genelor, creat de geneticienii francezi Jacob și Monod, oferă o idee despre existența regiunilor de acid dezoxiribonucleic în care nu există informații despre structurile proteinelor. Ei îndeplinesc funcții pur birocratice - manageriale. Denumite gene regulatoare, aceste părți ale cromozomilor, de regulă, sunt lipsite de proteine histone în structura lor. Cromatina, a cărei determinare a fost efectuată prin secvențiere, a fost numită deschisă.

În cursul cercetărilor ulterioare, s-a constatat că în acești loci sunt localizate secvențe de nucleotide care împiedică atașarea particulelor de proteine la moleculele de ADN. Astfel de site-uri conțin gene reglatoare: promotori, amplificatori, activatori. Compactarea cromatinei în ele este mare, iar lungimea acestor regiuni este în medie de aproximativ 300 nm. Există o definiție a cromatinei deschise în nucleele izolate, în care este utilizată enzima DNază. Se scindează foarte rapid loci cromozomii lipsiți de proteine histone. Cromatina din aceste zone a fost numită hipersensibilă.

Rolul substanței eredității

Complexele, inclusiv ADN, ARN și proteine, numite cromatina, sunt implicate în ontogeneza celulelor și își modifică compoziția în funcție de tipul de țesut, precum și de stadiul de dezvoltare a organismului în ansamblu. De exemplu, în celulele epiteliale ale pielii, gene precum amplificatorul și promotorul sunt blocate de proteinele represoare, iar aceleași gene reglatoare din celulele secretoare ale epiteliului intestinal sunt active și sunt situate în zona cromatinei deschise. Oamenii de știință în genetică au descoperit că ADN-ul, care nu codifică proteine, reprezintă mai mult de 95% din întregul genom uman. Aceasta înseamnă că există mult mai multe gene de control decât cele responsabile pentru sinteza peptidelor. Introducerea unor metode precum cipurile ADN și secvențierea a făcut posibil să se afle ce este cromatina și, ca urmare, să se efectueze cartografierea genomului uman.

Cercetarea cromatinei este foarte importantă în ramuri ale științei, cum ar fi genetica umană și genetica medicală. Acest lucru se datorează nivelului puternic crescut de apariție a bolilor ereditare, atât genetice, cât și cromozomiale. Detectarea precoce a acestor sindroame crește procentul de prognostic pozitiv în tratamentul lor.

Carioplasma

Carioplasma (sucul nuclear, nucleoplasma) este principalul mediu intern al nucleului; ea ocupă întregul spațiu dintre nucleol, cromatină, membrane, tot felul de incluziuni și alte structuri. Carioplasma sub un microscop electronic arată ca o masă omogenă sau cu granulație fină, cu o densitate scăzută de electroni. Conține ribozomi, microcorpi, globuline și diverse produse metabolice în stare suspendată.

Vâscozitatea sevei nucleare este aproximativ aceeași cu vâscozitatea substanței de bază a citoplasmei. Aciditatea sevei nucleare, determinată prin microinjectare de indicatori în nucleu, s-a dovedit a fi puțin mai mare decât cea a citoplasmei.

În plus, sucul nuclear conține enzime implicate în sinteza acizilor nucleici din nucleu și ribozom. Seva nucleară nu este colorată cu coloranți bazici, de aceea se numește substanță acromatinică sau cariolimfă, spre deosebire de zonele care pot colora - cromatina.

Cromatina

Componenta principală a nucleelor - cromatina, este o structură care îndeplinește funcția genetică a unei celule; practic toată informația genetică este încorporată în ADN-ul cromatinei.

Cromozomii eucarioți arată ca niște structuri clar conturate numai imediat înainte și în timpul mitozei - procesul de diviziune nucleară în celulele somatice. În celulele eucariote aflate în repaus, care nu se divid, materialul cromozomial, numit cromatina, pare neclar și pare să fie distribuit aleatoriu în întregul nucleu. Cu toate acestea, atunci când celula se pregătește să se divizeze, cromatina se îngroașă și se adună în numărul său caracteristic de cromozomi clar distinși.

Cromatina a fost izolată din nuclee și analizată. Este compus din fibre foarte fine. Principalele componente ale cromatinei sunt ADN-ul și proteinele, dintre care cea mai mare parte sunt histonele și proteinele non-histone.În medie, aproximativ 40% din cromatina este ADN și aproximativ 60% este proteine, dintre care proteinele nucleare specifice-histonele alcătuiesc din 40. la 80% din toate proteinele care alcătuiesc cromatina izolată. În plus, fracțiile de cromatină includ componente ale membranei, ARN, carbohidrați, lipide, glicoproteine.

Fibrele de cromatina din cromozom sunt pliate și formează multe noduri și bucle. ADN-ul din cromatina este foarte strâns legat de proteine numite histone, a căror funcție este de a împacheta și aranja ADN-ul în unități structurale - nucleozomi. Cromatina conține, de asemenea, o serie de proteine non-histone. Spre deosebire de cromozomii eucarioți, cromozomii bacterieni nu conțin histone; conțin doar o cantitate mică de proteine care contribuie la formarea buclelor și la condensarea (compactarea) ADN-ului.

La observarea multor celule vii, în special celule vegetale, sau celule după fixarea și colorarea în interiorul nucleului, se dezvăluie zone de materie densă, care sunt bine colorate cu diverși coloranți, în special cu cei de bază. Capacitatea cromatinei de a percepe coloranții bazici (alcalini) indică proprietățile sale acide, care sunt determinate de faptul că cromatina conține ADN într-un complex cu proteine. Cromozomii au aceleași proprietăți de colorare și conținut de ADN, care poate fi observat în timpul diviziunii celulare mitotice.

Spre deosebire de celulele procariote, materialul de cromatină eucariotă care conține ADN poate exista în două stări alternative: decondensat în interfază și compactat maxim în timpul mitozei, ca parte a cromozomilor mitotici.

În celulele nedivizate (interfazate), cromatina poate umple uniform volumul nucleului sau poate fi localizată în cheaguri separate (cromocentre). Adesea, se găsește în mod deosebit în mod clar la periferia nucleului (cromatina parietală, marginală, aproape de membrană) sau formează împletire de cordoane destul de groase (aproximativ 0,3 μm) și lungi sub forma unei rețele intranucleare în interiorul nucleului.

Cromatina nucleelor de interfaza este corpuri purtătoare de ADN (cromozomi), care în acest moment își pierd forma compactă, se slăbesc, se decondensează. Gradul de astfel de decondensare a cromozomilor poate fi diferit în nucleele diferitelor celule. Când un cromozom sau o parte a acestuia este complet decondensat, aceste zone se numesc cromatina difuză. Odată cu slăbirea incompletă a cromozomilor în nucleul de interfază, sunt vizibile zone de cromatină condensată (uneori numită heterocromatină). Numeroase lucrări au arătat că gradul de decondensare a materialului cromozomial, cromatina, în interfază poate reflecta încărcătura funcțională a acestei structuri. Cu cât cromatina nucleului de interfază este mai difuză, cu atât procesele sintetice din acesta sunt mai mari. În timpul sintezei ARN, structura cromatinei se modifică. O scădere a sintezei de ADN și ARN în celule este de obicei însoțită de o creștere a zonelor de cromatinei condensate.

Cromatina este condensată maxim în timpul diviziunii celulare mitotice, când se găsește sub formă de corpuri - cromozomi. În această perioadă, cromozomii nu poartă nicio încărcătură sintetică, nu includ precursorii ADN-ului și ARN-ului.

Pe baza acestui fapt, se poate presupune că cromozomii celulelor pot fi în două stări structurale și funcționale: în funcționare, parțial sau complet decondensați, atunci când participă la nucleul interfazic, au loc procesele de transcripție și reduplicare și într-o stare inactivă. stare, în stare de repaus metabolic la maxim condensarea lor atunci când îndeplinesc funcția de distribuire și transfer de material genetic către celulele fiice.

Eucromatina și heterocromatina

Gradul de structurare, condensarea cromatinei în nuclee de interfaza poate fi exprimat în grade diferite. Deci, în divizarea intensă și în celulele puțin specializate, nucleii au o structură difuză, în ei, pe lângă marginea periferică îngustă a cromatinei condensate, există un număr mic de cromocentri mici, în timp ce partea principală a nucleului este ocupată. prin cromatina difuză, decondensată. În același timp, în celulele înalt specializate sau în celulele care își încheie ciclul de viață, cromatina se prezintă sub forma unui strat periferic masiv și a unor cromocentri mari, blocuri de cromatina condensată. Cu cât fracția de cromatină condensată din nucleu este mai mare, cu atât activitatea metabolică a nucleului este mai mică. Odată cu inactivarea naturală sau experimentală a nucleelor, are loc condensarea progresivă a cromatinei și, dimpotrivă, odată cu activarea nucleelor, proporția de cromatinei difuze crește.

Cu toate acestea, în timpul activării metabolice, nu toate zonele de cromatina condensată se pot transforma într-o formă difuză. La începutul anilor 1930, E. Geitz a observat că în nucleele de interfază există zone constante de cromatina condensată, a căror prezență nu depinde de gradul de diferențiere a țesuturilor sau de activitatea funcțională a celulelor. Astfel de zone sunt numite heterocromatina, spre deosebire de restul masei cromatinei - eucromatina (cromatina însăși). Conform acestor concepte, heterocromatina sunt secțiuni compacte ale cromozomilor, care în profază apar mai devreme decât alte părți în compoziția cromozomilor mitotici și nu se decondensează în telofază, trecând în nucleul interfazat sub formă de structuri dense intens colorate (cromocentre). Regiunile centromerice și telomerice ale cromozomilor sunt cel mai adesea zone condensate constant. În plus față de acestea, unele zone care fac parte din brațele cromozomilor pot fi condensate constant - heterocromatina intercalară sau intercalară, care este prezentată și în nuclee sub formă de cromocentri. Astfel de regiuni constant condensate ale cromozomilor din nucleele de interfaza sunt acum numite heterocromatină constitutivă (permanentă). Trebuie remarcat faptul că regiunile heterocromatinei constitutive au o serie de caracteristici care o deosebesc de restul cromatinei. Heterocromatina constitutivă este inactivă genetic; nu este transcris, se replică mai târziu decât restul cromatinei, include un ADN special (satelit) îmbogățit cu secvențe de nucleotide foarte repetitive, este localizat în zonele centromerice, telomerice și intercalare ale cromozomilor mitotici. Proporția de cromatina constitutivă poate diferi de la obiect la obiect. Semnificația funcțională a heterocromatinei constitutive nu este pe deplin înțeleasă. Se presupune că are o serie de funcții importante asociate cu împerecherea omologilor în meioză, cu structurarea nucleului interfazic, cu unele funcții reglatoare.

Restul, cea mai mare parte a cromatinei nucleare, poate modifica gradul de compactare a acesteia în funcție de activitatea funcțională; aparține eucromatinei. Zonele inactive eucromatice care se află într-o stare condensată au ajuns să fie numite heterocromatină facultativă, subliniind caracterul opțional al unei astfel de stări.

În celulele diferențiate, doar aproximativ 10% dintre gene sunt în stare activă, restul genelor sunt inactivate și fac parte din cromatina condensată (heterocromatina facultativă). Această împrejurare explică de ce cea mai mare parte a cromatinei nucleare este structurată.

ADN-ul cromatinei

Într-un preparat de cromatină, ADN-ul reprezintă de obicei 30-40%. Acest ADN este o moleculă elicoidal dublu catenară similară cu ADN-ul pur izolat în soluții apoase. ADN-ul cromatinei are o greutate moleculară de 7-9106. În compoziția cromozomilor, lungimea moleculelor de ADN liniare individuale (spre deosebire de cromozomii procarioți) poate atinge sute de micrometri și chiar câțiva centimetri. Cantitatea totală de ADN care intră în structurile nucleare ale celulelor, genomul organismelor, fluctuează.

ADN-ul celulelor eucariote este heterogen ca compoziție, conține mai multe clase de secvențe de nucleotide: secvențe repetate frecvent (> 106 ori) incluse în fracția de ADN satelit și netranscrise; fracțiune de secvențe moderat repetitive (102-105) reprezentând blocuri de gene adevărate, precum și secvențe scurte împrăștiate în întregul genom; fracțiune de secvențe unice care poartă informații pentru majoritatea proteinelor din celulă. Toate aceste clase de nucleotide sunt legate într-o singură catenă de ADN covalent gigant.

Principalele proteine ale cromatinei - histonele

În nucleul celular, rolul principal în organizarea aranjamentului ADN, în compactarea acestuia și reglarea sarcinilor funcționale revine proteinelor nucleare. Proteinele din cromatină sunt foarte diverse, dar pot fi împărțite în două grupe: histone și proteine non-histone. Histonele reprezintă până la 80% din toate proteinele cromatinei. Interacțiunea lor cu ADN-ul are loc prin sare sau legături ionice și este nespecifică în ceea ce privește compoziția sau secvențele de nucleotide din molecula de ADN. O celulă eucariotă conține doar 5-7 tipuri de molecule de histonă. Spre deosebire de histonele, așa-numitele proteine non-histone în cea mai mare parte interacționează în mod specific cu anumite secvențe de molecule de ADN, varietatea de tipuri de proteine incluse în acest grup este foarte mare (câteva sute), iar varietatea de funcții pe care le îndeplinesc este Grozav.

Histonele - proteine care sunt caracteristice doar cromatinei - au o serie de calități speciale. Acestea sunt proteine bazice sau alcaline, ale căror proprietăți sunt determinate de conținutul relativ ridicat de astfel de aminoacizi esențiali precum lizina și arginina. Sarcinile pozitive de pe grupările amino ale lizinei și argininei sunt cele care determină sarea sau legătura electrostatică a acestor proteine cu sarcini negative pe grupările fosfat ale ADN-ului.

Histonele sunt proteine cu greutate moleculară relativ mică. Clasele de histone diferă unele de altele prin conținutul de diferiți aminoacizi esențiali. Pentru histonele din toate clasele, este caracteristică distribuția în cluster a principalilor aminoacizi - lizină și arginina, la capetele N și C ale moleculelor. Regiunile medii ale moleculelor de histonă formează mai multe (3-4) regiuni elicoidale b, care sunt compactate într-o structură globulară în condiții izotonice. Capetele nehelicoidale ale moleculelor proteice ale histonelor, bogate în sarcini pozitive, realizează legătura lor între ele și cu ADN-ul.

Pe parcursul vieții celulelor pot apărea modificări (modificări) post-translaționale ale histonelor: acetilarea și metilarea unor resturi de lizină, ceea ce duce la pierderea numărului de sarcini pozitive, și fosforilarea resturilor de serină, ducând la apariția unui sarcina negativa. Acetilarea și fosforilarea histonelor pot fi reversibile. Aceste modificări modifică semnificativ proprietățile histonelor, capacitatea lor de a se lega de ADN.

Histonele sunt sintetizate în citoplasmă, transportate la nucleu și se leagă de ADN în timpul replicării sale în perioada S, adică. sintezele histonelor și ADN sunt sincronizate. Când celula încetează să mai sintetizeze ADN-ul, ARN-ul mesager al histonelor se dezintegrează în câteva minute, iar sinteza histonelor se oprește. Histonele încorporate în cromatină sunt foarte stabile și au o rată scăzută de înlocuire.

Funcțiile proteinelor histonelor

1. Starea cantitativă și calitativă a histonelor afectează gradul de compactitate și activitatea cromatinei.

2. Structural – compactare – rolul histonelor în organizarea cromatinei.

Pentru a așeza molecule de ADN uriașe de-a lungul cromozomului, care are o dimensiune de doar câțiva micrometri, molecula de ADN trebuie răsucită, compactată cu o densitate de împachetare egală cu 1: 10 000. În procesul de compactare a ADN-ului, există mai multe niveluri de împachetare, primul fiind determinat direct de interacțiunea histonelor cu ADN-ul

Aproape tot ADN-ul unei celule este conținut în nucleu. ADN este un polimer liniar lung care conține multe milioane de nucleotide. Cele patru tipuri de nucleotide ADN diferă baze azotate. Nucleotide sunt aranjate într-o secvență care este o formă de cod pentru înregistrarea informațiilor ereditare.
Pentru a implementa aceste informații, acestea sunt rescrise sau transcrise în lanțuri m-ARN mai scurte. Simbolurile codului genetic din i-ARN sunt tripleți de nucleotide - codoni... Fiecare codon reprezintă unul dintre aminoacizi. Fiecare moleculă de ADN corespunde unui cromozom separat, iar toată informația genetică stocată în cromozomii unui organism se numește genomului.
Genomul organismelor superioare conține o cantitate în exces de ADN, aceasta nu este asociată cu complexitatea organismului. Se știe că genomul uman conține de 700 de ori mai mult ADN decât bacteria E. coli. În același timp, genomul unor amfibieni și plante este de 30 de ori mai mare decât genomul uman. La vertebrate, mai mult de 90% din ADN nu este esențial. Informațiile stocate în ADN sunt organizate, citite și replicate de o varietate de proteine.
Principalele proteine structurale ale nucleului sunt proteine-histone caracteristic doar pentru celulele eucariote. Histones- proteine mici puternic bazice. Această proprietate se datorează faptului că sunt îmbogățiți cu aminoacizii de bază - lizină și arginina. Histonele se caracterizează și prin absența triptofanului. Ele sunt printre cele mai conservatoare dintre toate proteinele cunoscute, de exemplu, H4 din vacă și mazăre se distinge prin doar două resturi de aminoacizi. Complexul de proteine cu ADN din nucleele celulare ale eucariotelor este denumit cromatină.
La observarea celulelor folosind un microscop cu lumină, cromatina este detectată în nuclee ca zone de materie densă, bine colorate cu coloranți bazici. Un studiu aprofundat al structurii cromatinei a început în 1974, când soții Ada și Donald Olins au descris unitatea sa structurală de bază, aceasta a fost numită nucleozom.
Nucleozomii permit ca un lanț lung de molecule de ADN să fie pliat mai compact. Deci, în fiecare cromozom uman, lungimea unei catene de ADN este de mii de ori dimensiunea nucleului. În fotografiile electronice, nucleozomul arată ca o particulă discoidă cu un diametru de aproximativ 11 nm. Miezul său este un complex de opt molecule de histonă, în care patru histone H2A, H2B, H3 și H4 sunt reprezentate de două molecule fiecare. Aceste histone formează partea interioară a nucleozomului - miezul histonelor. O moleculă de ADN care conține 146 de perechi de baze este înfășurată pe miezul histonei. Formează două ture incomplete în jurul miezului de histonă al nucleozomului; există 83 de perechi de nucleotide pe tură. Fiecare nucleozom este separat de următorul printr-o secvență de ADN linker, care poate avea o lungime de până la 80 de nucleotide. Această structură seamănă cu un șir de margele.
Calculul arată că ADN-ul uman având 6x109 perechi de nucleotide ar trebui să conţină 3x107 nucleozomi. În celulele vii, cromatina are rareori acest aspect. Nucleozomii sunt legați împreună în structuri și mai compacte. Cea mai mare parte a cromatinei este sub formă de fibrile cu diametrul de 30 nm. Acest ambalaj este realizat folosind o altă histonă H1. Există o moleculă H1 per nucleozom, care reunește site-ul linker în punctele în care ADN-ul intră și iese din miezul histonei.
Ambalajul ADN-ului își reduce semnificativ lungimea. Cu toate acestea, lungimea medie a filamentului de cromatină al unui cromozom în această etapă ar trebui să depășească dimensiunea nucleului cu un factor de 100.
Structura cromatinei de ordin superior este o serie de bucle, fiecare dintre acestea conținând aproximativ 20 până la 100 de mii de perechi de baze. La baza buclei se află o proteină de legare a ADN-ului specifică locului. Astfel de proteine recunosc anumite secvențe de nucleotide (loturi) a două regiuni distanțate ale filamentului de cromatină și le apropie.

câmpuri_text

săgeată_în sus

Nucleul este elementul central al celulei. Îndepărtarea sa chirurgicală dezordonează funcțiile citoplasmei. Nucleul joacă un rol major în transmiterea trăsăturilor ereditare și în sinteza proteinelor. Transferul de informații genetice de la o celulă la alta este asigurat de acidul dezoxiribonucleic (ADN) conținut în cromozomi. Dublarea ADN-ului precede diviziunea celulară. Masa nucleului în celulele diferitelor țesuturi este diferită și este, de exemplu, 10-18% din masa hepatocitelor, 60% - în celulele limfoide. In interfaza (perioada intermitotica), nucleul este reprezentat de patru elemente: cromatina, nucleola (nucleol), nucleoplasma si membrana nucleara.

Cromatina

câmpuri_text

săgeată_în sus

Celulele mature (de exemplu, sângele) se caracterizează prin nuclee bogate în cromatină densă, condensată, care se află în bulgări. În nucleele celulelor somatice ale femeilor, este reprezentată de un bulgăre de cromatină aproape de membrana nucleului: aceasta este cromatina sexuală feminină (sau corpul mic al lui Barr), care este un cromozom X condensat. Cromatina sexuală masculină este reprezentată în nucleii celulelor somatice masculine printr-un nodul care strălucește atunci când este colorat cu fluorocromi. Determinarea cromatinei sexuale este utilizată, de exemplu, pentru a determina sexul unui copil folosind celule obținute din lichidul amniotic al unei femei însărcinate.

Nucleol

câmpuri_text

săgeată_în sus

Nucleolul este o structură intranucleară sferică care nu are membrană. Se dezvoltă în toate celulele caracterizate printr-o activitate ridicată de sinteză a proteinelor, care este asociată cu formarea subunităților citoplasmatice, ARNr, în ea. De exemplu, nucleolii se găsesc în nucleele celulelor capabile să se divizeze - limfoblaste, mieloblaste etc.

Membrana de miez

câmpuri_text

săgeată_în sus

Membrana nucleului este reprezentată de două foi, golul dintre care este legat de cavitatea reticulului endoplasmatic. Membrana are găuri (pori nucleari) de până la aproximativ 100 nm în diametru, prin care trec liber macromoleculele (ribonucleaze, ARN). În același timp, membrana nucleară și porii susțin micromediul nucleului, asigurând schimbul selectiv de diferite substanțe între nucleu și citoplasmă. Într-o celulă slab diferențiată, porii ocupă până la 10% din suprafața nucleului, dar pe măsură ce celula se maturizează, suprafața lor totală scade.

Nucleoplasmă (suc nuclear)

câmpuri_text

săgeată_în sus

Nucleoplasma (sucul nuclear) este o soluție coloidală care conține proteine, care asigură schimbul de metaboliți și deplasarea rapidă a moleculelor de ARN către porii nucleari. Cantitatea de nucleoplasmă scade odată cu maturarea sau îmbătrânirea celulei.

Diviziune celulara. Mitoză.

câmpuri_text

săgeată_în sus

Mitoză(Fig. 1.5) ocupă doar o parte a ciclului celular. În celulele de mamifere, faza mitotică (M) durează aproximativ o oră.

Aceasta este urmată de o pauză postmitotică (G1), care se caracterizează printr-o activitate ridicată de biosinteză a proteinelor în celulă, se realizează procesele de transcripție și translație. Durata pauzei este de aproximativ 10 ore, dar acest timp variază foarte mult și depinde de influența factorilor de reglare care stimulează și inhibă diviziunea celulară, de aprovizionarea acestora cu nutrienți.

Următoarea fază a ciclului celular este caracterizată prin sinteza (replicarea) ADN-ului (faza S)și durează aproximativ 9 ore. Aceasta este urmată de faza premitotică G2, care durează aproximativ 4 ore. Astfel, întregul ciclu celular durează aproximativ 24 de ore:

Celulele pot fi și în faza de repaus - Go, rămânând în afara ciclului celular pentru o lungă perioadă de timp. De exemplu, la om, până la 90% din celulele stem hematopoietice sunt în faza Go, dar trecerea lor de la Go la G1 se accelerează odată cu creșterea cererii de celule sanguine.

Sensibilitatea ridicată a celulelor la factorii care reglează diviziunea lor în faza G1 se explică prin sinteza pe membranele celulare în această perioadă a receptorilor hormonali, factori stimulatori și inhibitori. De exemplu, diviziunea celulelor eritroide în măduva osoasă în faza G stimulează hormonul eritropoietina. Acest proces este inhibat de un inhibitor de eritropoieză - o substanță care reduce producția de eritrocite în cazul scăderii cererii tisulare de oxigen (Capitolul 6).

Transferul de informații către nucleu despre interacțiunea receptorilor membranari cu un stimulator al diviziunii celulare include sinteza ADN, acestea. faza S... Ca rezultat, cantitatea de ADN din celulă se schimbă de la diploid, 2N, la tetraploid, 4N. În faza G2 sunt sintetizate structurile necesare mitozei, în special proteinele fusului mitotic.

In faza M există o distribuție a materialului genetic identic între cele două celule fiice. Faza M în sine este împărțită în patru perioade: profază, metafază, anafază și telofază (Fig. 1.5.).

Profaza caracterizată prin condensarea cromozomilor ADN formând două cromatide, fiecare dintre acestea fiind una dintre cele două molecule de ADN identice. Nucleola și învelișul nuclear dispar. Centriolii, reprezentați de microtubuli subțiri, diverg către doi poli ai celulei, formând un fus mitotic.

In metafaza cromozomii sunt localizați în centrul celulei, formând o placă de metafază. În această fază, morfologia fiecărui cromozom este cea mai distinctă, care este folosită în practică pentru a studia setul de cromozomi al unei celule.

Anafaza caracterizată prin mișcarea cromatidelor, „despărțite” de fibrele fusului mitotic către polii opuși ai celulei.

Telofază caracterizată prin formarea unei membrane nucleare în jurul unui set fiică de cromozomi. Cunoașterea caracteristicilor ciclului celular este utilizată în practică, de exemplu, în crearea de substanțe citostatice pentru tratamentul leucemiei. Astfel, proprietatea vincristinei de a fi o otravă pentru fusul mitotic este folosită pentru a opri mitoza celulelor leucemice.

Diferențierea celulară

câmpuri_text

săgeată_în sus

Diferențierea celulelor este dobândirea de funcții specializate de către o celulă asociată cu apariția în ea a unor structuri care asigură îndeplinirea acestor funcții (de exemplu, sinteza și acumularea hemoglobinei în eritrocite caracterizează diferențierea acestora în eritrocite). Diferențierea este asociată cu inhibarea (reprimarea) programată genetic a funcțiilor unor părți ale genomului și activarea altora.