Fazlar arası çekirdeğin genel özellikleri

Çekirdek, çok hücreli organizmaların hemen hemen tüm hücrelerinde bulunan hücrenin en önemli bileşenidir. Çoğu hücrenin tek bir çekirdeği vardır, ancak çift çekirdekli ve çok çekirdekli hücreler vardır (örneğin çizgili kas lifleri). Binükleer ve multinükleer, hücrelerin işlevsel özelliklerinden veya patolojik durumundan kaynaklanır. Çekirdeğin şekli ve boyutu çok değişkendir ve organizmanın tipine, hücrenin tipine, yaşına ve fonksiyonel durumuna bağlıdır. Ortalama olarak, çekirdeğin hacmi, hücrenin toplam hacminin yaklaşık %10'u kadardır. Çoğu zaman, çekirdek çapı 3 ila 10 mikron arasında değişen yuvarlak veya oval bir şekle sahiptir. Minimum çekirdek boyutu 1 mikron (bazı protozoalarda), maksimum 1 mm'dir (bazı balıkların ve amfibilerin yumurtaları). Bazı durumlarda, çekirdeğin şeklinin hücrenin şekline bağımlılığı vardır. Çekirdek genellikle merkezi bir konumda bulunur, ancak farklılaşmış hücrelerde hücrenin çevresel kısmına yer değiştirebilir. Çekirdek, ökaryotik bir hücrenin neredeyse tüm DNA'sını içerir.

Çekirdeğin ana işlevleri şunlardır:

1) Genetik bilginin saklanması ve aktarılması;

2) Hücrede protein sentezi, metabolizması ve enerjinin düzenlenmesi.

Böylece çekirdek, sadece genetik materyal için bir hazne değil, aynı zamanda bu materyalin işlev gördüğü ve çoğaldığı bir yerdir. Bu nedenle, bu işlevlerden herhangi birinin ihlali hücre ölümüne yol açacaktır. Bütün bunlar, nükleer yapıların nükleik asitlerin ve proteinlerin sentezindeki öncü rolüne işaret ediyor.

lanet

Çekirdek. Kromatin, heterokromatin, ökromatin.

Çekirdek (lat. Çekirdek), genetik bilgi (DNA molekülleri) içeren ökaryotik bir hücrenin yapısal bileşenlerinden biridir ve ana işlevleri yerine getirir: kalıtsal bilgilerin protein sentezi ile depolanması, iletilmesi ve uygulanması. Çekirdek, kromatin, nükleol, karyoplazma (veya nükleoplazma) ve nükleer zarftan oluşur. Hücre çekirdeğinde, replikasyon (veya ikileme) meydana gelir - DNA moleküllerinin kopyalanması ve ayrıca transkripsiyon - bir DNA molekülü üzerinde RNA moleküllerinin sentezi. Çekirdekte sentezlenen RNA molekülleri modifiye edilir ve daha sonra sitoplazmaya salınır. Her iki ribozom alt biriminin oluşumu, hücre çekirdeğinin - nükleollerin özel oluşumlarında meydana gelir. Böylece hücre çekirdeği sadece genetik bilgi için bir kap değil, aynı zamanda bu malzemenin işlev gördüğü ve çoğaldığı bir yerdir.

Bölünmeyen, fazlar arası bir hücrenin çekirdeği genellikle hücre başına bir tanedir (çok çekirdekli hücreler de bulunmasına rağmen). Çekirdek, kromatin, nükleol, karyoplazma (nükleoplazma) ve onu sitoplazmadan ayıran bir nükleer zarftan oluşur (Şekil 17).

kromatin

Çekirdeğin içindeki canlı veya sabit hücreleri gözlemlerken, özellikle ana olanlar olmak üzere çeşitli boyalar tarafından iyi algılanan yoğun madde bölgeleri ortaya çıkar. Bu iyi lekelenme kabiliyeti nedeniyle, çekirdeğin bu bileşenine "kromatin" (Yunanca renk - renk, boyadan) adı verildi. Kromatin, protein ile kombinasyon halinde DNA içerir. Mitotik hücre bölünmesi sırasında açıkça görülen kromozomlar aynı özelliklere sahiptir. Bölünmeyen (fazlar arası) hücrelerde, bir ışık mikroskobunda tespit edilen kromatin, çekirdeğin hacmini aşağı yukarı eşit olarak doldurabilir veya ayrı kümelere yerleştirilebilir.

Fazlar arası çekirdeklerin kromatini, kromozomlarla temsil edilir, ancak bu sırada kompakt şeklini kaybeder, gevşer ve yoğunlaşır. Kromozomların bu tür yoğunlaşma derecesi farklı olabilir. Bölümlerinin tamamen yoğunlaşma bölgelerine morfologlar tarafından ökromatin (ökromatin) denir. Kromozomların eksik gevşemesiyle, interfaz çekirdeğinde bazen heterokromatin (heterokromatin) olarak adlandırılan yoğun kromatin alanları görülür. Kromozomal materyalin yoğunlaşma derecesi - interfazdaki kromatin, bu yapının fonksiyonel yükünü yansıtabilir. Kromatin, interfaz çekirdeğinde ne kadar "yaygın" dağılırsa (yani daha fazla ökromatin), içindeki sentetik işlemler o kadar yoğun olur.

Kromatin, yoğun kromozomlar şeklinde bulunduğunda, mitotik hücre bölünmesi sırasında maksimum düzeyde yoğunlaşır. Bu süre zarfında kromozomlar herhangi bir sentetik fonksiyon gerçekleştirmezler, DNA ve RNA'nın öncüllerini içermezler.

Bu nedenle, hücre kromozomları iki yapısal ve işlevsel durumda olabilir: aktif, çalışma, kısmen veya tamamen dekondanse, transkripsiyon ve reduplikasyon süreçleri interfaz çekirdeğe katılımlarıyla meydana geldiğinde ve inaktif, maksimum yoğunlaşmaları ile metabolik bir dinlenme durumunda. , genetik materyali yavru hücrelere dağıtma ve aktarma işlevini yerine getirirken.

kromatin

Ökaryotik DNA moleküllerinin devasa uzunluğu, genetik materyalin depolanması, kopyalanması ve uygulanması için özel mekanizmaların ortaya çıkışını önceden belirlemiştir. Kromatin, bu işlemlerin uygulanması için gerekli olan spesifik proteinlerle kombinasyon halinde kromozomal DNA molekülleri olarak adlandırılır. Toplu, sözde histonlar "depolama proteinleri" dir. Nükleozomlar, bu proteinlerden - DNA moleküllerinin sarmallarının etrafına sarıldığı yapılardan - inşa edilir. Nükleozomlar oldukça düzenli bir şekilde düzenlenmiştir, böylece ortaya çıkan yapı boncukları andırır. Nükleozom dört tip proteinden oluşur: H2A, H2B, H3 ve H4. Bir nükleozom, her türden iki protein içerir - toplam sekiz protein. Diğer histonlardan daha büyük olan Histon H1, nükleozoma girişinde DNA'ya bağlanır. H1 ile birlikte nükleozom, kromatozom olarak adlandırılır.

Nükleozomlu bir DNA dizisi, 30 nm fibril olarak adlandırılan yaklaşık 30 nanometre kalınlığında düzensiz solenoid benzeri bir yapı oluşturur. Bu fibrilin daha fazla paketlenmesi farklı yoğunluklara sahip olabilir. Kromatin sıkıca paketlenmişse, yoğun veya yoğun olarak adlandırılır. heterokromatin Mikroskop altında açıkça görülebilir. Heterokromatinde bulunan DNA kopyalanmaz, genellikle bu durum önemsiz veya sessiz bölgelerin özelliğidir. Ara fazda, heterokromatin genellikle çekirdeğin çevresinde bulunur (parietal heterokromatin). Kromozomların tam yoğunlaşması hücre bölünmesinden önce gerçekleşir. Kromatin gevşek bir şekilde paketlenmişse buna denir. ab veya interkromatin. Bu tür kromatin, mikroskop altında gözlemlendiğinde çok daha az yoğundur ve genellikle transkripsiyonel aktivitenin varlığı ile karakterize edilir. Kromatinin paketleme yoğunluğu büyük ölçüde histon modifikasyonları - asetilasyon ve fosforilasyon ile belirlenir.

Çekirdekte, kromatinin fonksiyonel alanları (bir alanın DNA'sı yaklaşık 30 bin baz çifti içerir), yani kromozomun her bölümünün kendi "bölgesine" sahip olduğuna inanılmaktadır. Ne yazık ki, çekirdekteki kromatinin uzaysal dağılımı sorunu henüz yeterince çalışılmamıştır. Kromozomların telomerik (terminal) ve sentromerik (mitozda kardeş kromatitlerin bağlanmasından sorumlu) bölgelerinin nükleer lamina proteinleri üzerinde sabitlendiği bilinmektedir.

2. kromatin

Kromatin, kromozomların oluşturulduğu bazik boyalarla boyanmış çok sayıda granüldür. Kromozomlar, nükleik asitler ve proteinler içeren bir nükleoprotein kompleksi tarafından oluşturulur. İnsan hücrelerinin çekirdeklerinde interfazda iki tip kromatin vardır - uzun, ince, iç içe geçmiş liflerden oluşan, metabolik olarak çok aktif ve yoğun kromatin (heterokromatin), kromozom bölgelerine karşılık gelen dağınık, zayıf lekeli kromatin (ökromatin). metabolik aktiviteyi kontrol etme süreçlerinde yer almaz. Olgun hücreler (örneğin kan), kümeler halinde uzanan yoğun, yoğun kromatin bakımından zengin çekirdeklerle karakterize edilir. Kadınların somatik hücrelerinin çekirdeğinde, nükleer zara yakın bir kromatin yığını ile temsil edilir: bu, yoğun bir X kromozomu olan kadın cinsiyet kromatini (veya Barr gövdeleri) 'dir. Erkek cinsiyet kromatini, erkek somatik hücrelerinin çekirdeklerinde, florokromlarla boyandığında parlayan bir yumru olarak temsil edilir. Cinsiyet kromatini tayini, örneğin, hamile bir kadının amniyotik sıvısından elde edilen hücrelerden bir çocuğun cinsiyetini belirlemek için kullanılır.

Genetikte biyokimyasal araştırma, ana unsurlarını - kromozomları ve genleri - incelemenin önemli bir yoludur. Bu yazıda kromatinin ne olduğunu ele alacağız, hücredeki yapısını ve işlevlerini öğreneceğiz.

Kalıtım, canlı maddenin ana özelliğidir.

Yeryüzünde yaşayan organizmaları karakterize eden ana süreçler solunum, beslenme, büyüme, boşaltım ve üremeyi içerir. Son işlev, gezegenimizdeki yaşamın korunması için en önemli olanıdır. Tanrı'nın Adem ve Havva'ya verdiği ilk emrin şu olduğunu unutmamak gerekir: "Verimli olun ve çoğalın." Hücre düzeyinde, üretici işlev nükleik asitler (kromozomların kurucu maddesi) tarafından gerçekleştirilir. Bu yapılar gelecekte değerlendirilecektir.

Kalıtsal bilgilerin korunması ve torunlara iletilmesinin, bireyin organizasyon seviyesinden tamamen bağımsız, yani virüs ve bakteriler için ve insanlar için tek bir mekanizmaya göre gerçekleştirildiğini de ekliyoruz. evrensel.

Kalıtımın özü nedir

Bu çalışmada, yapısı ve işlevleri doğrudan nükleik asit moleküllerinin organizasyonuna bağlı olan kromatini inceliyoruz. 1869'da İsviçreli bilim adamı Miescher, bağışıklık sistemi hücrelerinin çekirdeklerinde, önce nüklein, ardından nükleik asitler olarak adlandırdığı asitlerin özelliklerini gösteren bileşikler keşfetti. Kimya açısından, bunlar yüksek moleküler bileşiklerdir - polimerlerdir. Monomerleri şu yapıya sahip nükleotidlerdir: purin veya pirimidin bazı, pentoz ve kalıntı Bilim adamları hücrelerde iki tip RNA bulunabileceğini bulmuşlardır. Proteinlerle kompleks oluştururlar ve kromozomların maddesini oluştururlar. Proteinler gibi, nükleik asitler de çeşitli düzeylerde uzamsal organizasyona sahiptir.

1953'te Nobel ödüllü Watson ve Crick, DNA'nın yapısını deşifre ettiler. Azotlu bazlar arasında tamamlayıcılık ilkesine göre ortaya çıkan hidrojen bağları ile birbirine bağlanan iki zincirden oluşan bir moleküldür (adenin, timin bazının karşısında, sitozinin karşısında bir guanin bazıdır). Yapısını ve işlevlerini incelediğimiz kromatin, çeşitli konfigürasyonlarda deoksiribonükleik ve ribonükleik asit molekülleri içerir. Bu konuyu "Kromatin organizasyon seviyeleri" bölümünde daha ayrıntılı olarak ele alacağız.

Hücredeki kalıtım maddesinin lokalizasyonu

DNA, çekirdek gibi sitoyapılarda ve ayrıca bölünme yapabilen organellerde - mitokondri ve kloroplastlarda bulunur. Bunun nedeni, bu organellerin hücrede en önemli işlevleri yerine getirmelerinin yanı sıra bitki hücrelerinde glikoz sentezi ve oksijen oluşumudur. Yaşam döngüsünün sentetik aşamasında, anne organelleri ikiye katlanır. Böylece, mitoz (somatik hücrelerin bölünmesi) veya mayozun (yumurta ve sperm oluşumu) bir sonucu olarak, yavru hücreler, hücrelere besin ve enerji sağlayan gerekli hücresel yapıların cephaneliğini alırlar.

Ribonükleik asit, tek bir zincirden oluşur ve DNA'dan daha düşük moleküler ağırlığa sahiptir. Hem çekirdekte hem de hiyaloplazmada bulunur ve ayrıca birçok hücresel organelin bir parçasıdır: ribozomlar, mitokondri, endoplazmik retikulum, plastitler. Bu organellerdeki kromatin, histon proteinleri ile ilişkilidir ve plazmitlerin bir parçasıdır - halka kapalı DNA molekülleri.

Kromatin ve yapısı

Böylece, kalıtımın yapısal birimleri olan kromozomların maddesinde nükleik asitlerin bulunduğunu belirledik. Elektron mikroskobu altındaki kromatinleri granüllere veya filamentli oluşumlara benziyor. DNA'ya ek olarak, RNA moleküllerinin yanı sıra temel özellikler sergileyen ve histon olarak adlandırılan proteinleri de içerir. Yukarıdaki nükleozomların tümü. Çekirdeğin kromozomlarında bulunurlar ve fibriller (iplik-solenoidler) olarak adlandırılırlar. Yukarıdakilerin tümünü özetleyerek, kromatinin ne olduğunu tanımlarız. Bu karmaşık bir bileşik ve özel proteinlerdir - histonlar. Onlarda, bobinlerde olduğu gibi, çift sarmallı DNA molekülleri sarılır ve nükleozomlar oluşturur.

Kromatin organizasyon seviyeleri

Kalıtımın özü, birçok faktöre bağlı olan farklı bir yapıya sahiptir. Örneğin, hücrenin yaşam döngüsünün hangi aşamasından geçtiğine bağlıdır: bölünme periyodu (metosis veya mayoz), sentetik veya sentetik interfaz periyodu. Bir solenoid veya fibril formundan, en basit olarak, kromatinin daha fazla sıkıştırılması meydana gelir. Heterokromatin - daha yoğun bir durum, kromozomun transkripsiyonun imkansız olduğu intron bölgelerinde oluşur. Hücrenin dinlenme döneminde - interfaz, bölünme işlemi olmadığında - heterokromatin, çekirdeğin karyoplazmasında, zarının yakınında, çevre boyunca bulunur. Nükleer içeriğin sıkıştırılması, hücre yaşam döngüsünün post-sentetik aşamasında, yani bölünmeden hemen önce gerçekleşir.

Kalıtımın maddesinin yoğunlaşmasını ne belirler?

"Kromatin nedir" sorusunu incelemeye devam eden bilim adamları, sıkıştırmasının DNA ve RNA molekülleri ile birlikte nükleozomların bir parçası olan histon proteinlerine bağlı olduğunu buldular. Çekirdek proteinler ve bağlayıcı proteinler adı verilen dört tip proteinden oluşurlar. Transkripsiyon sırasında (RNA kullanarak genlerden bilgi okuma), kalıtımın maddesi zayıf bir şekilde yoğunlaşır ve ökromatin olarak adlandırılır.

Şu anda, histon proteinleriyle ilişkili DNA moleküllerinin dağılımının özellikleri araştırılmaya devam etmektedir. Örneğin, bilim adamları, aynı kromozomun farklı lokuslarının kromatinin, yoğunlaşma seviyesinde farklılık gösterdiğini bulmuşlardır. Örneğin, sentromer adı verilen fisyon iğ ipliklerinin kromozomuna bağlanma yerlerinde, telomerik bölgelerden daha yoğundur - terminal lokuslar.

Düzenleyici genler ve kromatin bileşimi

Fransız genetikçiler Jacob ve Monod tarafından oluşturulan gen aktivitesinin düzenlenmesi kavramı, proteinlerin yapıları hakkında hiçbir bilginin bulunmadığı deoksiribonükleik asit bölgelerinin varlığı hakkında fikir vermektedir. Tamamen bürokratik - yönetsel işlevleri yerine getirirler. Regülatör genler olarak adlandırılan kromozomların bu kısımları, kural olarak, yapılarında histon proteinlerinden yoksundur. Tanımı dizileme ile yapılan kromatin, açık olarak adlandırıldı.

Daha ileri çalışmalar sırasında, bu lokusların, protein parçacıklarının DNA moleküllerine bağlanmasını önleyen nükleotid dizileri içerdiği bulundu. Bu tür siteler düzenleyici genler içerir: promotörler, güçlendiriciler, aktivatörler. İçlerindeki kromatin sıkıştırması yüksektir ve bu bölgelerin uzunluğu ortalama olarak yaklaşık 300 nm'dir. DNaz enzimini kullanan izole edilmiş çekirdeklerde açık kromatin tanımı vardır. Histon proteinlerinden yoksun kromozom lokuslarını çok hızlı bir şekilde parçalar. Bu bölgelerdeki kromatin aşırı duyarlı olarak adlandırılmıştır.

Kalıtımın maddesinin rolü

Kromatin adı verilen DNA, RNA ve proteini içeren kompleksler, hücre ontogenezinde yer alır ve doku tipine ve ayrıca organizmanın bir bütün olarak gelişim aşamasına bağlı olarak bileşimlerini değiştirir. Örneğin deri epitel hücrelerinde güçlendirici ve promotör gibi genler baskılayıcı proteinler tarafından bloke edilirken, aynı düzenleyici genler bağırsak epitelinin salgı hücrelerinde aktiftir ve açık kromatin bölgesinde yer alır. Genetik bilimciler, proteinleri kodlamayan DNA'nın tüm insan genomunun %95'inden fazlasını oluşturduğunu bulmuşlardır. Bu, peptit sentezinden sorumlu olanlardan çok daha fazla kontrol geni olduğu anlamına gelir. DNA çipleri ve dizileme gibi tekniklerin tanıtılması, kromatinin ne olduğunu bulmayı ve sonuç olarak insan genomunun haritasını çıkarmayı mümkün kıldı.

Kromatin çalışmaları insan genetiği ve tıbbi genetik gibi bilim dallarında oldukça önemlidir. Bu, hem gen hem de kromozomal olmak üzere kalıtsal hastalıkların ortaya çıkma seviyesinin keskin bir şekilde artmasından kaynaklanmaktadır. Bu sendromların erken tespiti, tedavilerinde pozitif prognoz yüzdesini arttırır.

karyoplazma

Karyoplazma (nükleer meyve suyu, nükleoplazma) çekirdeğin ana iç ortamıdır, nükleol, kromatin, zarlar, her türlü kapanım ve diğer yapılar arasındaki tüm alanı kaplar. Elektron mikroskobu altında karyoplazma, düşük elektron yoğunluğuna sahip homojen veya ince taneli bir kütleye benziyor. Askıya alınmış halde ribozomlar, mikro gövdeler, globulinler ve çeşitli metabolik ürünler içerir.

Nükleer meyve suyunun viskozitesi, sitoplazmanın ana maddesinin viskozitesi ile yaklaşık olarak aynıdır. Göstergelerin çekirdeğe mikro enjeksiyonu ile belirlenen nükleer meyve suyunun asitliğinin, sitoplazmanınkinden biraz daha yüksek olduğu ortaya çıktı.

Ek olarak, nükleer meyve suyu, çekirdek ve ribozomlardaki nükleik asitlerin sentezinde yer alan enzimleri içerir. Nükleer meyve suyu bazik boyalarla lekelenmez, bu nedenle lekelenebilecek alanların aksine - kromatin - akromatik bir madde veya karyolimf olarak adlandırılır.

kromatin

Çekirdeklerin ana bileşeni, hücrenin genetik işlevini yerine getiren bir yapı olan kromatindir; hemen hemen tüm genetik bilgiler kromatin DNA'sında gömülüdür.

Ökaryotik kromozomlar, somatik hücrelerde nükleer bölünme süreci olan mitozdan hemen önce ve sırasında keskin bir şekilde tanımlanmış yapılar olarak görünürler. Dinlenme halindeki, bölünmeyen ökaryotik hücrelerde, kromatin adı verilen kromozomal materyal bulanık görünür ve çekirdek boyunca rastgele dağılmış gibi görünür. Bununla birlikte, hücre bölünmeye hazırlanırken, kromatin yoğunlaşır ve türün karakteristiği olan iyi tanımlanmış sayıda kromozomda toplanır.

Kromatin, çekirdeklerden izole edildi ve analiz edildi. Çok ince liflerden oluşur. Kromatinin ana bileşenleri DNA ve proteinlerdir, bunların arasında yığın histonlar ve histon olmayan proteinlerdir.Ortalama olarak, kromatinin yaklaşık %40'ı DNA ve yaklaşık %60'ı proteinlerdir ve bunların arasında spesifik nükleer histon proteinleri 40 ila 80 arasında değişir. Seçilen kromatini oluşturan tüm proteinlerin %'si. Ek olarak, kromatin fraksiyonlarının bileşimi, zar bileşenlerini, RNA'yı, karbonhidratları, lipidleri, glikoproteinleri içerir.

Kromozomdaki kromatin lifleri katlanır ve birçok nodül ve ilmek oluşturur. Kromatin içindeki DNA, işlevi DNA'yı yapısal birimler - nükleozomlar halinde paketlemek ve düzenlemek olan histon adı verilen proteinlere çok sıkı bir şekilde bağlıdır. Kromatin ayrıca bir dizi histon olmayan protein içerir. Ökaryotlardan farklı olarak, bakteri kromozomları histon içermez; DNA'nın ilmek oluşumunu ve yoğunlaşmasını (yoğunlaşmasını) destekleyen sadece az miktarda protein içerirler.

Birçok canlı hücreyi, özellikle bitki hücrelerini veya çekirdeğin içinde fiksasyon ve boyamadan sonra hücreleri gözlemlerken, çeşitli boyalarla, özellikle bazik olanlarla iyi boyanmış yoğun bir maddenin bölgeleri ortaya çıkar. Kromatinin bazik (alkali) boyaları algılama yeteneği, kromatinin proteinlerle kompleks halinde DNA içermesi ile belirlenen asidik özelliklerini gösterir. Mitotik hücre bölünmesi sırasında gözlenebilen kromozomlar, aynı boyama özelliklerine ve DNA içeriğine sahiptir.

Prokaryotik hücrelerin aksine, ökaryotik kromatinin DNA içeren materyali iki alternatif durumda bulunabilir: mitotik kromozomların bir parçası olarak interfazda yoğunlaşmış ve mitoz sırasında maksimum düzeyde sıkıştırılmış.

Bölünmeyen (fazlar arası) hücrelerde, kromatin çekirdeğin hacmini eşit olarak doldurabilir veya ayrı kümelerde (kromerkezler) yer alabilir. Çoğu zaman, özellikle çekirdeğin çevresinde (parietal, marjinal, zara yakın kromatin) açıkça tespit edilir veya çekirdek içi bir ağ şeklinde çekirdeğin içinde oldukça kalın (yaklaşık 0,3 um) ve uzun ipliklerden oluşan yumaklar oluşturur.

Fazlar arası çekirdeklerin kromatini, şu anda kompakt şeklini kaybeden, gevşeyen, yoğunlaşan bir DNA taşıyan gövdedir (kromozom). Kromozomların bu tür yoğunlaşma derecesi, farklı hücrelerin çekirdeklerinde farklı olabilir. Bir kromozom veya bir kısmı tamamen dekondense olduğunda, bu alanlara diffüz kromatin denir. Kromozomların eksik gevşemesiyle, interfaz çekirdeğinde yoğun kromatin alanları (bazen heterokromatin olarak adlandırılır) görülebilir. Çok sayıda çalışma, interfazdaki kromozomal materyalin, kromatinin yoğunlaşma derecesinin bu yapının fonksiyonel yükünü yansıtabileceğini göstermiştir. Fazlar arası çekirdeğin kromatini ne kadar dağınıksa, içindeki sentetik işlemler o kadar yüksek olur. RNA sentezi sırasında kromatin yapısı değişir. Hücrelerde DNA ve RNA sentezindeki azalmaya genellikle yoğun kromatin bölgelerindeki bir artış eşlik eder.

Kromatin, vücut - kromozomlar şeklinde bulunduğunda, mitotik hücre bölünmesi sırasında maksimum düzeyde yoğunlaşır. Bu süre zarfında kromozomlar herhangi bir sentetik yük taşımazlar, DNA ve RNA öncüllerini içermezler.

Buna dayanarak, hücre kromozomlarının iki yapısal ve işlevsel durumda olabileceği düşünülebilir: çalışırken, kısmen veya tamamen yoğunlaşmış, transkripsiyon ve reduplikasyon süreçleri interfaz çekirdeğe katılımlarıyla meydana geldiğinde ve aktif değil - bir durumda. metabolik dinlenme, genetik materyalin yavru hücrelere dağıtım ve transfer işlevini yerine getirirken yoğunlaşmaları maksimumda.

Ökromatin ve heterokromatin

Yapılaşma derecesi, fazlar arası çekirdeklerde kromatinin yoğunlaşması farklı şekillerde ifade edilebilir. Bu nedenle, hızla bölünen ve zayıf özelleşmiş hücrelerde, çekirdekler dağınık bir yapıya sahiptir; yoğunlaştırılmış kromatinin dar periferik kenarına ek olarak, içlerinde az sayıda küçük kromocenter bulunurken, çekirdeğin ana kısmı dağınık tarafından işgal edilir. , yoğunlaştırılmış kromatin. Aynı zamanda, çok özelleşmiş hücrelerde veya yaşam döngüsünü tamamlayan hücrelerde, kromatin, yoğun bir çevresel katman ve büyük kromomerkezler, yoğunlaştırılmış kromatin blokları şeklinde sunulur. Çekirdekteki yoğun kromatin oranı ne kadar büyükse, çekirdeğin metabolik aktivitesi o kadar düşük olur. Çekirdeklerin doğal veya deneysel olarak etkisizleştirilmesiyle, ilerleyici kromatinin yoğunlaşması meydana gelir ve tersine, çekirdeklerin aktivasyonu ile yaygın kromatin oranı artar.

Bununla birlikte, metabolik aktivasyon sırasında, yoğunlaştırılmış kromatinin tüm alanları yaygın bir forma geçemez. 1930'ların başlarında, E. Gates, interfaz çekirdeklerinde, varlığı doku farklılaşmasının derecesine veya hücrelerin fonksiyonel aktivitesine bağlı olmayan kalıcı yoğunlaştırılmış kromatin alanları olduğunu kaydetti. Bu tür alanlara, kromatin - ökromatinin (kromatinin kendisi) kütlesinin geri kalanının aksine heterokromatin denir. Bu fikirlere göre, heterokromatin, mitotik kromozomların bileşimindeki diğer kısımlardan daha önce profazda görünen ve telofazda yoğunlaşmayan, yoğun renkli yoğun yapılar (kromerkezler) şeklinde interfaz çekirdeğe geçen kompakt kromozom bölümleridir. Kromozomların sentromerik ve telomerik bölgeleri çoğunlukla kalıcı olarak yoğunlaştırılmış bölgelerdir. Bunlara ek olarak, kromozomların kollarını oluşturan bazı bölümler sürekli olarak yoğunlaşabilir - çekirdeklerde kromocenter şeklinde de sunulan interkalar veya interkalar heterokromatin. Fazlar arası çekirdeklerdeki bu tür kalıcı olarak yoğunlaştırılmış kromozom bölümlerine artık yaygın olarak kurucu (kalıcı) heterokromatin denir. Kurucu heterokromatin bölgelerinin, onu kromatinin geri kalanından ayıran bir takım özelliklere sahip olduğu belirtilmelidir. Konstitütif heterokromatin genetik olarak aktif değildir; kopyalanmaz, kromatinin geri kalanından daha sonra çoğalır, yüksek oranda tekrarlayan nükleotid dizileriyle zenginleştirilmiş özel bir (uydu) DNA içerir, mitotik kromozomların sentromerik, telomerik ve interkalar bölgelerinde lokalizedir. Yapıcı kromatin oranı farklı nesnelerde değişebilir. Yapısal heterokromatinin işlevsel önemi tam olarak açıklanmamıştır. Mayoz bölünmede homologların eşleşmesi, interfaz çekirdeğinin yapılandırılması ve bazı düzenleyici işlevlerle ilişkili bir dizi önemli işlevi olduğu varsayılmaktadır.

Nükleer kromatinin geri kalanı, fonksiyonel aktiviteye bağlı olarak sıkıştırma derecesini değiştirebilir; ökromatine aittir. Yoğunlaştırılmış durumda olan ökromatik aktif olmayan bölgeler, böyle bir durumun isteğe bağlı olduğunu vurgulayarak fakültatif heterokromatin olarak adlandırılmaya başlandı.

Farklılaşmış hücrelerde, genlerin sadece yaklaşık %10'u aktif durumdadır, geri kalan genler inaktivedir ve yoğunlaştırılmış kromatinin (fakültatif heterokromatin) bir parçasıdır. Bu durum, nükleer kromatinin çoğunun neden yapılandırılmış olduğunu açıklar.

kromatin DNA'sı

Bir kromatin preparasyonunda DNA, genellikle %30-40'ını oluşturur. Bu DNA, sulu çözeltilerdeki saf izole DNA'ya benzer çift sarmallı bir sarmal moleküldür. Kromatin DNA'nın moleküler ağırlığı 7-9 106'dır. Kromozomların bir parçası olarak, tek tek lineer (prokaryotik kromozomların aksine) DNA moleküllerinin uzunluğu yüzlerce mikrometreye ve hatta birkaç santimetreye ulaşabilir. Hücrelerin nükleer yapılarında, organizmaların genomunda bulunan toplam DNA miktarı dalgalanır.

Ökaryotik hücrelerin DNA'sı bileşim olarak heterojendir, birkaç sınıf nükleotit dizisi içerir: uydu DNA fraksiyonunun bir parçası olan ve kopyalanmayan sıklıkla tekrarlanan diziler (>106 kez); gerçek gen bloklarının yanı sıra genom boyunca dağılmış kısa dizileri temsil eden orta derecede tekrarlayan dizilerin (102-105) bir kısmı; çoğu hücre proteini için bilgi taşıyan benzersiz dizilerin bir kısmı. Tüm bu nükleotid sınıfları, tek bir dev kovalent DNA zincirine bağlanır.

Kromatinin ana proteinleri histonlardır.

Hücre çekirdeğinde, DNA'nın düzenlenmesinde, fonksiyonel yüklerin sıkıştırılmasında ve düzenlenmesinde lider rol nükleer proteinlere aittir. Kromatindeki proteinler çok çeşitlidir, ancak iki gruba ayrılabilirler: histonlar ve histon olmayan proteinler. Histonlar, tüm kromatin proteinlerinin %80'ini oluşturur. DNA ile etkileşimleri, tuz veya iyonik bağlar nedeniyle oluşur ve DNA molekülündeki nükleotitlerin bileşimi veya dizileri ile ilgili olarak spesifik değildir. Bir ökaryotik hücre sadece 5-7 tip histon molekülü içerir. Histon olmayan proteinler olarak adlandırılan histonların aksine, çoğunlukla spesifik olarak belirli DNA molekülleri dizileri ile etkileşime girerler, bu gruba dahil edilen çok çeşitli protein türleri (birkaç yüz) ve çok çeşitli işlevleri vardır. rol yapmak.

Histonlar - sadece kromatinin karakteristik proteinleri - bir takım özel niteliklere sahiptir. Bunlar, özellikleri lizin ve arginin gibi bazik amino asitlerin nispeten yüksek içeriği ile belirlenen bazik veya alkalin proteinlerdir. DNA'nın fosfat grupları üzerindeki negatif yükler ile bu proteinlerin tuzunu veya elektrostatik bağını belirleyen, lizin ve arginin amino grupları üzerindeki pozitif yüklerdir.

Histonlar, moleküler ağırlık açısından nispeten küçük proteinlerdir. Histon sınıfları, farklı bazik amino asitlerin içeriğinde birbirinden farklıdır. Tüm sınıfların histonları, moleküllerin N- ve C-terminallerinde ana amino asitlerin (lizin ve arginin) bir küme dağılımı ile karakterize edilir. Histon moleküllerinin orta bölümleri, izotonik koşullar altında küresel bir yapıya sıkıştırılan birkaç (3-4) 6-sarmal bölüm oluşturur. Pozitif yüklerden zengin histonların protein moleküllerinin sarmal olmayan uçları, birbirleriyle ve DNA ile bağlantılarını gerçekleştirir.

Hücrelerin ömrü boyunca, histonların translasyon sonrası değişiklikleri (modifikasyonları) meydana gelebilir: pozitif yüklerin sayısında bir kayba yol açan bazı lizin kalıntılarının asetilasyonu ve metilasyonu ve serin kalıntılarının fosforilasyonu, bir negatif yük. Histonların asetilasyonu ve fosforilasyonu tersine çevrilebilir. Bu modifikasyonlar, histonların özelliklerini, DNA'ya bağlanma yeteneklerini önemli ölçüde değiştirir.

Histonlar sitoplazmada sentezlenir, çekirdeğe taşınır ve S-periyodunda replikasyonu sırasında DNA'ya bağlanır, yani. histonların ve DNA'nın sentezleri senkronize edilir. Hücre DNA sentezini durdurduğunda, histon haberci RNA'ları birkaç dakika içinde parçalanır ve histon sentezi durur. Kromatine dahil edilen histonlar çok kararlıdır ve değiştirme oranı düşüktür.

Histon proteinlerinin işlevleri

1. Histonların nicel ve nitel durumu, kromatinin kompaktlık derecesini ve aktivitesini etkiler.

2. Yapısal - sıkıştırma - kromatin organizasyonunda histonların rolü.

Santimetre uzunluğundaki devasa DNA moleküllerinin, yalnızca birkaç mikrometre boyutundaki bir kromozomun uzunluğu boyunca sığabilmesi için, bir DNA molekülünün bükülmesi, 1: 10.000'lik bir paketleme yoğunluğu ile sıkıştırılması gerekir. İlki doğrudan DNA ile etkileşim histonları tarafından belirlenen birkaç paketleme seviyesi vardır.

Hücrenin DNA'sının neredeyse tamamı çekirdekte bulunur. DNA milyonlarca nükleotit içeren uzun doğrusal bir polimerdir. Dört tip DNA nükleotidi ayırt edilir azotlu bazlar. nükleotidler kalıtsal bilgileri kaydetmek için bir kod formunu temsil eden bir sırayla düzenlenirler.
Bu bilgiyi uygulamak için yeniden yazılır veya daha kısa mRNA dizilerine kopyalanır. mRNA'daki genetik kodun sembolleri, üçlü nükleotitlerdir - kodonlar. Her kodon, amino asitlerden birini belirtir. Her DNA molekülü ayrı bir kromozoma karşılık gelir ve bir organizmanın kromozomlarında depolanan tüm genetik bilgilere denir. genetik şifre.
Daha yüksek organizmaların genomu aşırı miktarda DNA içerir, bu organizmanın karmaşıklığından kaynaklanmaz. İnsan genomunun Escherichia coli bakterisinden 700 kat daha fazla DNA içerdiği bilinmektedir. Aynı zamanda, bazı amfibilerin ve bitkilerin genomu, insan genomundan 30 kat daha büyüktür. Omurgalılarda DNA'nın %90'ından fazlası gerekli değildir. DNA'da depolanan bilgiler, çeşitli proteinler tarafından düzenlenir, okunur ve kopyalanır.
Çekirdeğin ana yapısal proteinleri şunlardır: histon proteinleri sadece ökaryot hücrelere özgüdür. Histonlar küçük, kuvvetli bazik proteinlerdir. Bu özellik, temel amino asitler - lisin ve arginin ile zenginleştirilmiş olmaları gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Histonlar ayrıca triptofanın yokluğu ile de karakterize edilir. Bilinen tüm proteinlerin en muhafazakarları arasındadırlar, örneğin ineklerdeki ve bezelyelerdeki H4, sadece iki amino asit kalıntısı ile ayırt edilir. Ökaryotların hücre çekirdeğindeki DNA'lı protein kompleksine kromatin denir.
Hücreler bir ışık mikroskobu ile gözlendiğinde, çekirdeklerde, bazik boyalarla iyi boyanmış yoğun bir maddenin bölgeleri olarak kromatin saptanır. Kromatinin yapısı hakkında derinlemesine bir çalışma, ana yapısal biriminin Ada ve Donald Olins eşleri tarafından tanımlandığı 1974'te başladı, buna nükleozom adı verildi.
Nükleozomlar, bir DNA molekülünün uzun bir zincirini daha kompakt bir şekilde katlamayı mümkün kılar. Bu nedenle, her insan kromozomunda, DNA zincirinin uzunluğu, çekirdeğin boyutundan binlerce kat daha fazladır. Elektron fotoğraflarında nükleozom, çapı yaklaşık 11 nm olan disk şeklinde bir parçacık gibi görünür. Çekirdeği, dört histon H2A, H2B, H3 ve H4'ün her biri iki molekül tarafından temsil edildiği sekiz histon molekülünden oluşan bir komplekstir. Bu histonlar, histon çekirdeği olan nükleozomun iç kısmını oluşturur. 146 baz çifti içeren bir DNA molekülü, histon çekirdeğinin etrafına sarılır. Her dönüşte 83 nükleotid çifti ile nükleozomun histon çekirdeği etrafında iki eksik dönüş oluşturur. Her nükleozom, 80 nükleotid uzunluğunda olabilen bir DNA bağlayıcı dizisi ile bir sonrakinden ayrılır. Bu yapı bir ip üzerindeki boncuklara benzer.
Hesaplama, 6x109 nükleotid çiftine sahip insan DNA'sının 3x107 nükleozom içermesi gerektiğini göstermektedir. Canlı hücrelerde, kromatin nadiren bu görünüme sahiptir. Nükleozomlar birbirine daha da kompakt yapılarda bağlanır. Kromatinin çoğu, 30 nm çapında fibriller şeklindedir. Bu paketleme, başka bir H1 histonunun yardımıyla gerçekleştirilir. Nükleozom başına, DNA'nın histon çekirdeğine girip çıktığı noktalarda bağlayıcı bölgesini bir araya getiren bir H1 molekülü vardır.
DNA paketleme, uzunluğunu önemli ölçüde azaltır. Bununla birlikte, bu aşamada bir kromozomun kromatin ipliğinin ortalama uzunluğu, çekirdeğin boyutunu 100 kat aşmalıdır.
Yüksek dereceli kromatinin yapısı, her biri yaklaşık 20 ila 100 bin baz çifti içeren bir dizi halkadır. Döngünün tabanında, bölgeye özgü bir DNA bağlayıcı protein bulunur. Bu tür proteinler, kromatin ipliğinin iki uzak bölümünün belirli nükleotit dizilerini (bölgelerini) tanır ve onları yakınlaştırır.

metin_alanları

ok_upward

Çekirdek, hücrenin merkezi elemanıdır. Hızlı bir şekilde çıkarılması, sitoplazmanın işlevlerini koordine etmez. Çekirdek, kalıtsal özelliklerin iletilmesinde ve protein sentezinde önemli bir rol oynar. Genetik bilginin bir hücreden diğerine aktarımı, kromozomlarda bulunan deoksiribonükleik asit (DNA) tarafından sağlanır. DNA duplikasyonu hücre bölünmesinden önce gelir. Farklı dokuların hücrelerindeki çekirdeğin kütlesi farklıdır ve örneğin hepatosit kütlesinin %10-18'i, lenfoid hücrelerde ise %60'ı kadardır. Ara fazda (intermitotik dönem), çekirdek dört elementle temsil edilir: kromatin, nükleolus (nükleolus), nükleoplazma ve nükleer membran.

kromatin

metin_alanları

ok_upward

Olgun hücreler (örneğin kan), kümeler halinde uzanan yoğun, yoğun kromatin bakımından zengin çekirdeklerle karakterize edilir. Kadınların somatik hücrelerinin çekirdeğinde, nükleer zara yakın bir kromatin yığını ile temsil edilir: bu, yoğun bir X kromozomu olan kadın cinsiyet kromatini (veya Barr gövdeleri) 'dir. Erkek cinsiyet kromatini, erkek somatik hücrelerinin çekirdeklerinde, florokromlarla boyandığında parlayan bir yumru olarak temsil edilir. Cinsiyet kromatini tayini, örneğin, hamile bir kadının amniyotik sıvısından elde edilen hücrelerden bir çocuğun cinsiyetini belirlemek için kullanılır.

çekirdekçik

metin_alanları

ok_upward

Çekirdekçik, zarı olmayan küresel bir şekle sahip intranükleer bir yapıdır. İçinde sitoplazmik alt birimlerin, rRNA'nın oluşumu ile ilişkili yüksek bir protein sentezi aktivitesi ile karakterize edilen tüm hücrelerde geliştirilmiştir. Örneğin, nükleoli, bölünebilen hücrelerin çekirdeklerinde bulunur - lenfoblastlar, miyeloblastlar, vb.

çekirdek zarı

metin_alanları

ok_upward

Nükleer zar, lümen endoplazmik retikulumun boşluğuna bağlı olan iki tabaka ile temsil edilir. Membran, makromoleküllerin (ribonükleazlar, RNA) serbestçe geçtiği, çapı yaklaşık 100 nm'ye kadar olan deliklere (nükleer gözenekler) sahiptir. Aynı zamanda, nükleer zar ve gözenekler, çekirdeğin mikro-ortamını koruyarak, çekirdek ve sitoplazma arasında çeşitli maddelerin seçici değişimini sağlar. Kötü farklılaşmış bir hücrede, gözenekler nükleer yüzeyin %10'unu kaplar, ancak hücre olgunlaştıkça toplam yüzeyleri azalır.

Nükleoplazma (nükleer özsu)

metin_alanları

ok_upward

Nükleoplazma (nükleer meyve suyu), metabolitlerin değişimini ve RNA moleküllerinin nükleer gözeneklere hızlı hareketini sağlayan proteinler içeren kolloidal bir çözeltidir. Hücrenin olgunlaşması veya yaşlanması ile nükleoplazma miktarı azalır.

Hücre bölünmesi. Mitoz.

metin_alanları

ok_upward

mitoz(Şekil 1.5) hücre döngüsünün sadece bir kısmını kaplar. Memeli hücrelerinde mitotik faz (M) yaklaşık bir saat sürer.

Bunu post-mitotik bir duraklama (G1) takip eder. hücrede yüksek bir protein biyosentezi aktivitesi ile karakterize edilen, transkripsiyon ve translasyon süreçleri gerçekleştirilir. Duraklama süresi yaklaşık 10 saattir, ancak bu süre önemli ölçüde değişir ve hücre bölünmesini uyaran ve engelleyen düzenleyici faktörlerin, besinlerin sağlanması üzerindeki etkisine bağlıdır.

Hücre döngüsünün bir sonraki aşaması, DNA'nın sentezi (replikasyonu) ile karakterize edilir. (faz S) ve yaklaşık 9 saat sürer. Bunu yaklaşık 4 saat süren premitotik faz G2 takip eder. Böylece, tüm hücre döngüsü yaklaşık 24 saat sürer:

Hücreler ayrıca dinlenme aşamasında da olabilir - Git, hücre döngüsünün dışında uzun süre kal. Örneğin insanlarda hematopoietik kök hücrelerin %90'a kadarı Go fazındadır, ancak Go'dan G1'e geçişleri kan hücrelerine olan talebin artmasıyla hızlanır.

Hücrelerin G1 evresinde bölünmelerini düzenleyen faktörlere karşı yüksek duyarlılığı, bu dönemde hücre zarlarında hormon reseptörleri, uyarıcı ve engelleyici faktörlerin sentezi ile açıklanmaktadır. Örneğin, G fazında kemik iliğindeki eritroid hücrelerin bölünmesi, eritropoietin hormonunu uyarır. Bu süreç, doku oksijen ihtiyacının azalması durumunda kırmızı kan hücrelerinin üretimini azaltan bir madde olan eritropoezin bir inhibitörü tarafından engellenir (Bölüm 6).

Membran reseptörlerinin bir hücre bölünmesi uyarıcısı ile etkileşimi hakkında çekirdeğe bilgi aktarımı, DNA sentezini içerir, şunlar. faz S. Sonuç olarak, hücredeki DNA miktarı diploid 2N'den tetraploid 4N'ye değişir. G2 fazında mitoz için gerekli yapılar, özellikle mitoz iğsi proteinleri sentezlenir.

faz M'de iki yavru hücre arasında aynı genetik materyalin dağılımı. M evresinin kendisi dört döneme ayrılır: faz, metafaz, anafaz ve telofaz (Şekil 1.5.).

Profaz her biri iki özdeş DNA molekülünden biri olan iki kromatit oluşturan DNA kromozomlarının yoğunlaşması ile karakterize edilir. Çekirdekçik ve çekirdek zarfı kaybolur. İnce mikrotübüllerle temsil edilen sentrioller, hücrenin iki kutbuna ayrılarak mitotik bir iğ oluşturur.

metafaza kromozomlar hücrenin merkezinde bulunur ve bir metafaz plakası oluşturur.Bu aşamada, her bir kromozomun morfolojisi en belirgindir ve pratikte hücrenin kromozom setini incelemek için kullanılır.

anafaz mitotik milin lifleri tarafından hücrenin zıt kutuplarına "ayrı çekilen" kromatitlerin hareketi ile karakterize edilir.

telofaz kromozomların yavru setinin etrafında bir nükleer zar oluşumu ile karakterize edilir. Hücre döngüsünün özelliklerinin bilgisi pratikte, örneğin lösemi tedavisi için sitostatik maddelerin oluşturulmasında kullanılır. Böylece, vinkristin'in mitotik iğ için bir zehir olma özelliği, lösemi hücrelerinin mitozunu durdurmak için kullanılır.

Hücre farklılaşması

metin_alanları

ok_upward

Hücre farklılaşması, bu işlevlerin performansını sağlayan yapıların görünümüyle ilişkili özel işlevlerin bir hücre tarafından edinilmesidir (örneğin, eritrositlerde hemoglobin sentezi ve birikmesi, eritrositlere farklılaşmalarını karakterize eder). Farklılaşma, genomun bazı bölümlerinin işlevlerinin genetik olarak programlanmış inhibisyonu (bastırılması) ve diğerlerinin aktivasyonu ile ilişkilidir.