Загальна характеристикаінтерфазного ядра

Ядро – це найважливіша складова частинаклітини, що є практично у всіх клітинах багатоклітинних організмів. Більшість клітин має одне ядро, але бувають двоядерні та багатоядерні клітини (наприклад, поперечно-смугасті) м'язові волокна). Двоядерність та багатоядерність обумовлені функціональними особливостямиабо патологічним станомклітин. Форма та розміри ядра дуже мінливі та залежать від виду організму, типу, віку та функціонального стануклітини. У середньому обсяг ядра становить приблизно 10% загального обсягу клітини. Найчастіше ядро має округлу або овальну форму розміром від 3 до 10 мкм у діаметрі. Мінімальний розмір ядра становить 1 мкм (у деяких найпростіших), максимальний – 1 мм (яйцеклітини деяких риб та земноводних). У деяких випадках спостерігається залежність форми ядра від форми клітини. Ядро зазвичай займає центральне положення, але диференційованих клітинах може бути зміщено до периферійному ділянці клітини. У ядрі зосереджена майже вся ДНК еукаріотичної клітини.

Основними функціями ядра є:

1) Зберігання та передача генетичної інформації;

2) Регуляція синтезу білка, обміну речовин та енергії у клітині.

Отже, ядро не лише вмістилищем генетичного матеріалу, а й місцем, де цей матеріал функціонує і відтворюється. Тому порушення будь-якої з цих функцій призведе до загибелі клітини. Все це вказує на провідне значення ядерних структур у процесах синтезу нуклеїнових кислот та білків.

БЛЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯЯ

Ядро. Хроматин, гетерохроматін, еухроматін.

Ядро (лат. Nucleus) - це один з структурних компонентівеукаріотичної клітини, що містить генетичну інформацію (молекули ДНК), що здійснює основні функції: зберігання, передача та реалізація спадкової інформації із забезпеченням синтезу білка. Ядро складається з хроматину, ядерця, каріоплазму (або нуклеоплазми) та ядерної оболонки. У клітинному ядрі відбувається реплікація (або редуплікація) – подвоєння молекул ДНК, а також транскрипція – синтез молекул РНК на молекулі ДНК. Синтезовані у ядрі молекули РНК модифікуються, після чого виходять у цитоплазму. Утворення обох субодиниць рибосом відбувається в спеціальних утворенняхклітинного ядра - ядерця. Отже, ядро клітини не лише вмістилищем генетичної інформації, а й місцем, де цей матеріал функціонує і відтворюється.

Ядро інтерфазної клітини, що не ділиться, зазвичай одне на клітину (хоча зустрічаються і багатоядерні клітини). Ядро складається з хроматину, ядерця, каріоплазми (нуклеоплазми) та ядерної оболонки, що відокремлює його від цитоплазми (рис. 17).

Хроматин

При спостереженні живих або фіксованих клітин усередині ядра виявляються зони щільної речовини, які сприймають різні барвники, особливо основні. Завдяки такій здатності добре фарбувати цей компонент ядра і отримав назву «хроматин» (від грец. chroma - колір, фарба). До складу хроматину входить ДНК у комплексі з білком. Такі ж властивості мають і хромосоми, які чітко видно під час мітотичного поділу клітин. У клітинах, що не діляться (інтерфазних), хроматин, що виявляється у світловому мікроскопі, може більш-менш рівномірно заповнювати об'єм ядра або ж розташовуватися окремими глибками.

Хроматин інтерфазних ядер є хромосомами, які, однак, втрачають у цей час свою компактну форму, розпушуються, деконденсуються. Ступінь такої деконденсації хромосом може бути різним. Зони повної деконденсації ділянок морфологи називають еухроматином (euchromatinum). При неповному розпушенні хромосом в інтерфазному ядрі видно ділянки конденсованого хроматину, який іноді називається гетерохроматином (heterochromatinum). Ступінь деконденсації хромосомного матеріалу – хроматину в інтерфазі може відображати функціональне навантаження цієї структури. Чим «дифузніше» розподілений хроматин в інтерфазному ядрі (тобто чим більше еухроматину), тим інтенсивнішими в ньому є синтетичні процеси.

Максимально конденсований хроматин під час мітотичного поділу клітин, коли він виявляється у вигляді щільних хромосом. У цей час хромосоми не виконують жодних синтетичних функцій, у яких немає включення попередників ДНК і РНК.

Таким чином, хромосоми клітин можуть перебувати у двох структурно-функціональних станах: в активному, робочому, частково або повністю деконденсованому, коли за їх участю в інтерфазному ядрі відбуваються процеси транскрипції та редуплікації, і в неактивному стані метаболічного спокою при максимальній їх конденсованості, коли вони виконують функцію розподілу та перенесення генетичного матеріалу в дочірні клітини.

Хроматин

Величезна довжина молекул ДНК еукаріотів визначила появу спеціальних механізмів зберігання, реплікації та реалізації генетичного матеріалу. Хроматином називають молекули хромосомної ДНК у комплексі зі специфічними білками, необхідними для здійснення цих процесів. Основну масу становлять "білки зберігання", так звані гістони. З цих білків побудовані нуклеосоми – структури, на які намотані нитки молекул ДНК. Нуклеосоми розташовуються досить регулярно, так що структура, що утворюється, нагадує намисто. Нуклеосома складається з білків чотирьох типів: H2A, H2B, H3 та H4. В одну нуклеосому входять по два білки кожного типу - всього вісім білків. Гістон H1, більший за інші гістони, зв'язується з ДНК у місці її входу на нуклеосому. Нуклеосома разом із H1 називається хроматосомою.

Нитка ДНК з нуклеосомами утворює нерегулярну соленоїд-подібну структуру завтовшки близько 30 нанометрів, так звану 30 нм фібрилу. Подальша упаковка цієї фібрили може мати різну густину. Якщо хроматин упакований щільно, його називають конденсованим або гетерохроматиномвін добре бачимо під мікроскопом. ДНК, що знаходиться в гетерохроматині, не транскрибується, зазвичай цей стан характерний для незначних або мовчазних ділянок. В інтерфазі гетерохроматин зазвичай розташовується на периферії ядра (пристінковий гетерохроматин). Повна конденсація хромосом відбувається перед поділом клітини. Якщо хроматин упакований нещільно, його називають еу- або інтерхроматином. Цей вид хроматину набагато менш щільний під час спостереження під мікроскопом і зазвичай характеризується наявністю транскрипційної активності. Щільність упаковки хроматину багато в чому визначається модифікаціями гістонів – ацетилюванням та фосфорилюванням.

Вважається, що в ядрі існують так звані функціональні домени хроматину (ДНК одного домену містить приблизно 30 тисяч пар основ), тобто кожна ділянка хромосоми має власну «територію». На жаль, питання просторового розподілу хроматину в ядрі вивчено поки що недостатньо. Відомо, що тіломірні (кінцеві) та центромірні (що відповідають за зв'язування сестринських хроматид у мітозі) ділянки хромосом закріплені на білках ядерної ламіни.

2. Хроматин

Хроматин – це пофарбовані основними барвниками численні гранули, у тому числі сформовані хромосоми. Хромосоми ж утворені комплексом нуклеопротеїнів, які містять нуклеїнові кислотита білки. Розрізняють два види хроматину в ядрах клітин людини, що знаходяться в інтерфазі, - дисперсний, слабо забарвлений хроматин (еухроматин), сформований довгими, тонкими, переплетеними волокнами, метаболічно дуже активний і конденсований хроматин (гетерохроматин), відповідний процесів контролю. . Для зрілих клітин (наприклад, крові) характерні ядра багаті щільним, конденсованим хроматином, що лежить глибками. У ядрах соматичних клітинВін представлений глибокої хроматину, зближеного з мембраною ядра: це жіночий статевий хроматин (або тільця Барра), що являє собою конденсовану Х-хромосому. Чоловічий статевий хроматин представлений в ядрах чоловічих соматичних клітин глибокої, що світиться при фарбуванні флюорохром. Визначення статевого хроматину використовується, наприклад, для встановлення статі дитини по клітинах, отриманих з навколоплідної рідинивагітна жінка.

Біохімічні дослідження в генетиці - важливий спосіб вивчення основних її елементів - хромосом та генів. У цій статті ми розглянемо, що таке хроматин, з'ясуємо його будову та функції у клітині.

Спадковість - основна властивість живої матерії

До основних процесів, що характеризує організми, що живуть на Землі, відносяться дихання, харчування, зростання, виділення та розмноження. Остання функція є найбільш значущою для збереження життя на нашій планеті. Як не згадати, що першою заповіддю, даною Богом Адаму та Єві була така: «Плодьте і розмножуйтесь». На рівні клітини генеративна функція виконується нуклеїновими кислотами (складова речовина хромосом). Ці структури будуть розглянуті нами надалі.

Додамо також, що збереження та передача спадкової інформації нащадкам здійснюється за єдиним механізмом, який абсолютно не залежить від рівня організації особини, тобто і для вірусу, і для бактерій, і для людини він є універсальним.

Що є речовиною спадковості

У цьому роботі вивчаємо хроматин, будова і функції якого безпосередньо залежить від організації молекул нуклеїнових кислот. Швейцарським ученим Мішером у 1869 році в ядрах клітин імунної системибули виявлені сполуки, що виявляють властивості кислот, названі ним спочатку нуклеїном, а потім нуклеїновими кислотами. З погляду хімії, це високомолекулярні сполуки – полімери. Їх мономерами є нуклеотиди, що мають таку будову: пуринову або піримідинову основу, пентозу і залишок. Вчені встановили, що в клітинах можуть бути два види і РНК. Вони входять у комплекс з білками та утворюють речовину хромосом. Як і білки, нуклеїнові кислоти мають кілька рівнів просторової організації.

1953 року лауреатами Нобелівської преміїВотсоном і Криком було розшифровано будову ДНК. Вона являє собою молекулу, що складається з двох ланцюгів, з'єднаних між собою водневими зв'язками, що виникають між азотистими основами за принципом комплементарності (напроти аденіну розташовується тимінова основа, навпроти цитозину - гуанінова). Хроматин, будову та функції якого ми вивчаємо, містить молекули дезоксирибонуклеїнової та рибонуклеїнової кислоти різної конфігурації. На цьому питанні ми зупинимося докладніше у розділі «Рівні організації хроматину».

Локалізація речовини спадковості у клітині

ДНК присутня в таких цитоструктурах, як ядро, а також в органелах, здатних до поділу - мітохондріях та хлоропластах. Це пов'язано з тим, що ці органоїди виконують найважливіші функції в клітині: а також синтез глюкози та утворення кисню в клітинах рослин. На синтетичній стадії життєвого циклу материнські органели подвоюються. Таким чином, дочірні клітини в результаті мітозу (поділу соматичних клітин) або мейозу (утворення яйцеклітин і сперматозоїдів) отримують необхідний арсенал клітинних структур, що забезпечують клітини поживними речовинамита енергією.

Рибонуклеїнова кислота складається з одного ланцюга і має меншу молекулярну масу, ніж ДНК. Вона міститься як у ядрі, так і в гіалоплазмі, а також входить до складу багатьох клітинних органоїдів: рибосом, мітохондрій, ендоплазматичної мережі, пластид. Хроматин у цих органелах пов'язаний з білками-гістонами та входить до складу плазмід – кільцевих замкнутих молекул ДНК.

Хроматин та його структура

Отже, ми встановили, що нуклеїнові кислоти містяться у речовині хромосом – структурних одиницях спадковості. Їх хроматин під електронним мікроскопоммає вигляд гранул або ниткоподібних утворень. Він містить, крім ДНК, ще й молекули РНК, а також білки, що виявляють основні властивості та названі гістонами. Всі перераховані вище нуклеосом. Вони містяться в хромосомах ядра і називаються фібрилами (нитки-соленоїди). Підсумовуючи всього вищесказаного, визначимо, що таке хроматин. Це комплексне з'єднання і спеціальних білків – гістонів. На них, як на котушки, накручуються дволанцюгові молекули ДНК, утворюючи нуклеосоми.

Рівні організації хроматину

Речовина спадковості має різну структурущо залежить від багатьох факторів. Наприклад, від того, яку стадію життєвого циклу переживає клітина: період розподілу (метоз чи мейоз), пресинтетичний чи синтетичний період інтерфази. З форми соленоїда, або фібрили, як найпростіший, відбувається подальша компактизація хроматину. Гетерохроматин - більш щільний стан, що утворюється в інтронних ділянках хромосоми, на яких неможлива транскрипція. У період спокою клітини – інтерфази, коли відсутня процес поділу, – гетерохроматин розташовується в каріоплазмі ядра по периферії, поблизу його мембрани. Ущільнення ядерного вмісту відбувається у постсинтетичну стадію життєвого циклу клітини, тобто безпосередньо перед поділом.

Від чого залежить конденсація речовини спадковості

Продовжуючи вивчати питання "що таке хроматин", вчені встановили, що його ущільнення залежить від білків-гістонів, що входять поряд із молекулами ДНК та РНК до складу нуклеосом. Вони складаються з білків чотирьох видів, які називаються коровими та лінкерними. У момент транскрипції (зчитування інформації з генів за допомогою РНК) речовина спадковості слабо конденсована і зветься еухроматину.

В даний час особливості розподілу молекул ДНК, пов'язаних із гістоновими білками, продовжують вивчатися. Наприклад, вчені з'ясували, що хроматин різних локусів однієї й тієї ж хромосоми відрізняється рівнем конденсації. Наприклад, у місцях прикріплення до хромосоми ниток веретена поділу, званих центромірами, він щільніший, ніж у тіломірних ділянках - кінцевих локусах.

Гени-регулятори та склад хроматину

У концепції регулювання генної активності, створеної французькими генетиками Жакобом і Моно, дається уявлення про існування ділянок дезоксирибонуклеїнової кислоти, в яких немає інформації про структури білків. Вони виконують суто бюрократичні – управлінські функції. Називаясь генами-регуляторами, ці частини хромосом, зазвичай, у структурі позбавлені білків-гістонів. Хроматин, визначення якого було проведено методом секвенування, отримав назву відкритого.

У ході подальших досліджень було встановлено, що у цих локусах розташовані послідовності нуклеотидів, що перешкоджають приєднанню до молекул ДНК білкових частинок. Такі ділянки містять регуляторні гени: промотори, ехансери, активатори. Компактизація хроматину у них висока, а довжина цих ділянок у середньому становить близько 300 нм. Існує визначення відкритого хроматину в ізольованих ядрах, у якому використовують фермент ДНК-азу. Він дуже швидко розщеплює локуси хромосом, позбавлені білків-гістонів. Хроматин у цих ділянках був названий надчутливим.

Роль речовини спадковості

Комплекси, що включають ДНК, РНК та білок, звані хроматином, беруть участь в онтогенезі клітин та змінюють свій склад залежно від типу тканини, а також від стадії розвитку організму в цілому. Наприклад, в епітеліальних клітинах шкіри такі гени, як ехансер і промотор, заблоковані білками-репресорами, а ці регуляторні гени в секреторних клітинах епітелію кишечника активні і знаходяться в зоні відкритого хроматину. Вчені-генетики встановили, що на частку ДНК, що не кодує білки, припадає понад 95% всього геному людини. Це означає, що генів, що управляють, набагато більше, ніж тих, які відповідальні за синтез пептидів. Впровадження таких методів, як ДНК-чіпи та секвенування, дозволило з'ясувати, що таке хроматин і, як наслідок, провести картування геному людини.

Дослідження хроматину дуже важливі у таких галузях науки, як генетика людини та медична генетика. Це з різко збільшеним рівнем появи спадкових захворювань- як генних, і хромосомних. Раннє виявленняцих синдромів підвищує відсоток позитивних прогнозів за її лікуванні.

Каріоплазма

Каріоплазма (ядерний сік, нуклеоплазма) – основна внутрішнє середовищеядра вона займає весь простір між ядерцем, хроматином, мембранами, всілякими включеннями та іншими структурами. Каріоплазма під електронним мікроскопом має вигляд гомогенної чи дрібнозернистої маси з низькою електронною щільністю. У ній у зваженому стані знаходяться рибосоми, мікротельці, глобуліни та різні продукти метаболізму.

В'язкість ядерного соку приблизно така сама, як в'язкість основної речовини цитоплазми. Кислотність ядерного соку, визначена шляхом мікроін'єкції індикаторів в ядро, виявилася дещо вищою, ніж у цитоплазми.

Крім того, в ядерному соку містяться ферменти, що беруть участь у синтезі нуклеїнових кислот в ядрі та рибосоми. Ядерний сік не забарвлюється основними барвниками, тому його називають ахроматиновим речовиною, або каріолімфою, на відміну від ділянок, здатних фарбувати - хроматину.

Хроматин

Головний компонент ядер - хроматин, є структурою, що виконує генетичну функцію клітини, в хроматиновій ДНК закладена практично вся генетична інформація.

Еукаріотичні хромосоми виглядають як різко окреслені структури тільки безпосередньо до і під час мітозу - процесу розподілу ядра в соматичних клітинах. У еукаріотичних клітинах, що не діляться, хромосомний матеріал, званий хроматином, виглядає нечітко і як би безладно розподілений по всьому ядру. Однак, коли клітина готується до поділу, хроматин ущільнюється і збирається у властиве даному видучисло добре помітних хромосом.

Хроматин було виділено з ядер та проаналізовано. Він складається із дуже тонких волокон. Головними компонентами хроматину є ДНК і білки, серед яких основну масу становлять гістони та негістонові білки. всіх білків, що входять до складу виділеного хроматину. Крім того, до складу хроматинових фракцій входять мембранні компоненти, РНК, вуглеводи, ліпіди, глікопротеїди.

Хроматинові волокна в хромосомі згорнуті і утворюють безліч вузликів та петель. ДНК у хроматині дуже міцно пов'язана з білками, званими гістонами, функція яких полягає в упаковці та впорядкуванні ДНК у структурні одиниці – нуклеосоми. У хроматині міститься також низка негістонових білків. На відміну від еукаріотів, бактеріальні хромосоми не містять гістонів; до їх складу входить лише невелика кількість білків, що сприяють утворенню петель та конденсації (ущільненню) ДНК.

При спостереженні багатьох живих клітин, особливо рослинних, або клітин після фіксації та забарвлення всередині ядра виявляються зони щільної речовини, що добре забарвлюються різними барвниками, особливо основними. Здатність хроматину сприймати основні (лужні) барвники вказує на його кислотні властивості, що визначаються тим, що до складу хроматину входить ДНК у комплексі з білками. Такі ж властивості офарблюваності і вмісту ДНК мають і хромосоми, які можна спостерігати під час мітотичного поділу клітин.

На відміну від прокаріотичних клітин ДНК-містить матеріал хроматину еукаріот може перебувати у двох альтернативних станах: деконденсованому в інтерфазі та максимально ущільненому під час мітозу, у складі мітотичних хромосом.

У клітинах, що не діляться (інтерфазних), хроматин може рівномірно заповнювати обсяг ядра або ж розташовуватися окремими згустками (хромоцентри). Нерідко він особливо чітко виявляється на периферії ядра (пристінковий, маргінальний, примембранний хроматин) або утворює всередині переплетення ядра досить товстих (близько 0,3 мкм) і довгих тяжів у вигляді внутрішньоядерної мережі.

Хроматин інтерфазних ядер є несучими ДНК тільця (хромосоми), які втрачають у цей час свою компактну форму, розпушуються, деконденсуються. Ступінь такої деконденсації хромосом може бути різним у ядрах різних клітин. Коли хромосома чи її ділянку повністю деконденсовані, ці зони називають дифузним хроматином. При неповному розпушуванні хромосом в інтерфазному ядрі видно ділянки конденсованого хроматину (іноді називається гетерохроматином). Численними роботами показано, що ступінь деконденсації хромосомного матеріалу - хроматину, в інтерфазі може відображати функціональне навантаження цієї структури. Чим більш дифузний хроматин інтерфазного ядра, тим вище синтетичні процеси. При синтезі РНК змінюється структура хроматину. Падіння синтезу ДНК та РНК у клітинах зазвичай супроводжується збільшенням зон конденсованого хроматину.

Максимально конденсований хроматин під час мітотичного поділу клітин, коли він виявляється у вигляді тілець - хромосом. У цей час хромосоми не несуть жодних синтетичних навантажень, у яких немає включення попередників ДНК і РНК.

Виходячи з цього, можна вважати, що хромосоми клітин можуть перебувати у двох структурно-функціональних станах: у робочому, частково або повністю деконденсованому, коли за їх участю в інтерфазному ядрі відбуваються процеси транскрипції та редуплікації, та у неактивному – у стані метаболічного спокою при максимальній їх конденсації, коли вони виконують функцію розподілу та перенесення генетичного матеріалу в дочірні клітини.

Еухроматин та гетерохроматин

Ступінь структуризації, конденсації хроматину в інтерфазних ядрах може бути виражена різною мірою. Так, в інтенсивно діляться і в мало спеціалізованих клітинах ядра мають дифузну структуру, в них крім вузького периферичного обідка конденсованого хроматину зустрічається невелика кількість дрібних хромоцентрів, основна частина ядра зайнята дифузним, деконденсованим хроматином. У той же час у високоспеціалізованих клітинах або в клітинах, що закінчують свій життєвий циклхроматин представлений у вигляді масивного периферичного шару та великих хромоцентрів, блоків конденсованого хроматину. Чим більша в ядрі частка конденсованого хроматину, тим менша метаболічна активність ядра. При природній або експериментальній інактивації ядер відбувається прогресивна конденсація хроматину і, навпаки, активації ядер збільшується частка дифузного хроматину.

Однак при метаболічній активації не всі ділянки конденсованого хроматину можуть переходити до дифузної форми. Ще на початку 1930-х років Е. Гейтцем було відмічено, що в інтерфазних ядрах існують постійні ділянки конденсованого хроматину, наявність якого не залежить від ступеня диференційованості тканини або від функціональної активності клітин. Такі ділянки отримали назву гетерохроматину, на відміну від решти хроматину - еухроматину (власне хроматину). За цими уявленнями, гетерохроматин - компактні ділянки хромосом, які в профазі з'являються раніше інших частин у складі мітотичних хромосом і в телофазі не деконденсуються, переходячи в інтерфазне ядро у вигляді щільних структур, що інтенсивно фарбуються (хромоцентрів). Постійно конденсованими зонами найчастіше є центромірні та тіломірні ділянки хромосом. Крім них, постійно конденсованими можуть бути деякі ділянки, що входять до складу плечей хромосом - вставковий, або інтеркалярний, гетерохроматин, який у ядрах також представлений у вигляді хромоцентрів. Такі постійно конденсовані ділянки хромосом в інтерфазних ядрах зараз називають конститутивним (постійним) гетерохроматином. Необхідно відзначити, що ділянки конститутивного гетерохроматину мають цілу низку особливостей, які відрізняють його від решти хроматину. Конститутивний гетерохроматин генетично неактивний; він не транскрибується, реплікується пізніше всього іншого хроматину, до його складу входить особлива (сателітна) ДНК, збагачена повторюваними послідовностями нуклеотидів, він локалізований в центромірних, теломерних і інтеркалярних зонах мітотичних хромосом. Частка конститутивного хроматину може бути неоднаковою у різних об'єктів. Функціональне значення конститутивного гетерохроматину остаточно не з'ясовано. Передбачається, що він несе низку важливих функційпов'язаних зі спарюванням гомологів у мейозі, зі структуризацією інтерфазного ядра, з деякими регуляторними функціями.

Вся решта, основна маса хроматину ядра може змінювати ступінь своєї компактизації залежно від функціональної активності, вона відноситься до еухроматину. Еухроматичні неактивні ділянки, які перебувають у конденсованому стані, стали називати факультативним гетерохроматином, наголошуючи на необов'язковості такого його стану.

У диференційованих клітинах лише близько 10% генів перебуває в активному стані, інші гени інактивовані і входять до складу конденсованого хроматину (факультативний гетерохроматин). Ця обставина пояснює, чому більшість хроматину ядра структурована.

ДНК хроматину

У препараті хроматину частку ДНК припадає зазвичай 30-40%. Ця ДНК являє собою дволанцюжкову спіральну молекулу, подібну до чистої виділеної ДНК в водних розчинах. ДНК хроматину має молекулярну масу 7-9·106. У складі хромосом довжина індивідуальних лінійних (на відміну прокаріотичних хромосом) молекул ДНК може досягати сотень мікрометрів і навіть кількох сантиметрів. Загальна кількістьДНК, що входить у ядерні структури клітин, геном організмів, коливається.

ДНК еукаріотичних клітин гетерогенна за складом, містить кілька класів послідовностей нуклеотидів: послідовності, що часто повторюються (>106 разів), що входять у фракцію сателітної ДНК і не транскрибуються; фракція помірно повторюваних послідовностей (102-105), що представляють блоки істинних генів, а також короткі послідовності, розкидані по всьому геному; фракція унікальних послідовностей, що несе інформацію для більшості клітин білків. Всі ці класи нуклеотидів пов'язані в єдиний гігантський ковалентний ланцюг ДНК.

Основні білки хроматину – гістони

У клітинному ядрі провідна роль організації розташування ДНК, у її компактизації і регулюванні функціональних навантажень належить ядерним білкам. Білки у складі хроматину дуже різноманітні, але їх можна розділити на дві групи: гістони та негістонові білки. Перед гістонів припадає до 80% всіх білків хроматину. Їх взаємодія з ДНК відбувається за рахунок сольових або іонних зв'язківі неспецифічно щодо складу чи послідовностей нуклеотидів у молекулі ДНК. В еукаріотичній клітині міститься всього 5-7 типів молекул гістонів. На відміну від гістонів, так звані негістонові білки. здебільшогоспецифічно взаємодіють з певними послідовностями молекул ДНК, дуже велика різноманітність типів білків, що входять до цієї групи (кілька сотень), велика різноманітність функцій, які вони виконують.

Гістони - білки, характерні тільки для хроматину, - мають низку особливих якостей. Це основні чи лужні білки, властивості яких визначаються щодо високим змістомтаких основних амінокислот, як лізин та аргінін. Саме позитивні заряди на аміногрупах лізину та аргініну обумовлюють солоний або електростатичний зв'язок цих білків з негативними зарядами на фосфатних групах ДНК.

Гістони - відносно невеликі по молекулярної масибілки. Класи гістонів відрізняються один від одного за вмістом різних основних амінокислот. Для гістонів всіх класів характерний кластерний розподіл основних амінокислот - лізину та аргініну, на N- і С-кінцях молекул. Серединні ділянки молекул гістонів утворюють декілька (3-4) б-спіральних ділянок, що компактизуються в глобулярну структуру в ізотонічних умовах. Багаті позитивними зарядами неспіралізовані кінці білкових молекул гістонів та здійснюють їх зв'язок один з одним та з ДНК.

У процесі життєдіяльності клітин можуть відбуватися посттрансляційні зміни (модифікації) гістонів: ацетилювання та метилювання деяких залишків лізину, що призводить до втрати числа позитивних зарядів, та фосфорилювання серинових залишків, що призводить до появи негативного заряду. Ацетилювання та фосфорилювання гістонів можуть бути оборотними. Ці модифікації значно змінюють властивості гістонів, їхня здатність зв'язуватися з ДНК.

Гістони синтезуються в цитоплазмі, транспортуються в ядро та зв'язуються з ДНК під час її реплікації у S-періоді, тобто. синтези гістонів та ДНК синхронізовані. При припиненні клітиною синтезу ДНК гістонові інформаційні РНК протягом кількох хвилин розпадаються і синтез гістонів зупиняється. Гістони, що включилися в хроматин, дуже стабільні, мають низьку швидкістьзаміни.

Функції білків гістонів

1. Кількісне та якісний стангістонів впливає на ступінь компактності та активності хроматину.

2. Структурна - компактизуюча - роль гістонів в організації хроматину.

Для того щоб величезні сантиметрові молекули ДНК укласти по довжині хромосоми, що має розмір всього кілька мікрометрів, молекула ДНК повинна бути скручена, компактизована з щільністю упаковки, що дорівнює 1: 10 000. У процесі компактизації ДНК існують кілька рівнів упаковки, перші з яких прямо визначаються взаємодією гістонів з ДНК

Майже вся ДНК клітини міститься в ядрі. ДНК- це довгий лінійний полімер, що містить багато мільйонів нуклеотидів. Чотири типи нуклеотидів ДНК різняться азотистими основами. Нуклеотидирозташовуються в послідовності, яка є кодовою формою запису спадкової інформації.
Для реалізації цієї інформації вона переписується, або транскрибується в більш короткі ланцюги РНК. Символами генетичного кодув і-РНК служать трійки нуклеотидів - кодони. Кожен кодон означає одну з амінокислот. Кожній молекулі ДНК відповідає окрема хромосома, а вся генетична інформація, що зберігається в хромосомах організму, називається геном.
Геном вищих організмівмістить надмірну кількість ДНК, це не пов'язано зі складністю організму. Відомо, що геном людини містить ДНК у 700 разів більше, ніж бактерія. кишкова паличка. У той самий час геном деяких земноводних і рослин у 30 разів більше, ніж геном людини. У хребетних понад 90% ДНК не має суттєвого значення. Інформація, що зберігається в ДНК, організується, зчитується та реплікується різноманітними білками.
Основними структурними білками ядра є білки-гістони, характерні лише еукаріотичних клітин. Гістони- Невеликі сильноосновні білки. Ця властивість пов'язана з тим, що вони збагачені основними амінокислотами – лізином та аргініном. Гістони характеризує також відсутність триптофану. Вони відносяться до найбільш консервативних з усіх відомих білків, наприклад, Н4 у корови та гороху відрізняє всього два амінокислотні залишки. Комплекс білків із ДНК у клітинних ядрах еукаріотів позначається як хроматин.
При спостереженні клітин за допомогою світлового мікроскопа хроматин виявляється в ядрах як зони щільної речовини, що добре забарвлюються основними барвниками. Поглиблене вивчення структури хроматину почалося в 1974 р., коли подружжям Адою та Дональдом Олінсом було описано його основну структурну одиницю, вона була названа нуклеосомою.
Нуклеосоми дозволяють компактніше укласти довгий ланцюг молекули ДНК. Так, у кожній хромосомі людини довжина нитки ДНК у тисячі разів перевищує розмір ядра. На електронних фотографіях нуклеосома має вигляд дископодібної частки, діаметр близько 11 нм. Її серцевиною є комплекс із восьми молекул гістонів, в якому чотири гістони Н2А, Н2В, Н3 та Н4 представлені двома молекулами кожен. Ці гістони утворюють внутрішню частинунуклеосоми – гістоновий кор. На гістоновий кор накручена молекула ДНК, що містить 146 пар нуклеотидів. Вона утворює два неповні витки навколо гістонового кора нуклеосоми, на один виток припадає 83 нуклеотидні пари. Кожна нуклеосома відокремлена від наступної лінкерної послідовністю ДНК, довжина якої може становити до 80 нуклеотидів. Така структура нагадує намисто на нитці.
Розрахунок показує, що ДНК людини, що має 6х109 нуклеотидних пар, повинна містити 3х107 нуклеосом. У живих клітинах хроматин рідко має такий вигляд. Нуклеосоми пов'язані один з одним ще більш компактні структури. Більшість хроматину має вигляд фібрил діаметром 30 нм. Таке пакування здійснюється за допомогою ще одного гістону Н1. На кожну нуклеосому припадає одна молекула Н1, яка стягує лінкерну ділянку у тих точках, де ДНК входить на гістоновий кор і виходить із нього.
Упаковка ДНК значно зменшує її довжину. Проте середня довжина нитки хроматинової однієї хромосоми на цій стадії повинна перевищувати розміри ядра в 100 разів.
Структура хроматину вищого порядку є серією петель, кожна містить приблизно від 20 до 100 тисяч пар нуклеотидів. В основі петлі розташовується сайт-специфічний ДНК-зв'язуючий білок. Такі білки дізнаються певні нуклеотидні послідовності (сайти) двох віддалених ділянок хроматинової нитки та зближують їх.

text_fields

arrow_upward

Ядро – центральний елемент клітини. Його оперативне видаленнядискоординує функції цитоплазми Ядро грає головну рольу передачі спадкових ознак та синтезі білків. Передача генетичної інформації від однієї клітини в іншу забезпечується дезоксирибонуклеїновою кислотою (ДНК), що міститься в хромосомах. Подвоєння ДНК передує клітинному поділу. Маса ядра у клітинах різних тканин різна і становить, наприклад, 10-18% від маси гепатоциту, 60% - у лімфоїдних клітинах. В інтерфазі (міжмітотичному періоді) ядро представлено чотирма елементами: хроматином, нуклеолою (ядерцем), нуклеоплазмою та ядерною мембраною.

Хроматин

text_fields

arrow_upward

Хроматин – це пофарбовані основними барвниками численні гранули, у тому числі сформовані хромосоми. Хромосоми ж утворені комплексом нуклеопротеїнів, що містять нуклеїнові кислоти та білки. Розрізняють два види хроматину в ядрах клітин людини, що знаходяться в інтерфазі, - дисперсний, слабо забарвлений хроматин (еухроматин), сформований довгими, тонкими, переплетеними волокнами, метаболічно дуже активний і конденсований хроматин (гетерохроматин), відповідний процесів контролю. .

Для зрілих клітин (наприклад, крові) характерні ядра багаті щільним, конденсованим хроматином, що лежить глибками. У ядрах соматичних клітин жінок він представлений глибоким хроматином, зближеним з мембраною ядра: це жіночий статевий хроматин (або тільця Барра), що являє собою конденсовану Х-хромосому. Чоловічий статевий хроматин представлений в ядрах чоловічих соматичних клітин глибокої, що світиться при фарбуванні флюорохром. Визначення статевого хроматину використовується, наприклад, для встановлення статі дитини за клітинами, отриманими з навколоплідної рідини вагітної жінки.

Ядрішко

text_fields

arrow_upward

Ядрішко – внутрішньоядерна структура сферичної форми, яка не має мембрани. Воно розвинене у всіх клітинах, що відрізняються високою активністю білкового синтезу, що пов'язано з утворенням у ньому субодиниць цитоплазми, рРНК. Наприклад, ядерця виявляються в ядрах здатних до поділу клітин - лімфобластах, мієлобластах та ін.

Мембрана ядра

text_fields

arrow_upward

Мембрана ядра представлена двома листами, просвіт між якими з'єднаний із порожниною ендоплазматичного ретикулуму. Мембрана має отвори (ядерні пори) приблизно до 100 нм у діаметрі, через які вільно проходять макромолекули (рибонуклеази, РНК). Разом з тим, ядерна мембрана та пори підтримують мікросередовище ядра, забезпечуючи вибірковий обмін різних речовин між ядром та цитоплазмою. У малодиференційованій клітині пори займають до 10% поверхні ядра, але з дозріванням клітини їхня сумарна поверхня зменшується.

Нуклеоплазма (ядерний сік)

text_fields

arrow_upward

Нуклеоплазма (ядерний сік) є колоїдний розчинмістить білки, який забезпечує обмін метаболітів і швидке переміщення молекул РНК до ядерних порів. Кількість нуклеоплазми зменшується при дозріванні чи старінні клітини.

Розподіл клітин. Мітоз.

text_fields

arrow_upward

Мітоз(рис. 1.5) займає лише частину клітинного циклу. У клітинах ссавців фаза мітозу (М) триває близько години.

За нею слідує постмітотична пауза (G1), Для якої характерна висока активність біосинтезу білків у клітині, реалізуються процеси транскрипції та трансляції. Тривалість паузи близько 10 годин, але цей час значно варіює і залежить від впливу регулюючих факторів, що стимулюють і гальмують поділ клітин, від постачання їх поживними речовинами.

Наступна фаза клітинного циклу характеризується синтезом (реплікацією) ДНК (фаза S)та займає близько 9 годин. Далі слідує премітотична фаза G2, що триває близько 4 годин. Таким чином, весь клітинний цикл триває близько 24 годин:

Клітини можуть бути також у фазі спокою - Go, довго залишаючись поза клітинного циклу. Наприклад, у людини до 90% стовбурових кровотворних клітин знаходиться у фазі Go, але їх перехід з Go до G1 прискорюється при зростанні потреб у клітинах крові.

Висока чутливість клітин до розподілу факторів у фазі G1 пояснюється синтезом на мембранах клітин у цей період рецепторів гормонів, стимулюючих та інгібуючих факторів. Наприклад, поділ еритроїдних клітин кісткового мозкуу фазі G стимулює гормон еритропоетин. Гальмує цей процес інгібітор еритропоезу - речовина, що знижує продукцію еритроцитів у разі зменшення потреб тканин у кисні (глава 6).

Передача інформації ядру про взаємодію рецепторів мембрани зі стимулятором поділу клітини включає синтез ДНК, тобто. фазу S. В результаті кількість ДНК у клітині з диплоїдного, 2N, переходить у тетраплоідний - 4N. У фазі G2 синтезуються структури, необхідні мітозу, зокрема, білки мітотичного веретена.

У фазі Мвідбувається розподіл ідентичного генетичного матеріалу між двома дочірніми клітинами. Власне фаза М поділяється на чотири періоди: профазу, метафазу, анафазу та телофазу (рис.1.5.).

Профазахарактеризується конденсацією ДНК хромосом, що утворюють дві хроматиди, кожна з яких є однією з двох ідентичних молекул ДНК. Нуклеола та ядерна оболонка зникають. Центріолі, представлені тонкими мікротрубочками, розходяться до двох полюсів клітини, утворюючи мітотичне веретено.

У метафазуХромосоми розташовуються в центрі клітини, утворюючи метафазну пластинку, У цю фазу морфологія кожної хромосоми найбільш виразна, що використовується на практиці для дослідження хромосомного набору клітини.

Анафазахарактеризується рухом хроматид, що «розтягуються» волокнами мітотичного веретена до протилежних полюсів клітини.

Телофазахарактеризується утворенням ядерної мембрани довкола дочірнього набору хромосом. Знання особливостей клітинного циклу використовується практично, наприклад, під час створення цитостатичних речовин на лікування лейкозів. Так, властивість вінкрістину бути отрутою для мітотичного веретена використовується для зупинки мітозу лейкозних клітин.

Диференціація клітин

text_fields

arrow_upward

Диференціація клітин - є придбання клітиною спеціалізованих функцій, пов'язане з появою в ній структур, що забезпечують виконання цих функцій (наприклад, синтез і накопичення гемоглобіну в еритроцитах характеризує їх диференціацію в еритроцити). Диференціація пов'язана з генетично запрограмованим гальмуванням (репресією) функцій одних ділянок геному та активацією інших.