Ядро – важнейший структурный компонент живых клеток эукариот.

Впервые ядро было описано Р. Броуном в 1831 г. Морфологию и функции ядра исследовали Флемминг, Страсбургер, Чистяков, Геккель, Баранецкий, Навашин, Герасимов, Беляев и др. Большинство клеток содержат одно ядро, но встречаются двуядерные (инфузория-туфелька) и многоядерные (скелетные мышцы, печень) клетки. Некоторые высокоспециализированные клетки утрачивают ядра (эритроциты млекопитающих и клетки ситовидных трубок у покрытосеменных).

Ядро представляет собой эластичное тело, отделенное от цитоплазмы ядерной оболочкой. Форма ядра, как правило, круглая, но бывает веретеновидная, нитевидная, сегментированная (лопастная) и др. Впячивания и выпячивания ядерной оболочки значительно увеличивают поверхность ядра, тем самым усиливая связь ядерных и цитоплазматических структур и веществ. Ядро всегда располагается в цитоплазме.

По физическим и химическим свойствам ядро близко к цитоплазме.

Рис. Схема ультраструктурой организации интерфазного ядра: 1 - ядерная мембрана с порами (2), 3 - плотный хроматин; 4 - рыхлый хроматин; 5 - ядрышко; 6 - интерхроматиновые гранулы; 7 - перихроматиновые гранулы; 8 - перихроматиновые фибриллы; 9 - кариоплазма.

Ядро состоит из ядерной оболочки, ядерного сока, ядрышка и хроматина.

Ядерная оболочка (кариолемма) очень тонкая (300-500 А о); образована двумя мембранами (наружной и внутренней), между которыми имеется полость – перинуклеарное пространство . Наружная ядерная мембрана покрыта рибосомами, внутренняя мембрана гладкая. Ядерная оболочка пронизана порами (округлые отверстия диметром 200-300 А о), через которые между ядром и цитоплазмой происходит обмен различными веществами. Также вещества из ядра в цитоплазму и из цитоплазмы в ядро попадают путем отшнуровывания выростов и выпячиваний ядерной оболочки. Кроме того, мелкие молекулы могут диффундировать через ядерную оболочку. В определенных точках ядерная мембрана непосредственно переходит в мембрану эндоплазматической сети, с которой тождественна по своей физико-химической структуре. Несмотря на активный обмен веществ между ядром и цитоплазмой, ядерная оболочка отграничивает ядерное содержимое от цитоплазмы, делая возможным существование особой внутриядерной среды, отличной от окружающей цитоплазмы.

Рис. Пути обмена веществ между ядром и цитоплазмой. 1 - обмен веществ через ядерные поры, 2 - впячивание цитоплазмы внутрь ядра, 3 - впячивание ядерной оболочки, 4 - продвижение ядерной мембраны в эндоплазматическую сеть; 5 - выведение части каналов во внешнее межклеточное пространство.

Ядерный сок (кариоплазма, нуклеоплазма, кариолимфа) представляет собой желеобразный раствор – систему гидрофильных коллоидов – в котором находятся разнообразные белки, нуклеотиды, а также хромосомы и ядрышко. По химическому составу ядерный сок близок к матриксу цитоплазмы, однако в нем значительно выше содержание нуклеотидов. Функция ядерного сока – связь ядерных структур.

Ядрышко образование более плотное, чем основная масса ядра, собственной оболочки не имеет, состоит из крупных гранул, по форме и размерам близко к рибосомам. Матрикс ядрышка имеет жидку консистенцию. Формируется ядрышко в области вторичной перетяжки (ядрышковый организатор). Функция ядрышка – синтез р-РНК и соединение их с белками, т.е. сборка субъединиц рибосом.

Хроматин – глыбки, гранулы и нитчатые структуры, окрашивающиеся некоторыми красителями (гематоксилином, софранином, кармином и др.). С химической точки зрения хроматин – дезоксирибонуклеопротеид (ДНП, комплекс ДНК и белков-гистонов). Гистоны обладают основными (щелочными) свойствами благодаря высокому содержанию в них основных аминокислот. По преобладающему содержанию аминокислот выделяют пять важнейших гистонов:

Гистон Н1 имеет высокое содержание лизина;

Гистон Н2b лизина содержит меньше, чем Н1;

Гистон Н2a имеет высокое содержание лизина и аргинина;

Гистон Н3 содержит большое количество аргинина;

Гистон Н4 богат аргинином и глицином.

Все гистоны хорошо растворимы в кислых средах. Гистоновые белки с неодинаковой прочностью связываются с ДНК. Поэтому они обладают различной способностью менять пространственное расположение нити ДНК и влиять на участие ДНК в процессе транскрипции. Молекулы гистонов соединяются с ДНК в основном за счет электростатических связей между отрицательно заряженными фосфатными группами молекулы ДНК и положительно заряженными группами гистоновых аминокислот, обладающих щелочными свойствами. В результате образуется нуклеосома. Нуклеосома – это комплекс участка ДНК с гистонами. Он имеет небольшую длину и периодически повторяется по всей длине ДНК. В состав нуклеосомы входит от 160 до 240 нуклеотидных пар и по 2 молекулы каждой фракции гистонов Н2a, Н2b, Н3 и Н4 – всего 8 молекул, соединенных между собой при помощи своих гидрофобных участков. Основной участок нуклеосомы представляет собой цилиндр (октамер) диаметром 11 нм и толщиной 5,7 нм, вокруг которого двойная спираль образует около двух витков и переходит на следующий цилиндр. Длина «накрученного» фрагмента ДНК составляет примерно 60 нм.

В прокариотической клетке нет организованного ядра, в ней содержится только одна хромосома, которая не отделена от остальной части клетки мембраной, а лежит непосредственно в цитоплазме. Однако в ней также записана вся наследственная информация бактериальной клетки.

Эукариоты (от греч. eu - хорошо и carion - ядро) - организмы, содержащие в клетках четко оформленное ядро. К эукариотам относятся одноклеточные и многоклеточные растения, грибы и животные, то есть все организмы, кроме бактерий. Клетки эукариот разных царств различаются по ряду признаков. Но во многом их строение сходно.

Например, у человека 23 пары.

Число хромосом у грибов колеблется от 2 до 28, у большинства видов - от 10 до 12.

В общем, разное количество.

Хроматин - форма упаковки ДНК в ядрах клеток эукариот. Хроматин - это сложная смесь веществ, из которых построены хромосомы эукариот. Основными компонентами хроматина являются ДНК и хромосомных белков, в состав которых входят гистоны инегистоновые белки, образующие высокоупорядоченные в пространстве структуры. Соотношение ДНК и белка в хроматине составляет ~1:1, а основная масса белка хроматина представлена гистонами. Термин «Х.» введен У. Флеммингом в 1880 г. для описания окрашиваемых специальными красителями внутриядерных структур.

Если просуммировать все хромосомы, молекула ДНК у высших эукариот имеет длину около 2 метров и, следовательно, должна быть максимально сконденсирована - примерно в 10000 раз, чтобы поместиться в клеточном ядре - том компартменте клетки, в котором хранится генетический материал. Накручивание ДНК на "шпульки" из гистоновых белков, обеспечивает элегантное решение этой проблемы упаковки и дает начало полимеру, в котором повторяются комплексы белок-ДНК и который известен как хроматин.

Хроматин не однороден по своей структуре; он выступает в различных формах упаковки - от фибриллы высококонденсированного хроматина (известного как гетерохроматин) до менее компактизированной формы, где гены обычно экспрессируются (известной как эухроматин).

Полученные в последнее время данные позволяют предполагать, что ncRNA (некодирующие РНК) могут "направлять" переход специализированных участков генома в более компактные состояния хроматина. Таким образом, на хроматин следует смотреть как на динамический полимер, который может индексировать геном и усиливать сигналы, поступающие из внешней среды, определяя в конечном счете, какие гены должны экспрессироваться, а какие нет.

Хроматин активно транскрибируемых генов находится в состоянии постоянного изменения, характеризующемся непрерывным замещением гистонов (Henikoff and Ahmad, 2005).

Элементарной единицей упаковки хроматина является нуклеосома. Нуклеосома состоит из двойной спирали ДНК, обмотанной вокруг специфического комплекса из восьми нуклеосомных гистонов (гистонового октамера). Нуклеосома представляет собой дисковидную частицу с диаметром около 11 нм, содержащую по две копии каждого из нуклеосомных гистонов (Н2А, Н2В, Н3, Н4). Гистоновый октамер образует белковую сердцевину, вокруг которой дважды обмотана двуспиральная ДНК (146 нуклеотидных пар ДНК на гистоновый октамер).

Нуклеосомы, входящие в состав фибрилл, расположены более или менее равномерно вдоль молекулы ДНК на расстоянии 10-20 нм друг от друга. В состав нуклеосом входят четыре пары молекул гистонов: H2a, H2b, H3 и H4, а также одна молекула гистона H1.

Хроматин (от греч. chroma - краска) мелкие зернышки и глыбки материала, который обнаруживается в ядре клеток и окрашивается ос­новными красителями. Хроматин состоит из Комплекса ДНК и белка И соответствует хромосомам, которые в интерфазном ядре представлены длинными, тонкими перекрученными нитями и неразличимы как индивидуальные структуры. Выраженность спирализапии каждой из хромо­сом неодинакова по их длине. Различают два вида хроматина - Эухроматин и гетерохроматин.

Эухроматин. Соответствует сегментам хромосом, которые Деспира-лизованы и открыты для транскрипции. Эти сегменты Не окрашива­ются И не видны в световой микроскоп.

Гетерохроматин. Соответствует Конденсированным, Плотно скру­ченным сегментам хромосом (что делает их Недоступными для транс­крипции). Он Интенсивно окрашивается Основными красителями, и в световом микроскопе имеет вид гранул.

Таким образом, По морфологическим признакам ядра (соотноше­нию содержания эу - и гетерохроматина) можно оценить активность процессов транскрипции, а, следовательно, синтетической функции клетки. При ее повышении это соотношение изменяется в пользу эухроматина, при снижении - нарастает содержание гетерохроматина. При полном подавлении функции ядра (например, в поврежденных и гибну­щих клетках, при ороговении эпителиальных клеток эпидермиса - кера-тиноцитов, при образовании ретикулоцитов крови) оно уменьшается в размерах, содержит только гетерохроматин и окрашивается основны­ми красителями интенсивно и равномерно. Такое явление называется Кариопикнозом (от греч. karyon - ядро и pyknosis - уплотнение).

Распределение гетерохроматина (топография его частиц в яд­ре) и соотношение содержания эу - и гетерохроматина Характерны для клеток каждого типа, что позволяет осуществлять их идентификацию как визуально, так и с помощью автоматических анализаторов изобра­жения. Вместе с тем, имеются определенные общие закономерности распределения гетерохроматина В ядре: его скопления располагают­ся Под кариолеммой, прерываясь в области пор (что обусловлено его связью с ламиной) и вокруг ядрышка (Перинуклеолярный гетерохроматин), более мелкие глыбки разбросаны по всему ядру.

Тельце Барра - Скопление гетерохроматина, соответствующее од­ной Х-хромосоме у особей женского пола, которая в интерфазе плотно скручена и неактивна. В большинстве клеток оно лежит у кариолеммы, а в гранулоцитах крови имеет вид маленькой добавочной дольки ядра ("барабанной палочки"). Выявление тельца Барра (обычно в эпителиальных клетках слизистой оболочки полости рта) используется как ди­агностический тест для определения генетического пола (обязателен, в частности, для женщин, участвующих в Олимпийских Играх).

Упаковка хроматина в ядре. В дсконденсированном состоянии длина одной молекулы (двойной спирали) ДНК, образующей каждую хромосому, равна в среднем, около 5 см, а общая длина молекул ДНК всех хромосом в ядре (диаметром около 10 мкм) составляет более 2 м (что сравнимо с укладкой нити длиной 20 км в теннисный мячик диа­метром около 10 см), а в S-период интерфазы - более 4 м. Конкретные механизмы, препятствующие спутыванию этих нитей во время транс­крипции и репликации, остаются нераскрытыми, однако очевидна необ­ходимость Компактной упаковки молекул ДНК, В клеточном ядре это осуществляется благодаря их связи со специальными основными (гистоновыми) белками. Компактная упаковка ДНК в ядре обеспечивает:

(1) Упорядоченное расположение Очень длинных молекул ДНК в небольшом объеме ядра;

(2) функциональный Контроль активности генов (вследствие вли­яния характера упаковки на активность отдельных участков генома.

Уровни упаковки хроматина . Начальный уровень упа­ковки хроматина, обеспечивающий образование Нуклеосомной нити Ди­аметром 11 нм, обусловлен намоткой двойной нити ДНК (диаметром 2 нм) на блоки дисковидной формы из 8 гистоновых молекул (нуклеосомы). Нуклеосомы разделены короткими участками свободной ДНК. Второй уровень упаковки также обусловлен гистонами и приводит к скручиванию нуклеосомной нити с формированием Хроматиновой фибриллы Диаметром 30 нм. В интерфазе хромосомы образованы хроматиновыми фибриллами, причем каждая хроматида состоит из одной фибриллы. При дальнейшей упаковке хроматиновые фибриллы образу­ют Петли (петельные домены) Диаметром 300 нм, каждый из которых соответствует одному или нескольким генам, а те, в свою очередь, в результате еще более компактной укладки, формируют участки конденси­рованных хромосом, которые выявляются лишь при делении клеток.

В хроматине ДНК связана помимо гастонов также и с Негистоновыми белками, Которые Регулируют активность генов. Вместе с тем, и гистоны, ограничивая доступность ДНК для других ДНК-связьвзающих белков, могут участвовать в регулядии активности генов.

Функция хранения генетической информации В ядре в неизме­ненном виде имеет исключительно важное значение для нормальной жизнедеятельности клетки и всего организма. Подсчитано, что при ре­пликации ДНК и в результате ее повреждений внешними факторами в каждой клетке человека ежегодно происходят изменения 6 нуклеотидов. Возникшие повреждения молекул ДНК могут исправляться в ре­зультате процесса Репарации Или путем Замещения После Распознава­ния и маркировки соответствующего участка.

В случае невозможности репарации ДНК при слишком значитель­ных повреждениях включается механизм запрограммированной гибели клетки . В этой ситуации "поведение" клетки можно оценить как своего рода "альтруистическое самоубийство": ценой своей гибели она спасает организм от возможных негативных последствий реплика­ции и амплификации поврежденного генетического материала.

Способность к репарации ДНК у Взрослого человека снижается примерно на 1% с каждым годом. Это снижение может отчасти объяс­нить, почему старение является фактором риска развития злокачест­венных заболеваний. Нарушения процессов репарации ДНК Характерно для ряда наследственных болезней, при которых резко Повышены Как Чувствительность к повреждающим факторам, Так и Частота разви­тия злокачественных новообразований.

Функция Реализации генетической информации В интерфазном ядре осуществляется непрерывно благодаря процессам Транскрипции. Геном млекопитающих содержит около ЗхЮ9 нуклеотидов, однако не более 1% его объема кодирует важные белки и принимает участие в ре­гуляции их синтеза. Функции основной некодирующей части генома не­известны.

При транскрипции ДНК образуется очень крупная молекула РНК (первичный транскрипт), которая связывается с ядерными белками с образованием Рибонуклеопротеинов (РНП). В первичном РНК-транс­крипте (как и в матричной ДНК) имеются дискретные значащие после­довательности нуклеотидов (экзоны), Разделенные длинными некодирующими вставками (нитронами). Процессинг РНК-транскрипта включает отщепление нитронов и стыковку экзонов - сплайсинг (от англ, splicing - сращивание). При этом очень крупная молекула РНК превращается в достаточно мелкие молекулы иРНК, отделяющиеся от связанных с ни­ми белков при переносе в цитоплазму.

ЯДРО И ДЕЛЕНИЕ КЛЕТКИ

Встречающиеся безъядерные структуры (эритроциты, тромбоциты, роговые чешуйки) являются результатом специфической дифференцировки ядерных форм клеток

В организме имеются также структуры, содержащие десятки и сотни ядер. К ним относятся симпласты и синцитии.

Симпласты образуются в результате слияния клеток и представляют собой многоядерные протоплазматические тяжи.

Синцитий формируется в результате неполного деления клеток и представляет собой соклетие, группу клеток, объединённых цитоплазматическими мостиками.

Ядро имеет различную форму, чаще – округлую, реже – палочковидную или неправильную. Следует отметить, что форма ядра стремится к повторению формы клетки и отвечает функциональному назначению. Так, например, у гладких миоцитов, имеющих веретеновидную форму, ядро палочковидное. Лимфоциты крови имеют круглую форму и ядра у них обычно круглые.

Функции ядра:

Хранение и передача наследственной информации дочерним клеткам

Регуляция синтеза белка

Хранение генетической информации обеспечивается тем, что в ДНК хромосом имеются репарационные ферменты, которые восстанавливают хромосомы ядра после их повреждения. Передача наследственной информации происходит при равномерном распределении идентичных копий ДНК между дочерними клетками при делении материнской.

Синтез белка регулируются благодаря тому, что на поверхности ДНК хромосом транскрибируются все виды РНК: информационные, рибосомные и транстпортные, которые участвуют в синтезе белка на поверхности гранулярной ЭПС.

Структурные образования ядра наиболее выражены в определённый период жизни клетки – в интерфазе.

Структурные элементы интерфазного ядра:

1) хроматин

2) ядрышко

3) кариолемма

4) кариоплазма

ХРОМАТИН

Это элемент ядра, который хорошо воспринимает красители (хромос), откуда и произошло его название. В состав хроматина входят нити – элементарные фибриллы, толщиной 20-25 нм, расположенные в ядре рыхло или компактно. На этом основано деление хроматина на 2 вида:

1) эухроматин – рыхлый (деконденсированный), слабо окрашивается основными красителями.

2) гетерохроматин – компактный (конденсированный), хорошо окрашивается основными красителями.

Эухроматин называется активным, гетерохроматин – неактивным. Активность эухроматина объясняется тем, что фибриллы ДНК при этом деспирализованы, т.е. гены, на поверхности которых происходит транскрипция РНК, открыты. Благодаря этому создаются условия для транскрипции РНК. В том случае, если ДНК хромосомы не деспирализована, то гены здесь закрыты, что затрудняет транскрипцию РНК с их поверхности. Следовательно, снижается синтез белка. Вот почему гетерохроматин неактивен. Соотношение эу- и гетерохроматина в ядре является показателем активности синтетических процессов в клетке.

Хроматин изменяет своё физическое состояние в зависимости от функциональной активности клетки. В период деления наблюдается конденсация хроматина и превращение его в хромосомы. Следовательно, хроматин и хромосомы – это различные физические состояния одного и того же вещества.

Химический состав хроматина:

1. ДНК - 40%
2. Белки – 60%
3. РНК – 1%

Ядерные белки представлены двумя формами:

Основные (гистоновые) белки (80-85%)

Кислые (негистоновые) белки (15-20%).

Негистоновые белки формируют белковую сеть в кариоплазме (ядерный матрикс), обеспечивая внутренний порядок расположения хроматина. Гистоновые белки образуют блоки, каждый из которых состоит из 8 молекул. Эти блоки называются нуклеосомами. На нуклеосомы навёртывается фибрилла ДНК. Функции гистоновых белков:

Особая укладка ДНК хромосом

Регуляция синтеза белка.

Тонкая структура клеточного ядра

Клеточное ядро

Ядро (лат. nucleus ) - это один из структурных компонентов эукариотической клетки, содержащий генетическую информацию (молекулы ДНК). В ядре происходит репликация - удвоение молекул ДНК, а также транскрипция - синтез молекул РНК на молекуле ДНК. В ядре же синтезированные молекулы РНК подвергаются ряду модификаций, после чего выходят в цитоплазму. Образование субъединиц рибосом также происходит в ядре в специальных образованиях - ядрышках.

Схема строения клеточного ядра.

Огромная длина молекул ДНК эукариот предопределила появление специальных механизмов хранения, репликации и реализации генетического материала. Хроматином называют молекулы хромосомной ДНК в комплексе со специфическими белками, необходимыми для осуществления этих процессов. Основную массу составляют «белки хранения», так называемые гистоны. Из этих белков построены нуклеосомы , структуры на которые намотаны нити молекул ДНК. Нуклеосомы располагаются довольно регулярно, так что образующаяся структура напоминает бусы. Нуклеосома состоит из белков четырех типов: H2A, H2B, H3 и H4. В одну нуклеосому входят по два белка каждого типа - всего восемь белков. Гистон H1, более крупный чем другие гистоны, связывается с ДНК в месте ее входа на нуклеосому. Нуклеосома вместе с H1 называется хроматосомой .

Схема, показывающая цитоплазму, вместе с ее компонентами (или органеллами ), в типичной животной клетке. Органеллы:
(1) Ядрышко
(2) Ядро
(3) рибосома (маленькие точки)
(4) Везикула
(5) шероховатый эндоплазматический ретикулум (ER)
(6) Аппарат Гольджи
(7) Цитоскелет
(8) Гладкий эндоплазматический ретикулум
(9) Митохондрия
(10) Вакуоль
(11) Цитоплазма
(12) Лизосома
(13) Центриоль и Центросома

Нить ДНК с нуклеосомами образует нерегулярную соленоид-подобную структуру толщиной около 30 нанометров, так называемую 30 нм фибриллу . Дальнейшая упаковка этой фибриллы может иметь различную плотность. Если хроматин упакован плотно, его называют конденсированным или гетерохроматином , он хорошо видим под микроскопом. ДНК, находящаяся в гетерохроматине, не транскрибируется, обычно это состояние характерно для незначимых или молчащих участков. В интерфазе гетерохроматин обычно располагается по периферии ядра (пристеночный гетерохроматин). Полная конденсация хромосом происходит перед делением клетки. Если хроматин упакован неплотно, его называют эу- или интерхроматином . Этот вид хроматина гораздо менее плотный при наблюдении под микроскопом и обычно характеризуется наличием транскрипционной активности. Плотность упаковки хроматина во многом определяется модификациями гистонов - ацетилированием и фосфорилированием.

Считается, что в ядре существуют так называемые функциональные домены хроматина (ДНК одного домена содержит приблизительно 30 тысяч пар оснований), то есть каждый участок хромосомы имеет собственную «территорию». К сожалению, вопрос пространственного распределения хроматина в ядре изучен пока недостаточно. Известно, что теломерные (концевые) и центромерные (отвечающие за связывание сестринских хроматид в митозе) участки хромосом закреплены на белках ядерной ламины.

Ядерная оболочка, ядерная ламина и ядерные поры (кариолемма)

От цитоплазмы ядро отделено ядерной оболочкой , образованной за счёт расширения и слияния друг с другом цистерн эндоплазматической сети таким образом, что у ядра образовались двойные стенки за счёт окружающих его узких компартментов. Полость ядерной оболочки называется люменом или перинуклеарным пространством . Внутренняя поверхность ядерной оболочки подстилается ядерной ламиной, жёсткой белковой структурой, образованной белками-ламинами, к которой прикреплены нити хромосомной ДНК. Ламины прикрепляются к внутренней мембране ядерной оболочки при помощи заякоренных в ней трансмембранных белков - рецепторов ламинов . В некоторых местах внутренняя и внешняя мембраны ядерной оболочки сливаются и образуют так называемые ядерные поры, через которые происходит материальный обмен между ядром и цитоплазмой. Пора не является дыркой в ядре, а имеет сложную структуру, организованную несколькими десятками специализированных белков - нуклеопоринов. Под электронным микроскопом она видна как восемь связанных между собой белковых гранул с внешней и столько же с внутренней стороны ядерной оболочки.

Под электронным микроскопом в ядрышке выделяют несколько субкомпартментов. Так называемые Фибриллярные центры окружены участками плотного фибриллярного компонента , где и происходит синтез рРНК. Снаружи от плотного фибриллярного компонента расположен гранулярный компонент , представляющий собой скопление созревающих рибосомных субчастиц.