ЯДРО термин ядро впервые был применен Брауном

ЯДРО

термин «ядро» впервые был применен Брауном в 1833 г. Ядро - важнейшая составляющая клетки, содержащая наследственный материал - ДНК. Поэтому в соматических клетках оно выполняет 2 ключевые функции: n 1. сохраняет наследственный материал для передачи дочерним клеткам (образующимся при делении исходной); n 2. обеспечивает использование информации ДНК в самой клетке - в том объёме, в каком это необходимо данной клетке при данных условиях.

Морфология

n ДНК каждой клетки содержит следующую информацию: n - о первичной структуре (последовательности аминокислот) всех белков всех клеток организма (исключение - некоторые белки митохондрий, кодируемые митохондриальной ДНК), n - о первичной структуре (последовательности нуклеотидов) примерно 60 видов транспортных РНК и 5 видов рибосомных РНК, n - о программе использования данной информации в разных клетках в разные моменты онтогенеза.

Процессы происходящие в ядре n ключевая функция ядра (использование информации ДНК для обеспечения клеточной жизнедеятельности) реализуется за счёт того, что в нём проходят n - транскрипция определённых участков ДНК (синтез пре-м. РНК), n - созревание м. РНК, n - синтез и созревание т. РНК и р. РНК. n Кроме того, в ядре n -формируются субъединицы рибосом (из р. РНК и поступающих из цитоплазмы рибосомальных белков). n перед делением клетки (кроме второго деления мейоза) в ядре происходит репликация (удвоение) ДНК, причём в дочерних молекулах ДНК одна из цепей является старой, а вторая - новой (синтезированной на первой по принципу комплементарности).

Структура ядра n 3 основных элемента: n - ядерная оболочка, n - глыбки хроматина, n - округлые ядрышки. n б) Другие компоненты ядра n - ядерный матрикс и n - ядерный сок - формируют ту среду, в которой находятся хроматин и ядрышко.

Ядерная мембрана

Роль ядерной оболочки в ядерноцитоплазматическом обмене n n n Регулятор в ядерно-цитоплазматическом обмене. В этом процессе комплекс ядерной поры выступает как супрамолекулярный комплекс, выполняющий роль транслокатора, и сортировщика. 1. Ядерные поры пропускают частицы определенного размера пассивно, по градиенту концентрации. Ионы, нуклеотиды, АТФ, гормоны - свободно поступают в ядра. 2. Через ядерную оболочку беспрепятственно в обе стороны происходит пассивный транспорт высоко молекулярных соединений, имеющих массу не более 5 х 103 дальтон. 3. С другой стороны ядерные поры осуществляют избирательный транспорт. Многие белки поступают как в ядро, так и выходят из него против градиента концентраций (гистоны). 4. многие ядерные белки проходят через ядерные поры с помощью специальных механизмов, включающих узнавание и связывание крупных ядерных белков, а затем только их транслокацию, перенос через поры.

Особенности строения n 1. Наличие двух мембран. n Ядерная оболочка образована не одной, а двумя мембранами - внешней (1) и внутренней (2), - которые разделены перинуклеарным пространством (3). n В результате ядерная оболочка образует полый двуслойный мешок.

2. Ядерный поровый комплекс (ЯПК или NPC - nuclear pore complex) структура с молекулярным весом более 125 х106 Да, состоящую из более 1000 белков. Белки ЯПК носят название нуклеопоринов 50100 видов. Диаметр около 100 нм.

n Комплекс включает: канал; - белковые гранулы, расположенные по периферии, - центральную белковую гранулу, которая связана фибриллами с периферическими гранулами. n Количество пор в ядерной оболочке тем больше, чем интенсивней идут в клетке синтетические процессы.

Ядерный матрикс n Внутренняя мембрана связана с фиброзным слоем, ядерной ламиной (Lamina nucleum limitans), которая, заякоривает хроматин на ядерной оболочке. n Фиброзный слой ламины все время перестраивается, особенно в связи с ростом поверхности ядра, во время клеточного цикла. n Ламины A, C и B - промежуточные филаменты, толщиной около 10 нм. Со стороны кариоплазмы под внутренней ядерной мембраной образуют ортогональные структуры, чередующиеся с рыхло расположенной сетью этих же фибрилл.

Ядерный сок (кариоплазма, кариолимфа, нуклеоплазма) n основная внутренняя среда ядра, заполняющее пространство между хроматином, ядрышком и другими структурами. Вязкость ядерного сока примерно такая же, как вязкость основного вещества цитоплазмы. n Кариоплазма имеет вид гомогенной или мелкозернистой массы с низкой электронной плотностью. Вода - 80 -85%

Содержит различные ферменты, нуклеотиды, аминокислоты и другие вещества, необходимые для обеспечения синтеза нуклеиновых кислот и субъединиц рибосом. Из простых белков (протеинов) в кариоплазме содержатся гистоны, протамины, альбумины и глобулины, а из протеидов - липопротеиды, глюкопротеиды и нуклеопротеиды. Большая часть белков относится к глобулярным, меньшая - к фибриллярным структурам.

Функции n связаны коллоидные свойства ядра, n роста n синтез ДНК, различных РНК и белка, n передача раздражения.

ДНК n На основании биохимических исследований и расчётов установлены следующие характеристики ядерной ДНК. n а) В ядре любой соматической клетке содержится 46 молекул ДНК разной длины - по одной молекуле в каждой из 46 хромосом n б) Средняя длина одной молекулы - 4 см (120. 000 нуклеотидных пар); всех вместе (в 1 ядре) - около 2 м. n в) Общая масса всей этой ДНК (в 1 ядре) - 5, 7 пг (5, 7 x 10 -12 г), во всех клетках организма человека - около 200 г.

Хроматин а) Хроматин занимает основную часть объёма ядра. б) Он представлен (1) тёмными (электроноплотными) глыбками - т. н. гетерохроматином (2) светлыми (электронопрозрачными) областями - эухроматином. в) Причём, глыбки гетерохроматина находятся, главным образом, на периферии ядра и прилежат к ядерной оболочке (3).

Состав хроматина n а) Весь хроматин в целом - это совокупность 46 хромосом (у человека). n б) Каждая из них представляет собой нуклеопротеидный комплекс - двухцепочечную молекулу ДНК, которая определённым образом связана с ядерными белками. n в) Содержание белков в хроматине по массе в 1, 31, 7 раза больше, чем ДНК. n г) Кроме того, в хроматине обнаруживается и-РНК (являющаяся продуктом транскрипции).

n Эухроматин - это функционально активные (участвующие в транскрипции) части хромосом, которые находятся в деконденсированном (диффузном) состоянии. n Гетерохроматин - функционально неактивные отделы, которые конденсированы, образуя глыбки. n При изменении состояния клетки или в процессе дифференцировки возможен переход части гетерохроматина в эухроматин и обратно (факультативный гетерохроматин(Х-хромосома в организме человека)).

n Конститутивный гетерохроматин генетически не активен, он не транскрибируется, реплицируется он позже всего остального хроматина, в его состав входит ДНК, с высокоповторяющимися последовательностями нуклеотидов; он локализован в центромерных, теломерных зонах митотических хромосом. n Доля конститутивного хроматина может быть неодинакова. У млекопитающих на него приходится 10 -15% всего генома, у амфибий –до 60%. Функциональное значение структуризация интерфазного ядра, с некоторыми регуляторными функциями.

1. чем больше в ядре доля гетерохроматина, тем ниже функциональная активность ядра 2. а) в ядре нервной клетки (I) гетерохроматина очень мало - ядро и клетка в целом функционально очень активны. б) в лимфоците (II) наблюдается преобладание гетерохроматина. Это вполне коррелирует с очень малым объёмом цитоплазмы, которая к тому же бедна органеллами. Данная клетка циркулирует в крови, и процессы синтеза РНК и белков идут в ней с небольшой скоростью.

n В среднем в хроматине около 40% приходится на ДНК и около 60 % на белки, среди которых специфические ядерные белки-гистоны, составляют от 40 до 80% от всех белков, входящих в состав выделенного хроматина. РНК, углеводы, липиды, гликопротеиды.

Гистоны n Эукариотические клетки содержат 5 -7 типов молекул гистонов n Н 1, H 2 A и H 2 B, Н 3 и Н 4 n гистоны H 3 и H 4 являются наиболее эволюционно консервативными n Гистон H 1 - класс белков, состоящих из нескольких близкородственных белков с перекрывающимися последовательностями аминокислот. Характерны межвидовые и межтканевые вариации.

Негистоновые белки n составляют около 20% от всех белков хроматина. Это сборная группа белков, отличающихся друг от друга как по общим свойствам, так и по функциональной значимости. n Во фракцию негистоновых белков может входить около 450 индивидуальных белков с различной молекулярной массой (5 -200 к. Д). n Среди негистоновых белков обнаруживается целый ряд регуляторных белков как стимулирующих инициацию транскрипции, так и ингибирующих ее, обнаружены белки специфически связывающиеся с определенными последовательностями на ДНК. К негистоновым белкам относят также ферменты, участвующие в метаболизме нуклеиновых кислот (ДНК-полимеразы, ДНКтопоизомеразы, метилазы ДНК и РНК, РНК-полимеразы, РНКазы и ДНКазы и т. д. ), белков хроматина (протеинкиназы, метилазы, ацетилазы, протеазы и др. ) и многие другие.

Уровни упаковки ДНК в хромосомах n Общая длина всей ДНК в ядрах клеток человека примерно n n n равна его среднему росту – 175 см, а диаметр ядра средней клетки составляет около 10 микрон. Это значит, что ДНК должна быть укорочена почти в миллион раз. Различают уровни упаковки (компактизации) ДНК в хромосомах: уровень нуклеосомы; ДНК укорачивается примерно в 7 раз уровень нуклеомера; в 6 раз уровень хромонемы; в сотни и даже многие тысячи раз уровень хроматиды; в 3 раза уровень хромосомы. в 90 раз

Первый уровень Спираль ДНК

Второй уровень - Нуклеосома n Благодаря гистонам, хроматин n n n имеет нуклеосомную организацию. при электронной микроскопии препаратов хроматина можно видеть, что нити хроматина представляли собой “бусы на нитке”: а) Основа каждой нуклеосомы глобула (около 10 нм) из 8 молекул гистонов (октамер). б) Двуцепочечная молекула ДНК последовательно "намотана" на огромное количество таких глобул, делая вокруг каждой из них 1, 75 оборота Каждая глобула, связана друг с другом отрезками ДНК длиной около 20 нм

n Октамер гистонов образует белковую основу-сердцевину (кор), по поверхности которой располагается ДНК величиной в 146 п. н. , образующая 1, 75 оборота; остальные 54 п. н. ДНК образуют участок, несвязанный с белками сердцевины - линкер, который, соединяя две соседние нуклеосомы, переходит в ДНК следующей нуклеосомы. Следовательно, полная нуклеосома содержит около 200 п. н. ДНК, октамер сердцевинных (коровых) гистонов и одну молекулу гистона H 1. Молекулярная масса полной нуклеосомы - 262000 Да. На весь гаплоидный геном человека (3 х 109 пар оснований) приходится 1, 5 х 107 нуклеосом.

Третий уровень – соленоидный или нуклеомерный (супербидный) n Нить плотно упакованных нуклеосом диаметром 10 нм образует спиральные витки с шагом спирали около 10 нм. На один виток приходится 6 нуклеосом. В результате такой упаковки возникает фибрилла спирального типа с центральной полостью, которая иногда на негативно окрашенных препаратах бывает видна как узкий «канал» в центре фибриллы. Гистон H 1 обеспечивает взаимодействие между соседними нуклеосомами, не только сближая и связывая их друг с другом, но и обеспечивая кооперативную связь нуклеосом так, что образуется довольно плотная спираль из 30 нм фибриллы.

n Соленоидный уровень укладки хроматина обеспечивает 40 кратное уплотнение ДНК, Второй уровень компактизации ДНК играет роль фактора, инактивирующего гены.

Четвертый уровень- Петлевые домены ДНК n Образование третьего уровня связано с негистоновыми белками. специфические белки связываются с особыми участками ДНК, которые в местах связывания образуют большие петли или домены. Этот уровень компактизации ДНК связаны не с ее дополнительной спирализацией, а с образованием поперечной петлистой структуры, идущей вдоль интерфазной или митотической хромосомы. n Количество петель в такой розетке может составлять 15 -80, а общая величина ДНК может достигать 200 т. п. н. , с суммарной длиной ДНК до 50 мкм. n Розетки фибрилл хроматина – хромомеры - приводят уже к 600 -кратной компактизации ДНК

Четвертый уровень n 300 нм-фибриллы дополнительно сворачиваются, образуя хроматиды диаметром примерно 600 -700 нм.

Пятый и шестой уровень – хроматидный и хромосомный Диаметр равен 1400 нм. Метафазная хромосома уже удвоена. Она состоит из двух хроматид. Каждая из них содержит одну молекулу ДНК. n Сюда входят белки ядерной ламины, серия белковых нитей, сопряженных с n ядерной оболочкой и пронизывающих n все ядро. n n Схема строения хромосомы в поздней профазе -метафазе митоза. 1 -хроматида; 2 -центромера; 3 - короткое плечо; 4 -длинное плечо

Ядрышко n а) Самая плотная структура ядра - это ядрышко, обычно имеющее округлую форму. n б) В ядре может содержаться несколько ядрышек.

Природа n Ядрышко - это производная от хроматина структура. n а) Оно формируется в связи с определёнными участками хромосом - т. н. ядрышковыми организаторами. б) Каждый такой организатор содержит несколько сотен копий генов рибосомной РНК. n а) На этих генах активно происходит синтез предшественников р. РНК. б) Последние тут же (в ядре) подвергаются созреванию и, связываясь с рибосомальными белками, образуют субъединицы рибосом (которые выходят из ядра в цитоплазму).

n Размер ядрышка отражает степень его функциональной активности, которая широко варьирует в различных клетках и может изменяться в индивидуальной клетке. n В ядрышке происходят транскрипция рибосомных генов, процессинг предшественников р. РНК и сборка прерибосомных частиц из рибосомных белков и р. РНК. Механизмы формирования ядрышка не ясны. В соответствии с одной

Ультраструктура ядрышка n Морфологически в ядрышке различают три основные зоны: фибриллярный центр , окруженный плотной фибриллярной и гранулярной областями.

n 1) слабоокрашивающийся компонент, содержащий ДНК из области ядрышкового организатора хромосомы. n Здесь локализованы гены р. РНК , РНКполимераза I , транскрипционный фактор UBF. n Является местом сборки регуляторных нуклеопротеиновых комплексов, необходимых для транскрипции генов р. РНК.

n 2) плотный фибриллярый компонент, состоящий из множества тонких (5 нм) рибонуклепротеиновых фибрилл, представляющих собой РНК-транскрипты Окружает центр ядрышка, представлен растущими цепями предшественников р. РНК и ассоциированными с ними белками, участвующими в процессинге.

n 3) гранулярный компонент, в состав которого входят частицы диаметром 15 нм, представляющие наиболее зрелые предшественники рибосомных частиц. n В гранулярной области ядрышка обнаруживают зрелые 28 S и 18 S р. РНК, частично процессированные РНК, а также продукты сборки рибосомных субчастиц.

n Предшественники рибосом представлены частицами диаметром 15 -20 нм. Перенос прерибосомных субчастиц к цитоплазме обеспечивают специфические белки, которые перемещаются от ядрышка к оболочке ядра.