Доклад: Структура и функции клеточного ядра. Строение и функции клеточного ядра реферат

Реферат Структура и функции клеточного ядра

РЕФЕРАТ

“Структура и функции ядра”

Студента Биологического Факультета

группы БХ-21

Михайличенко Михаила.

г. Харьков

1996

Говоря о клеточном ядре, мы имеем в виду собственно ядра эукариотических клеток. Их ядра построены сложным образом и довольно резко отличаются от “ядерных” образований, нуклеоидов, прокариотических организмов. У последних в состав нуклеоидов (ядроподобных структур) входит одиночная кольцевая молекула ДНК, практически лишенная белков. Иногда такую молекулу ДНК бактериальных клеток называют бактериальной хромосомой, или генофором (носителем генов). Бактериальная хромосома не отделена мембранами от основной цитоплазмы, однако собрана в компактную ядерную зону - нуклеоид, который можно видеть в световом микроскопе после специальных окрасок.

Сам термин “ядро” впервые был применен Броуном в 1833 г. Для обозначения шаровидных постоянных структур в клетках растений. Позднее такую же структуру описали во всех клетках высших организмов.

Клеточное ядро обычно одно на клетку (есть примеры многоядерных клеток), состоит из ядерной оболочки, отделяющей его от цитоплазмы, хроматина, ядрышка, кариоплазмы (или ядерного сока) (рис). Эти четыре основных компонента встречаются практически во всех неделящихся клетках эукариоти-ческих одно- и многоклеточных организмов.

Ядра имеют обычно шаровидную или яйцевидную форму; диаметр первых равен приблизительно 10 мкм, а длина вторых - 20 мкм.

Ядро необходимо для жизни клетки, поскольку именно оно регулирует всю ее активность. Связано это с тем, что ядро несет в себе генетическую (наследственную) информацию, заключенную в ДНК.

Ядерная оболочка

Эта структура характерна для всех эукариотических клеток. Ядерная оболочка состоит из внешней и внутренней мембран, разделенных перинуклеарным пространством шириной от 20 до 60 нм. В состав ядерной оболочки входят ядерные поры.

Мембраны ядерной оболочки в морфологическом отношении не отличаются от остальных внутриклеточных мембран: они имеют толщину около 7 нм и состоят из двух осмиофильных слоев.

В общем виде ядерная оболочка может быть представлена, как полый двухслойный мешок, отделяющий содержимое ядра от цитоплазмы. Из всех внутриклеточных мембранных компонентов таким типом расположения мембран обладают только ядро, митохондрии и пластиды. Однако ядерная оболочка имеет характерную особенность, отличающую ее от других мембранных структур клетки. Это наличие особых пор в оболочке ядра, которые образуются за счет многочисленных зон слияний двух ядерных мембран и представляет собой как бы округлые перфорации всей ядерной оболочки.

Строение ядерной оболочки

Внешняя мембрана ядерной оболочки, непосредственно контактирующая с цитоплазмой клетки, имеет ряд сруктурных особенностей, позволяющих отнести ее к собственно мембранной системе эндоплазматического ретикулума. Так, на внешней ядерной мембране обычно располагается большое количество рибосом. У большинства животных и растительных клеток внешняя мембрана ядерной оболочки не представляет собой идеально ровную поверхность - она может образовывать различной величины выпячивания или выросты в сторону цитоплазмы.

Внутренняя мембрана контактирует с хромосомным материалом ядра (см. Ниже).

Наиболее характерной и бросающейся в глаза структурой в ядерной оболочке является ядерная пора. Поры в оболочке образуются за счет слияния двух ядерных мембран в виде округлых сквозных отверстий или перфораций с диаметром 80-90 нм. Округлое сквозное отверстие в ядерной оболочке заполнено сложноорганизованными глобулярными и фибриллярными структурами. Совокупность мембранных перфораций и этих структур называют комплексом пор ядра. Тем самым подчеркивается, что ядерная пора не просто сквозная дыра в ядерной оболочке, через которую непосредственно вещества ядра и цитоплазмы могут сообщаться.

Сложный комплекс пор имеет октагональную симметрию. По границе округлого отверстия в ядерной оболочке располагаются три ряда гранул, по 8 штук в каждом: один ряд лежит со стороны ядра, другой - со стороны цитоплазмы, третий расположен в центральной части пор. Размер гранул около 25 нм. От этих гранул отходят фибриллярные отростки. Такие фибриллы, отходящие от периферических гранул, могут сходиться в центре и создавать как бы перегородку, диафрагму, поперек поры. В центре отверстия часто можно видеть так называемую центральную гранулу.

Число ядерных пор зависит от метаболической активности клеток: чем выше синтетические процессы в клетках, тем больше пор на единицу поверхности клеточного ядра.

Количество ядерных пор в различных объектах

Объект	Число ядерных пор на мкм2	Число пор на одно ядро
Ксенопус, почки	10,05	3417
Ксенопус, ооцит	51,0	37,6*106
Крыса, гепатоцит	16,1	3816
Мышь, лимфоцит	3,3	403
Человек, лимфоцит	4,47	713

Химия ядерной оболочки

В составе ядерных оболочек обнаруживаются небольшие количества ДНК (0-8%), РНК (3-9%), но основными химическими компонентами являются липиды (13-35%) и белки (50-75%), что для всех клеточных мембран.

Состав липидов сходен с таковым в мембранах микросом или мембранах эндоплазматической сети. Ядерные оболочки характеризуются относительно низким содержанием холестерина и высоким - фосфолипидов, обогащенных насыщенными жирными кислотами.

Белковый состав мембранных фракций очень сложен. Среди белков обнаружен ряд ферментов, общих с ЭР (например, глюкозо-6-фосфатаза, Mg-зависимая АТФаза, глютамат-дегидрогеназа и др.) не обнаружена РНК-полимераза. Тут выявлены активности многих окислительных ферментов (цитохромоксидазы, НАДН-цитохром-с-редуктазы) и различных цитохромов.

Среди белковых фракций ядерных мембран встречаются основные белки типа гистонов, что объясняется связью участков хроматина с ядерной оболочкой.

Ядерная оболочка и ядерно-цитоплазматический обмен

Ядерная оболочка - система, разграничивающая два основных клеточных отсека: цитоплазму и ядро. Ядерные оболочки полностью проницаемы для ионов, для веществ малого молекулярного веса, таких, как сахара, аминокислоты, нуклеотиды. Считается, что белки молекулярного веса до 70 тыс. И размером не больше 4,5 нм могут свободно диффундировать через оболочку.

Известен и обратный процесс - перенос веществ из ядра в цитоплазму. Это в первую очередь касается транспорта РНК синтезируещегося исключительно в ядре.

Еще один путь транспорта веществ из ядра в цитоплазму связан с образованием выростов ядерной оболочки, которые могут отделяться от ядра в виде вакуолей, содержимое их затем изливается или выбрасывается в цитоплазму.

* * *

Таким образом, из многочисленных свойств и функциональных нагрузок ядерной оболочки следует подчеркнуть ее роль как барьера, отделяющего содержимое ядра от цитоплазмы, ограничивающего свободный доступ в ядро крупных агрегатов биополимеров, барьера, активно регулирующего транспорт макромолекул между ядром и цитоплазмой.

Одной из основных функций ядерной оболочки следует считать также ее участие в создании внутриядерного порядка, в фиксации хромосомного материала в трехмерном пространстве ядра.

Ядерный матрикс

Этот комплекс не представляет собой какую-то чистую фракцию, сюда входят компоненты и ядерной оболочки, и ядрышка, и кариоплазмы. С ядерным матриксом оказались связаны как гетерогенная РНК, так и часть ДНК. Эти наблюдения дали основание считать, что матрикс ядра играет важную роль не только в поддержании общей структуры интерфазного ядра, но и может участвовать в регуляции синтеза нуклеиновых кислот.

Хроматин

При наблюдении некоторых живых клеток, особенно растительных или же клеток после фиксации и окраски, внутри ядра выявляются зоны плотного вещества. В состав хроматина входит ДНК в комплексе с белком. В интерфазных клетках хроматин может равномерно заполнять объем ядра или же располагаться отдельными сгустками (хромоцентры). Часто он особенно четко выявляется на периферии ядра (пристеночный, примембранный хроматин) или образует внутри ядра переплетения довольно толстых (около 0.3 мкм) и длинных тяжей, образующих подобие внутриядерной цепи.

Хроматин интерфазных ядер представляет собой несущие ДНК тельца (хромосомы), которые теряют в это время свою компактную форму, разрыхляются, деконденсируются. Степень такой деконденсации хромосом может быть различной в ядрах разных клеток. Когда хромосома или ее участок полностью деконденсирован, тогда эти зоны называют диффузным хроматином. При неполном разрыхлении хромосом в интерфазном ядре видны участки конденсированного хроматина (иногда называемого гетерохроматин). Показано, что степень деконденсации хромосомного материала в интерфазе может отражать функциональную нагрузку этой структуры. Чем более диффузен хроматин интерфазного ядра, тем выше в нем синтетические процессы. Падение синтеза РНК в клетках обычно сопровождается увеличением зон конденсированного хроматина.

Максимально конденсирован хроматин во время митотического деления клеток, когда он обнаруживается в виде плотных телец - хромосом. В этот период хромосомы не несут никаких синтетических нагрузок, в них не происходит включение предшественников ДНК и РНК.

Исходя из этого можно считать, что хромосомы клеток могут находиться в двух структурно-функциональных состояниях:

в рабочем, частично или полностью деконденсированном, когда с их участием в интерфазном ядре происходят процессы транскрипции и редупликации;
в неактивном - в состоянии метаболического покоя при максимальной их конденсированности, когда они выполняют функцию распределения и перенося генетического материала в дочерние клетки.

В химическом отношении препараты хроматина представляют собой сложные комплексы дезоксирибонуклеопротеидов, в состав которых входит ДНК и специальные хромосомные белки - гистоны. В составе хроматина обнаружено также РНК. В количественном отношении ДНК, белок и РНК находятся как 1:1,3:0,2. О значении РНК в составе хроматина еще нет достаточно однозначных данных. Возможно, что эта РНК представляет собой сопутствующую препарату функцию синтезирующейся РНК и поэтому частично связанной с ДНК или это особый вид РНК, характерный для структуры хроматина.

ДНК хроматина

В препарате хроматина на долю ДНК приходится обычно 30-40%. Эта ДНК представляет собой двухцепочечную спиральную молекулу. ДНК хроматина обладает молекулярной массой 7-9*106. Такую сравнительно малую массу ДНК из препаратов можно объяснить механическими повреждениями ДНК в процессе выделения хроматина.

Общее количество ДНК, входящее в ядерные структуры клеток, в геном организмов, колеблется от вида к виду. Сравнивая количество ДНК на клетку у эукариотических организмов, трудно уловить какие-либо корреляции между степенью сложности организма и количеством ДНК на ядро. Примерно одинаковое количество ДНК имеют различные организмы, как лен, морской еж, окунь (1,4-1,9 пг) или рыба голец и бык (6,4 и 7 пг).

У некоторых амфибий в ядрах количество ДНК больше, чем в ядрах человека, в 10-30 раз, хотя генетическая конституция человека несравненно сложнее, чем у лягушек. Следовательно, можно предполагать, что “избыточное” количество ДНК у более низко организованных организмов либо не связано с выполнением генетической роли, либо число генов повторяется то или иное число раз.

Сателлитная ДНК, или фракция ДНК с часто повторяющимися последовательностями, может участвовать в узнавании гомологичных районов хромосом при мейозе. По другим предположениям, эти участки играют роль разделителей (спейсеров) между различными функциональными единицами хромосомной ДНК.

Как оказалось, фракция умеренно повторяющихся (от 102 до 105 раз) последовательностей принадлежит к пестрому классу участков ДНК, играющих важную роль в обменных процессах. В эту фракцию входят гены рибосомных ДНК, многократно повторенные участки для синтеза всех тРНК. Более того, некоторые структурные гены, ответственные за синтез определенных белков, также могут быть многократно повторены, представлены многими копиями (гены для белков хроматина - гистонов).

Итак, ДНК эукариотических клеток гетерогенна по составу, содержит несколько классов последовательностей нуклеотидов:

часто повторяющиеся последовательности (>106 раз), входящие во фракцию сателитной ДНК и не транскрибирующиеся;
фракция умеренно повторяющихся последовательностей (102-105), представляющих блоки истинных генов, а также короткие последовательности, разбросанные по всему геному;
фракция уникальных последовательностей, несущая информацию для большинства белков клетки.

ДНК прокариотического организма представляет собой одну гигантскую циклическую молекулу. ДНК эукариотических хромосом представляет собой линейные молекулы, состоящие из тандемно (друг за другом) расположенных репликонов разного размера. Средний размер репликона около 30 мкм. Тем самым в составе генома человека должно встречаться более 50 000 репликонов, участков ДНК, которые синтезируются как независимые единицы. Эти репликоны имеют начальную и терминальную точки синтеза ДНК.

Представим себе, что у эукариотических клеток каждая из хромосомных ДНК, как и у бактерий, является одним репликоном. В этом случае при скорости синтеза 0,5 мкм в минуту (для человека) редупликация первой хромосомы с длиной ДНК около 7 см должна занять 140 000 минут, или около трех месяцев. На самом же деле благодаря полирепликонному строению молекул ДНК весь процесс занимает 7-12 ч.

Белки хроматина

К ним относятся гистоны и негистоновые белки.

Гистоны - сильноосновные белки. Их щелочность связана с их обогащенностью основными аминокислотами (главным образом лизином и аргинином). Эти белки не содержат триптофана. Препарат суммарных гистонов можно разделить на 5 фракций:

Н1 (от английского histone) - богатый лизином гистон, мол. Масса 2100;

Н2а - умеренно богатый лизином гистон, масса 13 700;

Н2б - умеренно богатый лизином гистон, масса 14 500;

Н4 - богатый аргинином гистон, масса 11 300;

Н3 - богатый аргинином гистон, масса 15 300.

В препаратах хроматина эти фракции гистонов обнаруживаются в приблизительно равных количествах, кроме Н1, которого примерно в 2 раза меньше любой из других фракций.

Для молекул гистонов характерно неравномерное распределение основных аминокислот в цепи: обогащенные положительно заряженными аминогруппами наблюдается на концах белковых цепей. Эти участки гистонов связываются с фосфатными группировками на ДНК, в то время как сравнительно менее заряженные центральные участки молекул обеспечивают их взаимодействие между собой. Таким образом, взаимодействие между гистонами и ДНК, приводящее к образованию дезоксирибонуклеопротеинового комплекса, носит ионный характер.

Гистоны синтезируются на полисомах в цитоплазме, этот синтез начинается несколько раньше редупликации ДНК. Синтезированные гистоны мигрируют из цитоплазмы в ядро, где и связываются с участками ДНК.

Функциональная роль гистонов не вполне ясна. Одно время считалось, что гистоны являются специфическими регуляторами активности ДНК хроматина, но одинаковость строения основной массы гистонов говорит о малой вероятности этого. Более очевидна структурная роль гистонов, которая обеспечивает не только специфическую укладку хромосомной ДНК, но и играет роль в регуляции транскрипции.

Негистоновые белки - наиболее плохо охарактеризованная фракция хроматина. Кроме ферментов, непосредственно связанных с хроматином (ферменты, ответственные за репарацию, редубликацию, транскрипцию и модификации ДНК, ферменты модификации гистонов и других белков), в эту фракцию входит множество других белков. Весьма вероятно, что часть негистоновых белков представляет собой специфические белки - регуляторы, узнающие определенные нуклеотидные последовательности в ДНК.

РНК хроматина составляет от 0,2 до 0,5% от содержания ДНК. Эта РНК представляет собой все известные клеточные типы РНК, находящиеся в процессе синтеза или созревания в связи с ДНК хроматина.

В составе хроматина могут быть обнаружены липиды до 1 % от весового содержания ДНК, их роль в структуре и функционировании хромосом остается неясной.

Хромосомы

Первичная степень укладки молекул ДНК - хромосомная фибрилла. Наблюдения за структурой хроматина с помощью электронного микроскопа показали, что в составе ядра на ультратонких срезах всегда видны фибриллярные элементы. Впервые их обнаружил Х. Рис (1957), который и дал им название элементарных хромосомных фибрилл.

Морфология хромосом

Морфологию хромосом лучше всего изучать в момент их наибольшей конденсации, в метафазе и в начале анафазы. Хромосомы животных и растений в этом состоянии представляют собой палочковидные структуры разной длины с довольно постоянной толщиной, у большей части хромосом удается легко найти зону первичной перетяжки, которая делит хромосому на два плеча (рис). Хромосомы с равными или почти равными плечами называют метацентрическими, с плечами неодинаковой длины - субметацентрическими. Палочковидные хромосомы с очень коротким, почти незаметным вторым плечом - акроцентрические.

В области первичной перетяжки расположена центромера, или кинетохор. Это пластинчатая структура, имеющая форму диска. Она связана тонкими фибриллами с телом хромосомы в области перетяжки. От него отрастают пучки микротрубочки митотического веретена, идущие в направлении к центриолям. Они принимают участие в движении хромосом к полюсам клетки при митозе.

Обычно одна хромосома имеет только одну центромеру (моноцентрические хромосомы), но могут встречаться хромосомы дицентрические и полицентрические.

Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку. Последняя обычно расположена вблизи дистального конца хромосомы и отделяет маленький участок, спутник. Вторичные перетяжки называют, кроме того, ядрышковыми организаторами, так как именно на этих участках хромосом в интерфазе происходит образование ядрышка. Здесь же локализована ДНК, ответственная за синтез рРНК.

Плечи хромосом оканчиваются теломерами, конечными участками. Теломерные концы хромосом не способны соединяться с другими хромосомами или их фрагментами, в отличие от концов хромосом, лишенных теломерных участков, которые могут присоединяться к таким же разорванным концам других хромосом.

Размеры хромосом у разных организмов варьируют в широких пределах. Так, длина хромосом может колебаться от 0,2 до 50 мкм. Самые мелкие хромосомы обнаруживаются у некоторых простейших, грибов. Наиболее длинные - у некоторых прямокрылых насекомых, у амфибий и у лилейных. Длина хромосом человека находится в пределах 1,5-10 мкм.

Число хромосом у различных объектов тоже значительно колеблется, но характерно для каждого вида. У некоторых радиолярий число хромосом достигает 1000-1600. Рекордсменом среди растений по числу хромосом (около 500) является папоротник ужовник, 308 хромосом у тутового дерева, у речного рака 196 хромосом. Наименьшее количество хромосом (2 на диплоидный набор) наблюдается у одной из рас аскариды, у сложноцветного Haplopappus gracilic - всего 4 хромосомы (2 пары).

Совокупность числа, величины, величины и морфологии хромосом называется кариотипом данного вида. Даже у близких видов хромосомные наборы отличаются друг от друга или по числу хромосом, или по величине хотя бы одной или нескольких хромосом. Следовательно, структура кариотипа может быть таксономическим признаком.

Ядрышко

Практически во всех живых клетках эукариотических организмов в ядре видно одно или несколько обычно округлой формы тельц, сильно преломляющих свет, - это ядрышки, или нуклеолы.

Ядрышко - не самостоятельная структура или органоид. Оно - производное хромосомы, один из ее локусов, активно функционирующий в интерфазе.

В процессах синтеза клеточных белков ядрышко клетки является местом образования рибосомных РНК и рибосом, на которых происходит синтез полипептидных цепей.

Количество ядрышек в клетке

Начиная с зеленых водорослей, грибов и низших простейших и кончая высшими организмами, все клетки имеют обязательные внутриядерные структуры - ядрышки. Это правило имеет большое число исключений, которые только подчеркивают важность и необходимость ядрышка в жизненном цикле клетки. К таким исключениям относятся клетки дробящихся яиц, где ядрышки отсутствуют на ранних этапах эмбриогенеза, или клетки закончившие развитие и необратимо специализировавшиеся, например, некоторые клетки крови.

Количество ядрышек в клетке может меняться, однако их число на ядро зависит от генного баланса клетки. Было найдено, что в образовании ядрышек участвуют определенные места некоторых хромосом, связь которых с ядрышком можно хорошо проследить в телофазе и профазе. Такие хромосомы, как правило, имеют вторичные перетяжки, зоны которых представляют собой места, где идет развитие ядрышек. Мак Клинток (1934) назвал эти участки хромосом “ядрышковыми организаторами”.

Места вторичных перетяжек особенно характерны для расположения ядрышковых организаторов, но последние иногда могут находиться на концах хромосом или в нескольких местах по длине хромосомы.

Общее число ядрышек на ядро определяется числом ядрышковых организаторов и увеличивается согласно плоидности ядра. Однако часто количество ядрышек на ядро бывает меньше числа ядрышковых организаторов. Было показано, что ядрышки могут сливаться; кроме того, в образовании одного ядрышка иногда участвует несколько организаторов.

Еще в работах М.С.Навашина (1934) было показано, что хромосомный локус, который в нормальных условиях образует крупное ядрышко, становится неактивным, когда после гибридизации в ядре появляется более “сильный” локус на другой хромосоме. Тот факт, что в определенных условиях может подавляться активность одних ядрышковых организаторов или же повышаться активность других, бывших до этого в латентном, скрытом состоянии, указывает на то, что в клетках поддерживается определенный баланс количества ядрышкового материала или, другими словами, регулируется “валовая” продукция, выдаваемая ядрышками.

Исходя из перечисленных выше фактов, можно сделать следующие заключения:

образования ядрышек и их число связаны с активностью определенных участков хромосом - ядрышковых организаторов, которые расположены большей частью в зонах вторичных перетяжек;
изменения в числе ядрышек в клетках данного типа могут происходить за счет слияния ядрышек или за счет сдвигов в хромосомном балансе клетки.

Физиология и химия ядрышка

Ядрышко по сравнению с другими компонентами клетки характеризуется как самая плотная структура с наиболее высокой концентрацией РНК, с чрезвычайно высокой активностью в отношении синтеза РНК.

Концентрация РНК в ядрышках всегда выше концентрации РНК в других компонентах клетки, так концентрация РНК в ядрышке может быть в 2-8 раз выше, чем в ядре, и в 1-3 раза выше, чем в цитоплазме. Отношение концентрации РНК в ядре, ядрышке и цитоплазме клеток печени мыши составляет 1:7,3:4,1, в клетках поджелудочной железы - 1:9,6:6,6.

В ядрышке не обнаруживается ДНК, но все же при исследовании фиксированных клеток вокруг ядрышка всегда выделяется зона хроматина. Этот околоядрышковый хроматин, по данным электронной микроскопии, представляется, как интегральная часть сложной структуры ядрышка.

Ядрышко - одно из самых активных мест в клетке по включению предшественников в РНК. Ядрышковая РНК является предшественником цитоплазматической РНК.

Цитоплазматическая РНК синтезируется в ядрышке.

РНК ядрышек

Оценивая общее содержание в ядрышковых фракциях белков, РНК и ДНК, можно видеть, что на долю РНК приходится около 10% всей массы ядрышка.

Содержание РНК, ДНК и белка в изолированных ядрышках (сухой вес в %)

Объект	РНК	ДНК	Белок	РНК/ДНК
Печень крысы	11,0	8,0	78,0	1,4
Регенерирующая печень (6 ч)	7,6	4,6	87,8	1,7
Регенерирующая печень (18 ч)	15,5	5,4	79,1	2,9
Печень морской свинки	4,1	9,5	86,4	0,43
Стебель гороха (4 дня)	15,11	10,6	74,0	1,5
Проростки гороха (36 ч)	16,7	6,4	76,9	2,6

Так как основную массу цитоплазматической РНК составляет рибосомная РНК, то можно сказать, что ядрышковая РНК принадлежит к этому классу.

Подтверждением представлений того, что именно ядрышко является местом синтеза рРНК и образования рибосом, послужило то, что из ядрышковых препаратов были выделены РНП-частицы, которые как по составу РНК (по седиментационным свойствам), так и по размеру можно охарактиризовать как рибосомы или их предшественники с различными коэффициентами седиментации.

ДНК ядрышек

Биохимическими исследованиями обнаружено в выделенных ядрышках определенное количество ДНК, которую можно отождествить с околоядрышковым хроматином или с ядрышковыми организаторами хромосом. Содержание ДНК в выделенных ядрышках - 5-12% от сухого веса и 6-17% от всей ДНК ядра.

ДНК ядрышкового организатора - это та самая ДНК, на которой происходит синтез ядрышковой, т.е. рибосомной, РНК.

Таким образом из биохимических работ появились представления о том, что в ядрышке на ДНК локализованы многочисленные одинаковые гены для синтеза рРНК. Синтез рРНК идет путем образования огромного предшественника и дальнейшего его превращения (созревания) в более короткие молекулы РНК для большой и малой субъедениц рибосом.

Изучая ядрышки ооцитов тритонов, исследователи столкнулись с интересным явлением - сверхчисленностью ядрышек. У X. laevis во время роста ооцита появляется до 1000 мелких ядрышек, не связанных с хромосомами. Именно эти ядрышки выделил О.Миллер. вместе с этим на ядро ооцита увеличивается количество рДНК. Это явление получило название амплификации. Оно заключается в том, что происходит сверхрепликация зоны ядрышкового организатора, многочисленные копии отходят от хромосом и становятся дополнительно работающими ядрышками. Такой процесс необходим для накопления огромного (1012) количества рибосом на яйцевую клетку, что обеспечит в будущем развитие эмбриона на ранних стадиях даже при отсутствии синтеза новых рибосом. Сверхчисленные ядрышки после созревания яйцевой клетки исчезают.

Ультраструктура ядрышек

При изучении большого числа различных клеток животных и растений отмечена волокнистая или сетчатая структура ядрышек, заключенная в более или менее плотную диффузную массу. Были предложены названия для этих частей: волокнистая часть - нуклеонема и диффузная, гомогенная часть - аморфное вещество, или аморфная часть. Сделанные почти одновременно с этим электронно-микроскопичес-кие исследования также выявили волокнисто-нитчатое строение ядрышек.

Однако такое нитчатое строение ядрышка не всегда четко выражено. У некоторых клеток отдельные нити нуклеонем сливаются, и ядрышки могут быть совершенно однородными.

При более пристальном изучении ядрышка можно заметить, что основные структурные компоненты ядрышка - плотные гранулы диаметром около 15 нм и тонкие фибриллы толщиной 4-8 нм. Во многих случаях (ооциты рыб и амфибий, меристематические клетки растений) фибриллярный компонент собран в плотную центральную зону (сердцевина), лишенную гранул, а гранулы занимают переферическую зону ядрышка. В ряде случаев (например, клетки корешков растений) в этой гранулярной зоне не наблюдается никакой дополнительной структуризации.

Было найдено, что аморфные участки ядрышек неоднородны. В их структуре выявляются малоокрашенные зоны - фибриллярные центры - и окружающие их более темные участки, тоже имеющие фибриллярное строение.

Кроме этих двух компонентов ядрышек в последнее время большое внимание уделялось строению околоядрышкового хроматина. Этот хроматин и внутриядрышковая сеть ДНК являются единой системой и представляют собой интегральный компонент ядрышка.

Гранулы и фибриллярная часть состоят из рибонуклеопротеидов.

Показано, что именно светлые фибриллярные центры содержат рДНК.

Судьба ядрышка при делении клеток

Известно, что ядрышко исчезает в профазе и появляется вновь в средней телофазе.

По мере затухания синтеза рРНК в средней профазе происходит разрыхление ядрышка и выход готовых рибосом в кариоплазму, а затем и в цитоплазму. При конденсации профазных хромосом фибриллярный компонент ядрышка и часть гранул тесно ассоциируют с их поверхностью, образуя основу матрикса митотических хромосом. Этот фибриллярно-гранулярный материал, синтезированный до митоза, переносится хромосомами в дочерние клетки.

В ранней телофазе по мере деконденсации хромосом происходит высвобождение компонентов матрикса. Его фибриллярная часть начинает собираться в мелкие многочисленные ассоциаты - предъядрышки, которые могут объединяться друг с другом. По мере возобновления синтеза РНК предъядрышки претерпевают перестройку, что выражается в появлении в их структуре гранул РНК, а затем в становлении дефинитивной формы нормально функционирующего ядрышка.

Роль ядра.

Ядро осуществляет две группы общих функций: одну, связанную собственно с хранением генетической информации, другую - с ее реализацией, с обеспечением синтеза белка.

В первую группу входят процессы, связанные с поддержанием наследственной информации в виде неизменной структуры ДНК. Эти процессы связаны с наличием так называемых репарационных ферментов, ликвидирующих спонтанные повреждения молекулы ДНК (разрыв одной из цепей ДНК, часть радиационных повреждений), что сохраняет строение молекул ДНК практически неизменным в ряду поколений клеток или организмов. Далее, в ядре происходит воспроизведение или редупликация молекул ДНК, что дает возможность двум клеткам получить совершенно одинаковые и в качественном и в количественном смысле объемы генетической информации. В ядрах происходят процессы изменения и рекомбинации генетического материала, что наблюдается во время мейоза (кроссинговер). Наконец, ядра непосредственно участвуют в процессах распределения молекул ДНК при делении клеток.

Другой группой клеточных процессов, обеспечивающихся активностью ядра, является создание собственно аппарата белкового синтеза. Это не только синтез, транскрипция на молекулах ДНК разных информационных РНК и рибосомных РНК. В ядре эукариотов происходит также образование субъедениц рибосом путем комплексирования синтезированных в ядрышке рибосомных РНК с рибосомными белками, которые синтезируются в цитоплазме и переносятся в ядро.

Таким образом, ядро представляет собой не только вместилище генетического материала, но и место, где этот материал функционирует и воспроизводится. Поэтому выпадение лил нарушение любой из перечисленных выше функций губительно для клетки в целом. Так нарушение репарационных процессов будет приводить к изменению первичной структуры ДНК и автоматически к изменению структуры белков, что непременно скажется на их специфической активности, которая может просто исчезнуть или измениться так, что не будет обеспечивать клеточные функции, в результате чего клетка погибает. Нарушения редупликации ДНК приведут к остановке размножения клеток или к появлению клеток с неполноценным набором генетической информации, что также губительно для клеток. К такому же результату приведет нарушение процессов распределения генетического материала (молекул ДНК) при делении клеток. Выпадение в результате поражения ядра или в случае нарушений каких-либо регуляторных процессов синтеза любой формы РНК автоматически приведет к остановке синтеза белка в клетке или к грубым его нарушениям.

Значение ядра как хранилища генетического материала и его главная роль в определении фенотипических признаков были установлены давно. Немецкий биолог Хаммерлинг одним из первых продемонстрировал важнейшую роль ядра. Он выбрал в качестве объекта своих экспериментов необычайно крупную одноклеточную (или неклеточную) морскую водоросль Acetabularia. Существует два близко родственных вида A. medierranea и A. crenulata, различающихся только по форме “шляпки”.

В ряде экспериментов, в том числе таких, в которых “шляпку” отделяли от нижней части “стебелька” (где находится ядро), Хаммерлинг показал, что для нормального развития шляпки необходимо ядро. В дальнейших экспериментах, в которых соединяли нижнюю часть, содержащую ядро одного вида с лишенным ядра стебельком другого вида, у таких химер всегда развивалась шляпка, типичная для того вида, которому принадлежит ядро.

При оценке этой модели ядерного контроля следует, однако, учитывать примитивность организма, использованного в качестве объекта. Метод пересадок был применен позднее в экспериментах, проведенных в 1952 г. двумя американскими исследователями, Бриггсом и Кингом, с клетками лягушки Rana pipenis. Эти авторы удаляли из неоплодотворенных яйцеклеток ядра и заменяли их ядрами из клеток поздней бластулы, уже проявлявших признаки дифференцировки. Во многих случаях из яиц реципиентов развивались нормальные взрослые лягушки.

Литература:

Свенсон К., Уэбстер П. “Клетка”. М., Мир, 1980.
Де Робертис Э. Новинский В., Саэс Ф. “Биология Клетки”. М., Мир, 1971
Ченцов Ю.С., Поляков В.Ю. “Ультраструктура клеточного ядра”. М., Наука, 1974
Зегнбуш П. “Молекулярная и клеточная биология”. М., Мир, т.1,2, 1982

При подготовке реферата были использованы материалы, полученные из Всемирной Биологической Сети (BIOSCI) посредством сети Internet.

nreferat.ru

Доклад - Структура и функции клеточного ядра

РЕФЕРАТ

“Структура ифункции ядра”

СтудентаБиологического Факультета

группыБХ-21

МихайличенкоМихаила.

г. Харьков

1996

Говоря о клеточном ядре, мы имеем в видусобственно ядра эукариотических клеток. Их ядра построены сложным образом идовольно резко отличаются от “ядерных” образований, нуклеоидов, прокариотическихорганизмов. У последних в состав нуклеоидов (ядроподобных структур) входит одиночнаякольцевая молекула ДНК, практически лишенная белков. Иногда такую молекулу ДНКбактериальных клеток называют бактериальнойхромосомой, или генофором (носителем генов). Бактериальная хромосома неотделена мембранами от основной цитоплазмы, однако собрана в компактную ядернуюзону — нуклеоид, который можновидеть в световом микроскопе после специальных окрасок.

Сам термин “ядро” впервые был примененБроуном в 1833 г. Для обозначения шаровидных постоянных структур в клеткахрастений. Позднее такую же структуру описали во всех клетках высших организмов.

Клеточное ядро обычно одно на клетку(есть примеры многоядерных клеток), состоит из ядерной оболочки, отделяющей егоот цитоплазмы, хроматина, ядрышка, кариоплазмы (или ядерного сока) (рис). Этичетыре основных компонента встречаются практически во всех неделящихся клеткахэукариоти-ческих одно- и многоклеточных организмов.

Ядра имеют обычно шаровидную илияйцевидную форму; диаметр первых равен приблизительно 10 мкм, а длина вторых — 20 мкм.

Ядро необходимо для жизни клетки,поскольку именно оно регулирует всю ее активность. Связано это с тем, что ядронесет в себе генетическую (наследственную) информацию, заключенную в ДНК.

Ядерная оболочка

Эта структура характерна для всехэукариотических клеток. Ядерная оболочка состоит из внешней и внутреннеймембран, разделенных перинуклеарнымпространством шириной от 20 до 60 нм. В состав ядерной оболочки входят ядерныепоры.

Мембраны ядерной оболочки вморфологическом отношении не отличаются от остальных внутриклеточных мембран:они имеют толщину около 7 нм и состоят из двух осмиофильных слоев.

В общем виде ядерная оболочка может бытьпредставлена, как полый двухслойный мешок, отделяющий содержимое ядра отцитоплазмы. Из всех внутриклеточных мембранных компонентов таким типомрасположения мембран обладают только ядро, митохондрии и пластиды. Однакоядерная оболочка имеет характерную особенность, отличающую ее от другихмембранных структур клетки. Это наличие особых пор в оболочке ядра, которыеобразуются за счет многочисленных зон слияний двух ядерных мембран ипредставляет собой как бы округлые перфорации всей ядерной оболочки.

Строение ядерной оболочки

Внешняя мембрана ядерной оболочки,непосредственно контактирующая с цитоплазмой клетки, имеет ряд сруктурныхособенностей, позволяющих отнести ее к собственно мембранной системе эндоплазматическогоретикулума. Так, на внешней ядерной мембране обычно располагается большоеколичество рибосом. У большинства животных и растительных клеток внешняямембрана ядерной оболочки не представляет собой идеально ровную поверхность — она может образовывать различной величины выпячивания или выросты в сторонуцитоплазмы.

Внутренняя мембрана контактирует схромосомным материалом ядра (см. Ниже).

Наиболее характерной и бросающейся вглаза структурой в ядерной оболочке являетсяядерная пора. Поры в оболочке образуются за счет слияния двух ядерныхмембран в виде округлых сквозных отверстий или перфораций с диаметром 80-90 нм.Округлое сквозное отверстие в ядерной оболочке заполнено сложноорганизованнымиглобулярными и фибриллярными структурами. Совокупность мембранных перфораций иэтих структур называют комплексом порядра. Тем самым подчеркивается, что ядерная пора не просто сквозная дыра вядерной оболочке, через которую непосредственно вещества ядра и цитоплазмымогут сообщаться.

Сложный комплекс пор имеет октагональнуюсимметрию. По границе округлого отверстия в ядерной оболочке располагаются триряда гранул, по 8 штук в каждом: один ряд лежит со стороны ядра, другой — состороны цитоплазмы, третий расположен в центральной части пор. Размер гранулоколо 25 нм. От этих гранул отходят фибриллярные отростки. Такие фибриллы,отходящие от периферических гранул, могут сходиться в центре и создавать как быперегородку, диафрагму, поперекпоры. В центре отверстия часто можно видеть так называемую центральную гранулу.

Число ядерных пор зависит отметаболической активности клеток: чем выше синтетические процессы в клетках,тем больше пор на единицу поверхности клеточного ядра.

Количество ядерных пор в различныхобъектах

Объект

Число ядерных пор на мкм2

Число пор на одно ядро

Ксенопус, почки

10,05

3417

Ксенопус, ооцит

51,0

37,6*106

Крыса, гепатоцит

16,1

3816

Мышь, лимфоцит

3,3

403

Человек, лимфоцит

4,47

713

Химия ядерной оболочки

В составе ядерных оболочекобнаруживаются небольшие количества ДНК (0-8%), РНК (3-9%), но основнымихимическими компонентами являются липиды (13-35%) и белки (50-75%), что длявсех клеточных мембран.

Состав липидов сходен с таковым вмембранах микросом или мембранах эндоплазматической сети. Ядерные оболочкихарактеризуются относительно низким содержанием холестерина и высоким — фосфолипидов,обогащенных насыщенными жирными кислотами.

Белковый состав мембранных фракций оченьсложен. Среди белков обнаружен ряд ферментов, общих с ЭР (например,глюкозо-6-фосфатаза, Mg-зависимая АТФаза, глютамат-дегидрогеназа и др.) необнаружена РНК-полимераза. Тут выявлены активности многих окислительныхферментов (цитохромоксидазы, НАДН-цитохром-с-редуктазы) и различных цитохромов.

Среди белковых фракций ядерных мембранвстречаются основные белки типа гистонов, что объясняется связью участковхроматина с ядерной оболочкой.

Ядерная оболочка и ядерно-цитоплазматическийобмен

Ядерная оболочка — система,разграничивающая два основных клеточных отсека: цитоплазму и ядро. Ядерныеоболочки полностью проницаемы для ионов, для веществ малого молекулярного веса,таких, как сахара, аминокислоты, нуклеотиды. Считается, что белки молекулярноговеса до 70 тыс. И размером не больше 4,5 нм могут свободно диффундировать черезоболочку.

Известен и обратный процесс — переносвеществ из ядра в цитоплазму. Это в первую очередь касается транспорта РНКсинтезируещегося исключительно в ядре.

Еще один путь транспорта веществ из ядрав цитоплазму связан с образованием выростов ядерной оболочки, которые могутотделяться от ядра в виде вакуолей, содержимое их затем изливается или выбрасываетсяв цитоплазму.

* * *

Таким образом, из многочисленных свойстви функциональных нагрузок ядерной оболочки следует подчеркнуть ее роль какбарьера, отделяющего содержимое ядра от цитоплазмы, ограничивающего свободныйдоступ в ядро крупных агрегатов биополимеров, барьера, активно регулирующеготранспорт макромолекул между ядром и цитоплазмой.

Одной из основных функций ядернойоболочки следует считать также ее участие в создании внутриядерного порядка, вфиксации хромосомного материала в трехмерном пространстве ядра.

Ядерный матрикс

Этот комплекс не представляет собойкакую-то чистую фракцию, сюда входят компоненты и ядерной оболочки, и ядрышка,и кариоплазмы. С ядерным матриксом оказались связаны как гетерогенная РНК, таки часть ДНК. Эти наблюдения дали основание считать, что матрикс ядра играетважную роль не только в поддержании общей структуры интерфазного ядра, но иможет участвовать в регуляции синтеза нуклеиновых кислот.

Хроматин

При наблюдении некоторых живых клеток,особенно растительных или же клеток после фиксации и окраски, внутри ядравыявляются зоны плотного вещества. В состав хроматина входит ДНК в комплексе сбелком. В интерфазных клетках хроматин может равномерно заполнять объем ядраили же располагаться отдельными сгустками (хромоцентры). Часто он особенночетко выявляется на периферии ядра (пристеночный, примембранный хроматин) илиобразует внутри ядра переплетения довольно толстых (около 0.3 мкм) и длинныхтяжей, образующих подобие внутриядерной цепи.

Хроматин интерфазных ядер представляетсобой несущие ДНК тельца (хромосомы), которые теряют в это время своюкомпактную форму, разрыхляются, деконденсируются. Степень такой деконденсациихромосом может быть различной в ядрах разных клеток. Когда хромосома или ееучасток полностью деконденсирован, тогда эти зоны называют диффузным хроматином. При неполном разрыхлении хромосом винтерфазном ядре видны участки конденсированногохроматина (иногда называемого гетерохроматин). Показано, что степеньдеконденсации хромосомного материала в интерфазе может отражать функциональнуюнагрузку этой структуры. Чем более диффузен хроматин интерфазного ядра, темвыше в нем синтетические процессы. Падение синтеза РНК в клетках обычно сопровождаетсяувеличением зон конденсированного хроматина.

Максимально конденсирован хроматин вовремя митотического деления клеток, когда он обнаруживается в виде плотныхтелец — хромосом. В этот период хромосомы не несут никаких синтетических нагрузок,в них не происходит включение предшественников ДНК и РНК.

Исходяиз этого можно считать, что хромосомы клеток могут находиться в двух структурно-функциональныхсостояниях:

Þ

в рабочем,частично или полностью деконденсированном, когда с их участием в интерфазномядре происходят процессы транскрипции и редупликации;

Þ

в неактивном — всостоянии метаболического покоя при максимальной их конденсированности, когдаони выполняют функцию распределения и перенося генетического материала вдочерние клетки.

В химическом отношении препаратыхроматина представляют собой сложные комплексы дезоксирибонуклеопротеидов, всостав которых входит ДНК и специальные хромосомные белки — гистоны. В составехроматина обнаружено также РНК. В количественном отношении ДНК, белок и РНК находятся как1:1,3:0,2. О значении РНК в составе хроматина еще нет достаточно однозначныхданных. Возможно, что эта РНК представляет собой сопутствующую препаратуфункцию синтезирующейся РНК и поэтому частично связанной с ДНК или это особыйвид РНК, характерный для структуры хроматина.

ДНК хроматина

В препарате хроматина на долю ДНКприходится обычно 30-40%. Эта ДНК представляет собой двухцепочечную спиральнуюмолекулу. ДНК хроматина обладает молекулярной массой 7-9*106. Такую сравнительномалую массу ДНК из препаратов можно объяснить механическими повреждениями ДНК впроцессе выделения хроматина.

Общее количество ДНК, входящее в ядерныеструктуры клеток, в геном организмов, колеблется от вида к виду. Сравниваяколичество ДНК на клетку у эукариотических организмов, трудно уловить какие-либокорреляции между степенью сложности организма и количеством ДНК на ядро.Примерно одинаковое количество ДНК имеют различные организмы, как лен, морскойеж, окунь (1,4-1,9 пг) или рыба голец и бык (6,4 и 7 пг).

У некоторых амфибий в ядрах количествоДНК больше, чем в ядрах человека, в 10-30 раз, хотя генетическая конституциячеловека несравненно сложнее, чем у лягушек. Следовательно, можно предполагать,что “избыточное” количество ДНК у более низко организованных организмов либо несвязано с выполнением генетической роли, либо число генов повторяется то илииное число раз.

Сателлитная ДНК, или фракция ДНК с частоповторяющимися последовательностями, может участвовать в узнавании гомологичныхрайонов хромосом при мейозе. По другим предположениям, эти участки играют рольразделителей (спейсеров) между различными функциональными единицами хромосомнойДНК.

Как оказалось, фракция умеренноповторяющихся (от 102 до 105 раз) последовательностейпринадлежит к пестрому классу участков ДНК, играющих важную роль в обменныхпроцессах. В эту фракцию входят гены рибосомных ДНК, многократно повторенныеучастки для синтеза всех тРНК. Более того, некоторые структурные гены,ответственные за синтез определенных белков, также могут быть многократноповторены, представлены многими копиями (гены для белков хроматина — гистонов).

Итак,ДНК эукариотических клеток гетерогенна по составу, содержит несколько классовпоследовательностей нуклеотидов:

Þ

частоповторяющиеся последовательности (>106 раз), входящие во фракциюсателитной ДНК и не транскрибирующиеся;

Þ

фракция умеренноповторяющихся последовательностей (102-105),представляющих блоки истинных генов, а также короткие последовательности,разбросанные по всему геному;

Þ

фракцияуникальных последовательностей, несущая информацию для большинства белковклетки.

ДНК прокариотического организмапредставляет собой одну гигантскую циклическую молекулу. ДНК эукариотическиххромосом представляет собой линейные молекулы, состоящие из тандемно (друг задругом) расположенных репликонов разного размера. Средний размер репликонаоколо 30 мкм. Тем самым в составе генома человека должно встречаться более 50000 репликонов, участков ДНК, которые синтезируются как независимые единицы.Эти репликоны имеют начальную и терминальную точки синтеза ДНК.

Представим себе, что у эукариотическихклеток каждая из хромосомных ДНК, как и у бактерий, является одним репликоном.В этом случае при скорости синтеза 0,5 мкм в минуту (для человека) редупликацияпервой хромосомы с длиной ДНК около 7 см должна занять 140 000 минут, или околотрех месяцев. На самом же деле благодаря полирепликонному строению молекул ДНКвесь процесс занимает 7-12 ч.

Белки хроматина

К ним относятся гистоны и негистоновыебелки.

Гистоны — сильноосновные белки. Их щелочность связана с их обогащенностью основными аминокислотами(главным образом лизином и аргинином). Эти белки не содержат триптофана.Препарат суммарных гистонов можно разделить на 5 фракций:

Н1 (от английского histone) — богатый лизином гистон, мол. Масса 2100;

Н2а — умеренно богатыйлизином гистон, масса 13 700;

Н2б — умеренно богатыйлизином гистон, масса 14 500;

Н4 — богатый аргининомгистон, масса 11 300;

Н3 — богатый аргининомгистон, масса 15 300.

В препаратах хроматина эти фракциигистонов обнаруживаются в приблизительно равных количествах, кроме Н1,которого примерно в 2 раза меньше любой из других фракций.

Для молекул гистонов характернонеравномерное распределение основных аминокислот в цепи: обогащенныеположительно заряженными аминогруппами наблюдается на концах белковых цепей.Эти участки гистонов связываются с фосфатными группировками на ДНК, в то времякак сравнительно менее заряженные центральные участки молекул обеспечивают ихвзаимодействие между собой. Таким образом, взаимодействие между гистонами иДНК, приводящее к образованию дезоксирибонуклеопротеинового комплекса, носитионный характер.

Гистоны синтезируются на полисомах вцитоплазме, этот синтез начинается несколько раньше редупликации ДНК.Синтезированные гистоны мигрируют из цитоплазмы в ядро, где и связываются сучастками ДНК.

Функциональная роль гистонов не вполнеясна. Одно время считалось, что гистоны являются специфическими регуляторамиактивности ДНК хроматина, но одинаковость строения основной массы гистоновговорит о малой вероятности этого. Более очевидна структурная роль гистонов,которая обеспечивает не только специфическую укладку хромосомной ДНК, но ииграет роль в регуляции транскрипции.

Негистоновыебелки — наиболее плохо охарактеризованная фракция хроматина. Кромеферментов, непосредственно связанных с хроматином (ферменты, ответственные зарепарацию, редубликацию, транскрипцию и модификации ДНК, ферменты модификациигистонов и других белков), в эту фракцию входит множество других белков. Весьмавероятно, что часть негистоновых белков представляет собой специфические белки- регуляторы, узнающие определенные нуклеотидные последовательности в ДНК.

РНК хроматина составляет от 0,2 до 0,5%от содержания ДНК. Эта РНК представляет собой все известные клеточные типы РНК,находящиеся в процессе синтеза или созревания в связи с ДНК хроматина.

В составе хроматина могут бытьобнаружены липиды до 1 % от весового содержания ДНК, их роль в структуре ифункционировании хромосом остается неясной.

Хромосомы

Первичная степень укладки молекул ДНК — хромосомная фибрилла. Наблюдения за структурой хроматина с помощью электронногомикроскопа показали, что в составе ядра на ультратонких срезах всегда видныфибриллярные элементы. Впервые их обнаружил Х. Рис (1957), который и дал имназвание элементарных хромосомных фибрилл.

Морфология хромосом

Морфологию хромосом лучше всего изучатьв момент их наибольшей конденсации, в метафазе и в начале анафазы. Хромосомыживотных и растений в этом состоянии представляют собой палочковидные структурыразной длины с довольно постоянной толщиной, у большей части хромосом удаетсялегко найти зону первичной перетяжки,которая делит хромосому на два плеча(рис). Хромосомы с равными или почти равными плечами называют метацентрическими, с плечаминеодинаковой длины — субметацентрическими. Палочковидные хромосомы с оченькоротким, почти незаметным вторым плечом — акроцентрические.

В области первичной перетяжкирасположена центромера, или кинетохор. Это пластинчатая структура, имеющаяформу диска. Она связана тонкими фибриллами с телом хромосомы в областиперетяжки. От него отрастают пучки микротрубочки митотического веретена, идущиев направлении к центриолям. Они принимают участие в движении хромосом к полюсамклетки при митозе.

Обычно одна хромосома имеет только однуцентромеру (моноцентрические хромосомы), но могут встречаться хромосомыдицентрические и полицентрические.

Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку. Последняя обычнорасположена вблизи дистального конца хромосомы и отделяет маленький участок,спутник. Вторичные перетяжки называют, кроме того, ядрышковыми организаторами,так как именно на этих участках хромосом в интерфазе происходит образованиеядрышка. Здесь же локализована ДНК, ответственная за синтез рРНК.

Плечи хромосом оканчиваются теломерами,конечными участками. Теломерные концы хромосом не способны соединяться сдругими хромосомами или их фрагментами, в отличие от концов хромосом, лишенныхтеломерных участков, которые могут присоединяться к таким же разорванным концамдругих хромосом.

Размеры хромосом у разных организмовварьируют в широких пределах. Так, длина хромосом может колебаться от 0,2 до 50мкм. Самые мелкие хромосомы обнаруживаются у некоторых простейших, грибов.Наиболее длинные — у некоторых прямокрылых насекомых, у амфибий и у лилейных.Длина хромосом человека находится в пределах 1,5-10 мкм.

Число хромосом у различных объектов тожезначительно колеблется, но характерно для каждого вида. У некоторых радиолярийчисло хромосом достигает 1000-1600. Рекордсменом среди растений по числухромосом (около 500) является папоротник ужовник, 308 хромосом у тутовогодерева, у речного рака 196 хромосом. Наименьшее количество хромосом (2 надиплоидный набор) наблюдается у одной из рас аскариды, у сложноцветного Haplopappus gracilic — всего 4 хромосомы(2 пары).

Совокупность числа, величины, величины иморфологии хромосом называется кариотипомданного вида. Даже у близких видов хромосомные наборы отличаются друг от другаили по числу хромосом, или по величине хотя бы одной или нескольких хромосом.Следовательно, структура кариотипа может быть таксономическим признаком.

Ядрышко

Практически во всех живых клеткахэукариотических организмов в ядре видно одно или несколько обычно округлойформы тельц, сильно преломляющих свет, — это ядрышки, или нуклеолы.

Ядрышко — не самостоятельная структураили органоид. Оно — производное хромосомы, один из ее локусов, активнофункционирующий в интерфазе.

В процессах синтеза клеточных белковядрышко клетки является местом образования рибосомных РНК и рибосом, на которыхпроисходит синтез полипептидных цепей.

Количество ядрышек в клетке

Начиная с зеленых водорослей, грибов инизших простейших и кончая высшими организмами, все клетки имеют обязательныевнутриядерные структуры — ядрышки. Это правило имеет большое число исключений,которые только подчеркивают важность и необходимость ядрышка в жизненном циклеклетки. К таким исключениям относятся клетки дробящихся яиц, где ядрышкиотсутствуют на ранних этапах эмбриогенеза, или клетки закончившие развитие инеобратимо специализировавшиеся, например, некоторые клетки крови.

Количество ядрышек в клетке можетменяться, однако их число на ядро зависит от генного баланса клетки. Былонайдено, что в образовании ядрышек участвуют определенные места некоторыххромосом, связь которых с ядрышком можно хорошо проследить в телофазе ипрофазе. Такие хромосомы, как правило, имеют вторичные перетяжки, зоны которыхпредставляют собой места, где идет развитие ядрышек. Мак Клинток (1934) назвалэти участки хромосом “ядрышковыми организаторами”.

Места вторичных перетяжек особеннохарактерны для расположения ядрышковых организаторов, но последние иногда могутнаходиться на концах хромосом или в нескольких местах по длине хромосомы.

Общее число ядрышек на ядро определяетсячислом ядрышковых организаторов и увеличивается согласно плоидности ядра.Однако часто количество ядрышек на ядро бывает меньше числа ядрышковыхорганизаторов. Было показано, что ядрышки могут сливаться; кроме того, вобразовании одного ядрышка иногда участвует несколько организаторов.

Еще в работах М.С.Навашина (1934) былопоказано, что хромосомный локус, который в нормальных условиях образует крупноеядрышко, становится неактивным, когда после гибридизации в ядре появляетсяболее “сильный” локус на другой хромосоме. Тот факт, что в определенныхусловиях может подавляться активность одних ядрышковых организаторов или жеповышаться активность других, бывших до этого в латентном, скрытом состоянии,указывает на то, что в клетках поддерживается определенный баланс количестваядрышкового материала или, другими словами, регулируется “валовая” продукция,выдаваемая ядрышками.

Исходяиз перечисленных выше фактов, можно сделать следующие заключения:

Þ

образованияядрышек и их число связаны с активностью определенных участков хромосом — ядрышковыхорганизаторов, которые расположены большей частью в зонах вторичных перетяжек;

Þ

изменения вчисле ядрышек в клетках данного типа могут происходить за счет слияния ядрышекили за счет сдвигов в хромосомном балансе клетки.Физиология и химия ядрышка

Ядрышко по сравнению с другимикомпонентами клетки характеризуется как самая плотная структура с наиболеевысокой концентрацией РНК, с чрезвычайно высокой активностью в отношениисинтеза РНК.

Концентрация РНК в ядрышках всегда вышеконцентрации РНК в других компонентах клетки, так концентрация РНК в ядрышкеможет быть в 2-8 раз выше, чем в ядре, и в 1-3 раза выше, чем в цитоплазме.Отношение концентрации РНК в ядре, ядрышке и цитоплазме клеток печени мышисоставляет 1:7,3:4,1, в клетках поджелудочной железы — 1:9,6:6,6.

В ядрышке не обнаруживается ДНК, но всеже при исследовании фиксированных клеток вокруг ядрышка всегда выделяется зонахроматина. Этот околоядрышковый хроматин, по данным электронной микроскопии,представляется, как интегральная часть сложной структуры ядрышка.

Ядрышко — одно из самых активных мест вклетке по включению предшественников в РНК. Ядрышковая РНК являетсяпредшественником цитоплазматической РНК.

Цитоплазматическая РНК синтезируется вядрышке.

РНК ядрышек

Оценивая общее содержание в ядрышковыхфракциях белков, РНК и ДНК, можно видеть, что на долю РНК приходится около 10%всей массы ядрышка.

Содержание РНК, ДНК и белка в изолированных ядрышках (сухойвес в %)

Объект

РНК

ДНК

Белок

РНК/ДНК

Печень крысы

11,0

8,0

78,0

1,4

Регенерирующая печень (6 ч)

7,6

4,6

87,8

1,7

Регенерирующая печень (18 ч)

15,5

5,4

79,1

2,9

Печень морской свинки

4,1

9,5

86,4

0,43

Стебель гороха (4 дня)

15,11

10,6

74,0

1,5

Проростки гороха (36 ч)

16,7

6,4

76,9

2,6

Так как основнуюмассу цитоплазматической РНК составляет рибосомная РНК, то можно сказать, чтоядрышковая РНК принадлежит к этому классу.

Подтверждением представлений того, чтоименно ядрышко является местом синтеза рРНК и образования рибосом, послужилото, что из ядрышковых препаратов были выделены РНП-частицы, которые как посоставу РНК (по седиментационным свойствам), так и по размеру можноохарактиризовать как рибосомы или их предшественники с различнымикоэффициентами седиментации.

ДНК ядрышек

Биохимическими исследованиями обнаруженов выделенных ядрышках определенное количество ДНК, которую можно отождествить соколоядрышковым хроматином или с ядрышковыми организаторами хромосом.Содержание ДНК в выделенных ядрышках — 5-12% от сухого веса и 6-17% от всей ДНКядра.

ДНК ядрышкового организатора — это тасамая ДНК, на которой происходит синтез ядрышковой, т.е. рибосомной, РНК.

Таким образом из биохимических работпоявились представления о том, что в ядрышке на ДНК локализованы многочисленныеодинаковые гены для синтеза рРНК. Синтез рРНК идет путем образования огромногопредшественника и дальнейшего его превращения (созревания) в более короткиемолекулы РНК для большой и малой субъедениц рибосом.

Изучая ядрышки ооцитов тритонов,исследователи столкнулись с интересным явлением — сверхчисленностью ядрышек. У X. laevis во время роста ооцитапоявляется до 1000 мелких ядрышек, не связанных с хромосомами. Именно этиядрышки выделил О.Миллер. вместе с этим на ядро ооцита увеличивается количестворДНК. Это явление получило название амплификации.Оно заключается в том, что происходит сверхрепликация зоны ядрышковогоорганизатора, многочисленные копии отходят от хромосом и становятсядополнительно работающими ядрышками. Такой процесс необходим для накопленияогромного (1012) количества рибосом на яйцевую клетку, что обеспечитв будущем развитие эмбриона на ранних стадиях даже при отсутствии синтеза новыхрибосом. Сверхчисленные ядрышки после созревания яйцевой клетки исчезают.

Ультраструктура ядрышек

При изучении большого числа различныхклеток животных и растений отмечена волокнистая или сетчатая структура ядрышек,заключенная в более или менее плотную диффузную массу. Были предложены названиядля этих частей: волокнистая часть — нуклеонема и диффузная, гомогенная часть — аморфное вещество, или аморфная часть. Сделанные почти одновременно с этимэлектронно-микроскопичес-кие исследования также выявили волокнисто-нитчатоестроение ядрышек.

Однако такое нитчатое строение ядрышкане всегда четко выражено. У некоторых клеток отдельные нити нуклеонемсливаются, и ядрышки могут быть совершенно однородными.

При более пристальном изучении ядрышкаможно заметить, что основные структурные компоненты ядрышка — плотные гранулыдиаметром около 15 нм и тонкие фибриллы толщиной 4-8 нм. Во многих случаях(ооциты рыб и амфибий, меристематические клетки растений) фибриллярныйкомпонент собран в плотную центральную зону (сердцевина), лишенную гранул, агранулы занимают переферическую зону ядрышка. В ряде случаев (например, клеткикорешков растений) в этой гранулярной зоне не наблюдается никакойдополнительной структуризации.

Было найдено, что аморфные участкиядрышек неоднородны. В их структуре выявляются малоокрашенные зоны — фибриллярные центры — и окружающие их более темные участки, тоже имеющие фибриллярноестроение.

Кроме этих двух компонентов ядрышек впоследнее время большое внимание уделялось строению околоядрышкового хроматина.Этот хроматин и внутриядрышковая сеть ДНК являются единой системой ипредставляют собой интегральный компонент ядрышка.

Гранулы и фибриллярная часть состоят изрибонуклеопротеидов.

Показано, что именно светлыефибриллярные центры содержат рДНК.

Судьба ядрышка при делении клеток

Известно, что ядрышко исчезает в профазеи появляется вновь в средней телофазе.

По мере затухания синтеза рРНК в среднейпрофазе происходит разрыхление ядрышка и выход готовых рибосом в кариоплазму, азатем и в цитоплазму. При конденсации профазных хромосом фибриллярный компонентядрышка и часть гранул тесно ассоциируют с их поверхностью, образуя основуматрикса митотических хромосом. Этот фибриллярно-гранулярный материал,синтезированный до митоза, переносится хромосомами в дочерние клетки.

В ранней телофазе по мере деконденсациихромосом происходит высвобождение компонентов матрикса. Его фибриллярная частьначинает собираться в мелкие многочисленные ассоциаты — предъядрышки, которые могут объединяться друг с другом. По меревозобновления синтеза РНК предъядрышки претерпевают перестройку, что выражаетсяв появлении в их структуре гранул РНК, а затем в становлении дефинитивной формынормально функционирующего ядрышка.

Роль ядра.

Ядро осуществляет две группы общихфункций: одну, связанную собственно с хранением генетической информации, другую- с ее реализацией, с обеспечением синтеза белка.

В первую группу входят процессы,связанные с поддержанием наследственной информации в виде неизменной структурыДНК. Эти процессы связаны с наличием так называемых репарационных ферментов,ликвидирующих спонтанные повреждения молекулы ДНК (разрыв одной из цепей ДНК,часть радиационных повреждений), что сохраняет строение молекул ДНК практическинеизменным в ряду поколений клеток или организмов. Далее, в ядре происходитвоспроизведение или редупликация молекул ДНК, что дает возможность двум клеткамполучить совершенно одинаковые и в качественном и в количественном смыслеобъемы генетической информации. В ядрах происходят процессы изменения и рекомбинациигенетического материала, что наблюдается во время мейоза (кроссинговер).Наконец, ядра непосредственно участвуют в процессах распределения молекул ДНКпри делении клеток.

Другой группой клеточных процессов,обеспечивающихся активностью ядра, является создание собственно аппаратабелкового синтеза. Это не только синтез, транскрипция на молекулах ДНК разных информационныхРНК и рибосомных РНК. В ядре эукариотов происходит также образование субъеденицрибосом путем комплексирования синтезированных в ядрышке рибосомных РНК срибосомными белками, которые синтезируются в цитоплазме и переносятся в ядро.

www.ronl.ru

Строение и функции клеточного ядра.

Количество просмотров публикации Строение и функции клеточного ядра. - 53

План

Строение ядра. Деление клетки

Эволюция клетки

Существуют два этапа в эволюции клетки:

1.Химический.

2.Биологический.

Химический этап начался около 4,5 млрд лет назад. Под действием ультрафиолетового излучения, радиации, грозовых разрядов (источники энергии) происходило образование сначала простых химических соединений – мономеров, а затем более сложных – полимеров и их комплексов (углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот).

Биологический этап образования клеток начинается с появления пробионтов – обособленных сложных систем, способных к самовоспроизведению, саморегуляции и естественному отбору. Пробионты появились 3-3,8 млрд. лет назад. От пробионтов произошли первые прокариотические клетки – бактерии. Эукариотические клетки произошли от прокариот (1-1,4 млрд. лет назад) двумя путями:

1)Путем симбиоза нескольких прокариотических клеток - ϶ᴛᴏ симбиотическая гипотеза;

2)Путем инвагинации клеточной мембраны. Суть инвагинационной гипотезы состоит по сути в том, что прокариотическая клетка содержала несколько геномов, прикрепленных к клеточной оболочке. Далее происходила инвагинация – впячивание, отшнуровка клеточной мембраны, и эти геномы превращались в митохондрии, хлоропласты, ядро.

Дифференциация и специализация клеток.

Дифференциация - ϶ᴛᴏ формирование различных типов клеток и тканей в ходе развития многоклеточного организма. Одна из гипотез связывает дифференцировку с экспрессией генов в процессе индивидуального развития. Экспрессия – процесс включения тех или иных генов в работу, который создает условия для направленного синтеза веществ. По этой причине происходит развитие и специализация тканей в том или ином направлении.

Лекция 3.

1.Строение и функции клеточного ядра.

2.Хроматин и хромосомы.

3.Клеточный и митотический циклы клетки.

4.Пролиферация клеток.

Ядро – обязательная часть эукариотической клетки. Главная функция ядра – хранение генетического материала в форме ДНК и передача ее дочерним клеткам при клеточном делении. Вместе с тем, ядро управляет белковыми синтезами, контролирует все процессы жизнедеятельности клетки. ( в растительной клетке ядро описал Р.Броун в 1831ᴦ., в животной – Т.Шванн в 1838ᴦ.)

Большинство клеток имеет одно ядро, обычно округлой формы, реже неправильной формы.

Размеры ядра колеблются от 1мкм (у некоторых простейших) до 1мм (в яйцеклетках рыб, земноводных).

Встречаются двуядерные клетки (клетки печени, инфузорий) и многоядерные (в клетках поперечно – полосатых мышечных волокон, а так же в клетках ряда видов грибов и водорослей).

Некоторые клетки (эритроциты) – безъядерные, это редкое явление, носит вторичный характер.

В состав ядра входят:

1)ядерная оболочка;

2)кариоплазма;

3)ядрышко;

4)хроматин или хромосомы. Хроматин находится в неделящемся ядре, хромосомы – в митотическом ядре.

Оболочка ядра состоит из двух мембран (наружной и внутренней). Наружная ядерная мембрана соединяется с мембранными каналами ЭПС. На ней располагаются рибосомы.

В мембранах ядра имеются поры (3000-4000). Через ядерные поры происходит обмен различными веществами между ядром и цитоплазмой.

Кариоплазма (нуклеоплазма) представляет собой желеобразный раствор, который заполняет пространство между структурами ядра (хроматином и ядрышками). Она содержит ионы, нуклеотиды, ферменты.

Ядрышко, обычно шаровидной формы (одно или несколько), не окружено мембраной, содержит фибриллярные белковые нити и РНК.

Ядрышки – не постоянные образования, они исчезают в начале деления клетки и восстанавливаются после его окончания. Ядрышки имеются только в неделящихся клетках. В ядрышках происходит формирование рибосом, синтез ядерных белков. Сами же ядрышки образуются на участках вторичных перетяжек хромосом (ядрышковых организаторах). У человека ядрышковые организаторы находятся на 13,14,15,21 и 22 хромосомах.

referatwork.ru

Курсовая работа - Структура и функции клеточного ядра