3. Цитология –II. Ядро клетки. Клеточный цикл

Ядро является обязательной, важнейшей частью клетки, содержащей её генетический аппарат. Оно выполняет следующие функции: 1) хранение генетической информации (в молекулах ДНК, находящихся в хромосомах); 2) реализацию генетической информации (контроль и регуляция разнообразных процессов в клетке через трансляцию и транскрипцию); 3) воспроизведение и передача генетической информации дочерним клеткам (при делении).

Обычно в клетке имеется только одно ядро, но встречаются и многоядерные клетки (образуются вследствие митоза, не сопровождающегося цитотомией). Надклеточные структуры (симпласты) содержат много ядер.

Форма ядра зависит от формы клетки. Так, клетки круглой и кубической формы обычно имеют круглое ядро, клетки плоские – уплощённое, клетки призматической формы – овальное, клетки веретеновидной формы – палочковидное ядро. Встречаются и сегментированные ядра (в лейкоцитах).

Размеры ядра составляют 4-10 мкм. Ядерно-цитоплазматическое отношение обычно постоянно для каждого типа клеток; оно уменьшается при усилении функциональной активности клетки.

Основные структурные компоненты ядра: ядерная оболочка, хромо сомы (хроматин), ядрышко, кариоскелет, кариоплазма.

Ядерная оболочка отделяет ядро от цитоплазмы, отграничивает его содержимое и обеспечивает обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Ядерная оболочка состоит из двух биологических мембран, между которыми расположено пери нуклеарное пространство шириной 15-40 нм. Наружная мембрана ядра покрыта рибосомами и переходит в мембраны гранулярной эндоплазматической сети. К внутренней мембране прилежит слой белковых филаментов (ламина) карио скелета, через который к ядерной оболочке прикрепляются хромосомы.

В ядерной оболочке имеются отверстия – ядерные поры диаметром 90 нм. Они содержат комплекс поры, который состоит из 1 центральной и 8 пар периферических белковых глобул, связанных между собой белковыми нитями, образующими диафрагму толщи ной 5 нм. Эти комплексы пор обладают избирательной проницаемостью: через них не могут пройти мелкие ионы, но переносятся длинные нити информационной РНК и субъединицы рибосом. В ядре имеется несколько тысяч пор, занимающих от 3 до 35% его поверхности. Количество их значительно больше в клетках с интенсивными синтетическими и обменными процессами. В ядерных оболочках сперматозоидов, где биосинтез белка не происходит, поры не обнаружены.

Замечено также, что чем выше функциональная активность клетки, тем сильнее извита кариолемма (для увеличения площади обмена веществ между ядром и цитоплазмой).

Хромосомы – комплексы ДНК с белком. В период митоза хромосомы конденсированы и хорошо видны в клетке под обычным световым микроскопом в виде интенсивно окрашенных палочковидных телец. В них очень плотно упакованы длинные нити ДНК с белком. В интерфазном ядре хромосомы под световым микроскопом не видны, а под электронным микроскопом в ядре выявляются нити, хромосомные фибриллы, толщиной 30 нм, которые представляют собой деспирализованные хромосомы.

Упаковка ДНК в хромосоме. Двойная спираль ДНК (2 нм толщиной) наматывается на глобулярные комплексы белков-гистонов (по два витка на каждой глобуле), образуя нуклеосомы и нуклеосомную нить, имеющую вид «нитки бус» толщиной 11 нм. На втором уровне упаковки эта нить продольно скручивается (суперспирализация) с образованием хромосомной фибриллы толщиной 30 нм, которая складывается, сшивается негистоновыми белками, образуя петли и фибриллу толщиной 300 нм (хромонема – третий уровень упаковки). Последняя опять образует складки и ещё более толстую и короткую структуру толщиной 700 нм – хроматиду, из пары которых и образуются хромосомы (толщиной 1400 нм) в делящейся клетке.

Подсчитано, что в каждой хромосоме (3-5 мм длины) упакована по 2 нити ДНК длиной до 5 см, а общая длина нитей ДНК в одной клетке человека достигает двух метров. Эта плотность упаковки сравнима с укладкой нити длиной 20 км в клубок размером в теннисный мячик.

Считывание генетической информации с ДНК и образование информационной РНК (транскрипция) может происходить только в деспирализованных (таких как нуклеосомная нить), открытых для считывания информации участках хромосом интерфазной клетки (эухрома тин). В более спирализованных участках хромосом (гетеро хроматин) транскрипция не происходит. Во время деления (митоза) происходит максимальная спирализация ДНК хромосом. В этот период генетическая информация с ДНК считываться не может и синтетические процессы в клетке не происходят.

Морфология митотических хромосом. Хромосомы во время митоза представляют собой палочковидные структуры разной длины. В них выявляется первичная перетяжка (центромера, кинетохор) – сложная белковая структура, к которой прикрепляются микротрубочки клеточного веретена, обеспечивающие перемещение хромосом при делении клетки. Она делит хромосому на два плеча. Хромосомы с равными плечами называются метацентрическими, с плечами неоди наковой длины – субметацентрическими. Хромосомы с очень коротким вторым плечом называются акроцентрическими. Некоторые хромосомы, кроме того, имеют вблизи одного из концов вторичные перетяжки, отделяющие маленький участок хромосомы – спутник. Вторичные перетяжки называют также ядрышковыми организаторами, так как в этих участках некоторых (пяти пар) хромосом содержатся гены, кодирующие рибосомную РНК и образование ядрышек.

Кариотип – совокупность хромосом данного вида жи вотных (их число, размеры и особенности строения). Например, кариотип человека составляет 22 пары соматических хромосом +1 пара половых хромосом.

Хроматин – фрагменты интерфазных хромосом, которые под действием фиксатора выпадают в осадок и видны в виде глыбок интенсивно окрашенного базофильного вещества в фиксированном интерфазном ядре клетки. Чем сильнее конденсированы хромосомы, тем крупнее эти глыбки. В виде самой крупной глыбки хроматина выявляется вторая (максимально конденсированная, не функционирующая) Х-хромосома в клетках женского организма. Её называют половым хроматином (тельце Барра). По его присутствию в образцах тканей можно идентифицировать пол человека. Сильно конденсированный хроматин – гетерохроматин – функционально неактивный хроматин, неучаствующий в транскрипции. Кроме того, различают еще эухроматин – мелкодисперсный осадок нуклеосомных нитей и хроматиновых фибрилл – функционально активный хроматин, участвующий в транскрипции.

Ядрышки – плотные, интенсивно окрашенные округлые образования в ядре размером 1-2 мкм. Их может быть несколько. Ядрышки образуются в интерфазном ядре в ядрышковых организаторах, которые обычно располагаются в области вторичных перетяжек 5 пар хромосом. Там находятся гены, кодирующие рибосомную РНК. Ядрышки состоят из гранулярного и фибриллярного компонентов. Нити ядрышек представляют собой молекулы образовавшейся рибосомной РНК, а гранулы – субъединицы рибосом, которые образуются при связывании нитей РНК с белками, поступающими из цитоплазмы. Эти субъединицы через ядерные поры выходят в цитоплазму, где объединяются в рибосомы и связываются с информационной РНК для синтеза белка. Чем выше функциональная, синтетическая активность клетки, тем многочисленней и крупнее её ядрышки и большее количество субъединиц рибосом образуется в ядрышках и выходит в цитоплазму.

Кариоскелет – фибриллярная сеть ядра, которая уплотняется около ядерной оболочки с образованием ламины. Ка риоскелет поддерживает определённую форму ядра и расположение в нём хромосом.

Кариоплазма (ядерный сок) – жидкий компонент ядра, истинный раствор биополимеров, в котором во взвешенном состоянии расположены хромосомы и ядрышко. По своим физико-химическим свойствам кариоплазма близка к гиало плазме.