Санкт-Петербургский государственный университет

Факультет стоматологии и медицинских технологий

Методическое пособие

к практическим занятиям по курсу

Цитология, гистология, эмбриология

Цитология

ЗАНЯТИЕ № 3

Санкт-Петербург

Ядро – важнейшая часть эукариотической клетки, содержащая ее генетический аппарат. В ядре содержатся молекулы ДНК, в структуре которых записаны все наследственные свойства организма.

Функции ядра:

- хранение генетической информации

- передача наследственной информации в ряду поколений посредством процесса репликации (удвоения) молекул ДНК

- синтез компонентов и сборка рибосом

- регуляция деятельности клетки посредством процесса транскрипции (считывание) - синтеза молекул РНК разного типа с последующим их транспортом в цитоплазму.

В ядре выделяют несколько компонентов: 1- ядерная оболочка, 2 – ядерный матрикс и кариоплазма, 3 – хроматин, 4 – ядрышко.

Ядерная оболочка, или кариолемма, состоит из двух мембран: наружной и внутренней, которые являются частью общей мембранной системы клетки. Между ними располагается перинуклеарное пространство шириной в 15-40 нм. Наружная мембрана связана с системой мембран эндоплазматического ретикулума и на ее поверхности могут располагаться рибосомы. Внутренняя мембрана гладкая и содержит большое количество интегральных белков, которые связаны с системой внутриядерных фибрилл, образующих т.н. «ядерную пластинку». Она состоит из ламинов – разновидности промежуточных цитоскелетных филаментов. Ядерная пластинка играет очень важную роль в структурно-функциональной организации ядра. Она поддерживает форму ядра, связана с формированием пор в ядерной оболочке, участвует в упаковке хроматина.

Структура ядра эукариотической клетки: А – схема ядра; Б – схема порового комплекса; В – фото ядерных фибрилл (ламелл); Г – электронное фото ядерной поры:

1 – ядерная оболочка; 2 – гетерохроматин; 3 – эухроматин; 4, 5 – ядрышко и его компоненты: фибриллярный (4) и гранулярный (5); 6 – цистерны шероховатого эндоплазматического ретикулума; 7 – ядерная пора; 8 – белки порового комплекса; 9 – наружное кольцо поровых белков; 10 – внутреннее кольцо; 11 – центральная глобула; 12, 13 – наружная (12) и внутренняя (13) ядерные мембраны; 14 – перинуклеарное (межмембранное) пространство; 15 – цитоплазма клетки

Ядерный матрикс и кариоплазма – это жидкий компонент ядра, в котором «упакованы» хроматин и ядрышко. В его составе обнаружены растворенные в кариоплазме комплексы РНК с белками; ферменты; ионы; вода; ядерные белки. Таким образом, ядерный матрикс - своеобразный «скелет» ядра, поддерживающий его форму и создающий структурную основу для протекающих в нем биохимических процессов.

Хроматин (от греч. chroma – цвет, окраска) - комплекс интерфазных хромосом, представленных молекулами ДНК с белками. Это основная функциональная часть ядра, где происходит считывание генетической информации с молекул ДНК на молекулы РНК (транскрипция). Хроматин в ядре присутствует в двух морфологических и функциональных формах – эухроматин и гетерохроматин.

Эухроматин – это декондерсированные, деспирализованные участки хромосом, которые в данный момент находятся в активном состоянии и с которых происходит считывание и синтез РНК.

Чем больше фракция эухроматина – тем более активные процессы идут в ядре. Эта часть хроматина не окрашивается и не видна в световой микроскоп.

Гетерохроматин – это конденсированные, спирализованные участки хромосом, которые неактивны и транскрипция не происходит.

В световом и электронном микроскопе эти участки хроматина выглядят как уплотненные фрагменты, рассеянные по всему ядру. Гетерохроматин может переходить в эухроматин, что связано с функциональной активностью ядра. Однако не весь гетерохроматин может переходить в стадию эухроматина, поэтому его разделяют на две фракции: факультативный гетерохроматин – он может деконденсироваться и переходить в активное состояние и конститутивный (постоянный) гетерохроматин – который в любой ситуации не может деконденсироваться и перейти в эухроматин. Доля конститутивного хроматина может быть неодинаковой у разных объектов. Так у млекопитающих на него приходится 10-15% всего генома, а у некоторых амфибий - даже до 60% Основу хроматина составляют молекулы ДНК в комплексе со специальными ядерными белками.

Микрофотографии В–лимфоцитов и их ядер в разные периоды дифференцировки

а – не активированный лимфоцит, b – начало дифференцировки (бластотрансформации), с – лимфобласт.

Обратить внимание на изменение соотношения гетеро- и эухроматина в процессе дифференцировки клеток.

Поровые комплексы на ядерной мембране ооцита тритона.

Скан.Эл микр. Напыление металлом в вакууме.

Видны: наружное кольцо из 8 белковых глобул, центральная глобула

Вид на поверхность ядра изнутри. Видны розетки поровых комплексов

И фрагменты ядерной пластинки (ламины), имеющей вид сеточки.

Скан.эл.микр. Напыление в вакууме.

Вся оболочка ядра пронизана большим количеством пор (в среднем от 2-х до 4-х тясяч на ядро). Их количество может меняться в зависимости от активности ядра в данный момент жизни клетки и от типа клетки.

Ядерная пора – это двусторонний транспортный коридор, связывающий ядро с цитоплазмой.

Ядерные поры. Обозначения: стрелки – поровый комплекс, N – нуклеоплазма, C –цитоплазма, СH – хроматин, NE – ядерная пора,

белые стрелки – ядерная пластинка (ламина)

Прохождение через ядерные поры частиц коллоидного золота.

Видно, что они сосредоточены в районе поровых комплексов.

Ядрышко – участок ядра, где происходит синтез р-РНК и формирование субъединиц рибосом. Участок хромосомы (ген), в котором закодирована структура р-РНК, называется ядрышковым организатором. Размеры и количество ядрышек в ядре клеток колеблется в зависимости от типа клеток и активности ядра. В ядрышке выделяют два компонента: фибриллярный и гранулярный

Фибриллярный компонент - это наиболее активная часть ядрышка, где происходит первичная транскрипция рибосомальных генов и синтез предшественника р-РНК в виде тонких фибрилл диаметром 5-8 нм.

В гранулярном компоненте происходит упаковка этих фибрилл в гранулы. Здесь происходит созревание р-РНК и сборка частиц рибосом.

Фотография ядрышка эукариотической клетки

Справа ядрышко при большем увеличении:

Толстая стрелка – гранулярный (плотный)компонент ядрышка

Тонкие стрелки – фибриллярный(светлый) компонент ядрышка

Последние данные показывают, что кроме синтеза рРНК, ядрышко участвует во многих других аспектах экспрессии генов. В ядрышках обнаруживаются РНК, входящие в SRP-частицы, участвующие в синтезе белков в эндоплазматическом ретикулуме. С ядрышком оказалась ассоциирована РНК теломеразы - (обратная транскриптаза).

Схема процесса синтеза компонентов и сборки рибосом на ядрышке

1 – ядро, 2 – зона ядрышка, 3 – мембрана клетки, 4 – синтез рибосомальных РНК, 5 – комплекс рРНК, 6 – большая субъединица рибосомы, 7 – малая субъединица рибосомы, 8 =- белки рибосом, 9 – сборка рибосом в цитоплазме при рансляции, 10 – трансляция, пунктир – поступление в ядро из цитоплазмы компонентов рибосом.

Морфологические типы ядрышек в клетках. Темные участки – гранулярный компонент, светлые - фибриллярный

Строение хромосом.

Хромосома – структурно-функциональная единица наследственности. В интерфазном ядре без специальных методов окраски хромосомы не видны, и только в период митоза они конденсируются и становятся видимыми. Поэтому морфологию хромосом описывают на примере метафазных хромосом.

Метафазные хромосомы имеют вид палочковидных структур, разделенных специальным участком – перетяжкой (центромерой) на плечи разной длины. В зависимости от расположения центромеры хромосомы разделяются на несколько групп:

- акроцентрические (центромер расположен на конце хромосомы или одно из плеч очень мало)

- субметацентрические (с плечами разной длины)

- метацентрические (с плечами равной или почти равной длины).

Количество и тип хромосом является характерной чертой каждого вида организмов и называется – кариотипом.

В соматических клетках число хромосом диплоидное (парное) – каждая клетка содержит по две копии каждой хромосомы: одна от отца, другая от матери.

Хромосомы, одинаковые по форме, размеру и несущие одинаковые гены называются гомологичными. Одна пара хромосом несет признаки пола – половые хромосомы Х и Y и являются негомологичными.

Кариотип человека. Отметить, что хромосомы человека относятся к разным морфологическим типам.

Строение типичной субметацентрической метафазной хромосомы.

Структура хроматина. Упаковка днк

Первый уровень упаковки нитей ДНК- нуклеосомный- связан с участием в этом процессе специальных ядерных белков – гистонов. Во всех эукариотических клетках выделено пять фракций гистонов (Н1, Н2А, Н2B, H3, H4). Группа из 8 молекул гистонов (по две молекулы каждого из гистонов Н2А, H2B, H3,H4), образуют глобулу, вокруг которой по спирали закручивается участок ДНК размером в 146 пар нуклеотидов. Эти глобулы «бусинки» были открыты в 1974 году и названы нуклеосомами. Нуклеосомный уровень укладки хроматина позволяет «сжать» молекулу ДНК примерно в 6-7 раз.

Второй уровень упаковки нитей ДНК – нуклеомерный. несколько нуклеосом сближаются, формируют компактные группы – нуклеомеры, которые, в свою очередь образуют суперспираль. Такая компактная нить ДНК имеет диаметр 30 нм и получила наименование – хроматиновая фибрилла. При этом происходит еще более чем 40 – кратное сжатие ДНК.

Третий уровень – петлевой или доменный. На этом уровне хроматиновые фибриллы образуют систему петель (доменов) диаметром 300 нм, в каждой из которых находится несколько генов. Это приводит к еще 600-кратному сжатию ДНК

Четвертый уровень–хромомерный Происходит переход от спирального типа укладки ДНК, состоящих из петель хроматиновых 30-нм фибрилл, к образованию компактных глобулярных структур типа хромомеров, имеющих уже размеры 0,1-0,2 мкм.. Степень сжатия – несколько тысяч раз.

Пятый уровень – стадия конденсированной метафазной хромосомы

Это уровень сверхкомпактного состояния хроматина. Видны только в период митоза. Неактивны – считывание информации не происходит. К кинетохорам метафазных хромосом крепятся микротрубочки веретена деления.