ЯДРО

6
ЯДРО
Ядро представляет собой внутрицитоплазматическую структуру, которая присутствует во всех эукариотических клетках за исключением зрелых эритроцитов (рис.6.1).
Рис. 6.1. Локализация ядра в клетке
Основными функциями ядра являются:
- хранение генетической информации (содержит
около 98% клеточной ДНК);
95
- контроль и регуляция деятельности клетки.
Ядро состоит из матрикса, хроматина или хромосом,
ядрышка и ядерной оболочки (рис.6.2) В состав ядра входят: ДНК, РНК, два вида белков (гистоновые и негистоновые), другие органические вещества.
Рис. 6.2. Структура ядра
Ядро – это центр управления, координации и контроля жизнедеятельности эукариотической клетки. Оно
функционирует как химический компьютер, имеющий программу (ДНК) и память (РНК). В качестве информационного центра ядро координирует все химические реакции жизненно важных процессов посредством контроля белкового
синтеза клеточных ферментов, а структурную организацию
клетки – посредством синтеза структурных белков. В информационном потоке существуют три ключевые точки:
репликация ДНК, транскрипция и трансляция генетической
информации. Саморепликация и транскрипция протекают в
ядре, в то время как трансляция – в цитоплазме.
96
Ядерная оболочка
Ядерная оболочка пронизана порами, которые играют важную роль в переносе определенных молекул в цитоплазму и из нее. Наружная ядерная мембрана непосредственно связана с гранулярной ЭПС. Внутренняя мембрана не содержит рибосом и в местах образования ядерных
пор переходит в наружную мембрану. Пространство между
наружной и внутренней мембранами называется перинуклеарным пространством, имеет толщину 20-40 nm и сообщается с канальцами ЭПС. Ядерные поры занимают около
10% всей поверхности ядерной оболочки (у млекопитающих).
Поровый комплекс ядра
Поровый комплекс состоит из собственно поры октагональной формы диаметром 60 nm, трех белковых колец
(annulus) диаметром 120 nm. Кольцо образовано из 8-ми
глобулярных белков диаметром в 15 nm, которые придают
ему октагональную форму. В центре находится центральная
гранула, играющая роль нежной диафрагмы, которая согласно некоторым гипотезам, на самом деле представляет
собой транзитные молекулы или тельца. Длина канала поры
равна 15 nm и диаметр 9 nm. Ядерная пора взаимодействует
с ядерным матриксом посредством нитей диаметром 4-8 nm,
которые прикреплены одним концом к центральному кольцу (рис 6.3).
Функции ядерных пор. Основная функция ядерных
пор – это транспорт молекул из ядра в цитоплазму и обратно:
- из цитоплазмы в ядро импортируются белки
ядерного матрикса, ферменты синтеза нуклеиновых
кислот, белки, входящие в состав хроматина и рибосом;
97
- из ядра в цитоплазму экспортируются предшественники рибосом, комплексы
мРНК+ белки,
Рис. 6.3. Структура ядерной поры
тРНК.
Ядерный матрикс
Ядерный матрикс - это название присвоено белковому скелету, который пронизывает хроматин и ядрышко и
прикрепляется к ядерной оболочке.
Ядерный матрикс играет большую роль в организации ядра, в синтезе ДНК и РНК, в клеточном делении, сигнализации и других функциях ядра.
Ядерный матрикс состоит из двух частей:
- собственно ядерный матрикс, представленный
белковой сетью, состоящей из стабильных белков
с высоким молекулярным весом;
- лабильная часть матрикса, которая связана с белковой сетью и состоит из растворимых белков с
низкой молекулярной массой, малых органиче98
ских молекул (в особенности фосфатов), неорганических веществ и воды.
Основная часть белков - компонентов ядерного матрикса представлена так называемыми негистоновыми белками, к которым относятся и ядерные ферменты. Негистоновые белки – это семейство гетерогенных белков, разных
как по молекулярной массе, так и по химическим особенностям. В отличие от гистонов, основная часть этих белков
богата триптофаном; обладает способностью видоизменяться в широких пределах, быстро переходя из одного функционального состояния в другое. Ядерные ферменты катализируют, главным образом, синтез ДНК, РНК и процессинг.
Собственно ядерный матрикс
Собственно ядерный матрикс или ядерный скелет
состоит из трех компонентов:
- матрикс или фибриллярная, внутриядерная, межхроматинная и околохроматинная сеть;
- немембранные компоненты ядерной оболочки, состоящие из внутренней фиброзной ламины (lamina densa) и
поровых комплексов;
- ядрышковый компонент (или фибриллярная сеть), который состоит из фиброзной (pars fibrosa) и гранулярной
областей (pars granulosa) ядрышка.
Внутренняя ядерная ламина выстилает внутреннюю
ядерную мембрану, имеет вид тонкой оболочки, состоящей
из фибриллярной сети, взаимодействует со структурами
ядерного матрикса, а также с фибриллярными компонентами порового комплекса. Внутренняя ламина вместе с поровым комплексом составляет часть ядерного скелета, названного ламино-поровым комплексом. Комплекс состоит из
фибрилл, которые образуют три сети:
(i) фибриллы ядерной ламины, переплетаясь с фибриллами поры, образуют сетеподобную структуру, прилегающую непосредственно к внутренней ядерной мем99
бране или расположенную в непосредственной близости от нее;
(ii) внутриядерные фибриллы прикреплены к поровому
комплексу и ориентированы перпендикулярно ядерной
оболочке;
(iii) внутриядерные фибриллы, которые образуют область
размещения периферического гетерохроматина в интактном ядре. Эта сеть различна у разных клеток в зависимости от количества гетерохроматина в соответствующем ядре.
Ядерный скелет комплекса ламино-пора содержит 23% от общего количества белков ядра. Состоит в основном
из негистоновых белков (95%), среди которых преобладают
кислые белки. На внутренней поверхности комплекса ламино-пора локализуется нуклеозид-3-фосфатаза, предположительно принимающая участие в транспорте РНК к цитоплазме.
Роль ядерного матрикса. Ядерный матрикс поддерживает форму и стабильность интерфазного ядра. Изменение ядерного матрикса тесно взаимосвязано с функциями
ядра: упаковкой хроматина, репликацией ДНК, транскрипцией и перемещением РНК внутри ядра.
Ядерный матрикс может изменить текучесть ядерной
мембраны, которая необходима для выполнения основных
функций матрикса и в особенности транспорта субъединиц
рибосом через поровый комплекс. Ядерный матрикс может
модифицировать структуру хроматина, что имеет большое
значение в репликации ДНК и транскрипции РНК (активации и инактивации генов). В процессе митоза 95% белков
ядерного матрикса распределяется в цитоплазме. Во вновь
образующемся ядре после деления, в сборке этих белков
большое значение имеют процессы гликозилирования. В
ядрышке скелет выполняет опорную функцию при депонировании субъединиц рибосом.
100
Ядрышко
Ядрышко присутствует во всех эукариотических
клетках за исключением бластомеров, не имеющих собственного белкового синтеза (рис.6.4). Оно состоит из следующих основных компонентов: ДНК – 3%, РНК – 7%, белки – 90%.
Рис. 6.4. Строение ядрышка. Биогенез рибосом
Ядрышко не отделено от остальной части ядра какой-либо мембраной. Количество и размеры ядрышек зависят от периода митотического цикла (в клетках человека
теоретически могут быть до 10 ядрышек в начале интерфазы и одно большое ядрышко в конце интерфазы). Ядрышки
занимают около 30% от общего объема ядра. Существует
соотношение между объемом ядра и ядрышка – ядерно101
ядрышковый объем. Чем активнее клетка, тем больше это
соотношение.
В электронном микроскопе в ядрышке можно различить 3 дискретные зоны:
- гранулярный компонент, в состав которого входят частицы диаметром 15-20 nm, представляющие собой предшественников рибосом;
- плотный фибриллярный компонент, состоящий из
множества тонких (5 nm) фибрилл, представляющих собой
ДНК и РНК–транскрипты;
- аморфный компонент - на периферии ядрышка.
Основная роль ядрышка – синтез рибосомной РНК и
образование предшественников рибосом. В составе ядрышка выявляются большие петли ДНК, содержащие гены
рРНК, которые с необычайно высокой скоростью транскрибируются РНК-полимеразой I. Эти петли носят название
ядрышковые организаторы и у человека представлены
фрагментами 5 пар хромосом (13, 14, 15, 21, 22 пары), которые контролируют образование ядрышка в конце митоза.
Биогенез рибосом: в ядрышке происходит синтез
трех фракций рибосомной РНК (5,8S, 18S, 28S) и образование предшественников рибосом. С ДНК синтезируется первичный транскрипт – рРНК 45S, который специфически
расщепляется на три фракции (5,8S, 18S, 28S). Фракция
рРНК 5S синтезируется вне ядрышка. При образовании
субъединиц рибосомы, молекулы рРНК ассоциируются с
рибосомными белками, которые были синтезированы в цитоплазме и импортированы в ядро. Рибонуклеопротеидные
комплексы (РНП) транспортируются в цитоплазму в форме
малой и большой субъединиц рибосомы (40S и 60S).
Хроматин = интерфазные хромосомы
102
Хроматин состоит из ДНК (40%), гистоновых белков (40%), негистоновых белков (15%) и РНК (5%). Таким
образом, хроматин представляет собой нуклеопротеид, в
котором гистоновые и негистоновые белки взаимодействуют с ДНК. Хроматин в интерфазной клетке представляет
собой развернутую и деспирализованную форму существования хромосом.
В световом микроскопе хроматин обнаруживается в
виде гранул, переплетенных нитей и телец, названных кариосомами, которые окрашиваются основными красителями. В зависимости от интенсивности окрашивания основными красителями, выделяют две формы хроматина: эухроматин, который слабо окрашивается основными красителями, и гетерохроматин, интенсивно окрашивающийся основными красителями.
Эухроматин представляет область хроматина, содержащую структурные гены, и представлен активными
участками ДНК, которые транскрибируются. Эухроматин
слабо спирализован и реплицируется в начале S-фазы клеточного цикла.
Гетерохроматин представляет фрагменты конденсированной формы хроматина, который транскрипционно
не активен. Высококонденсированный хроматин реплицируется в конце S-фазы клеточного цикла. Различают конститутивный и факультативный гетерохроматин. Конститутивный гетерохроматин содержит повторяющиеся последовательности ДНК (или сателлитную ДНК) и локализуется на идентичных участках гомологичных хромосом.
Конститутивный гетерохроматин никогда не переходит в
эухроматин. Факультативный гетерохроматин представлен
последовательностями, которые в определенных условиях
могут деспирализоваться и превращаться в эухроматин.
Молекулярная организация хроматина
103
ДНК (40%) – в 46 хромосомах диплоидного набора
клеток человека содержатся 46 линейных молекул ДНК
длиной в 7х109 нуклеотидных пар;
Гистоновые белки (40%) - основные (щелочные)
белки, содержат свыше 22% основных аминокислот, преимущественно аргинин и лизин. Существуют пять фракций
гистонов: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4 (табл.6.1). Гистоновые белки не имеют тканеспецифичного характера.
Таблица 6.1. Характеристика гистоновых белков
Тип
гистона
Н1
Н2А
Н2В
Н3
Н4
Преобладающие
аминокислоты
Лизин
Лейцин, лизин
Серин, пролин, лизин
Аргинин, цистеин
Аргинин, лизин
Число
аминокислот
215
129
125
135
102
Молекулярная
масса
21500
144000
13775
15320
11280
Функции гистонов
Гистоновые белки стабилизируют двойную спираль
ДНК, образуя третичную структуру ДНК у эукариот. Гистоновые белки являются неспецифическими ингибиторами
транскрипции, препятствуя связыванию РНК-полимеразы с
молекулой ДНК.
Негистоновые белки – кислые белки (20%) с большим содержанием кислых аминокислот (глутаминовая, аспарагиновая). Они гетерогенны, имеют высокую мобильность, выполняют каталитические функции в метаболизме
ДНК и экспрессии генов (полимеразы, лигазы, топоизомеразы, факторы транскрипции и др.). Негистоновые белки
содержатся в большем количестве в активных тканях, в то
время как гистоновые присутствуют в одинаковых количествах во всех тканях.
104
РНК содержится в хроматине, являясь продуктом
транскрипции с ДНК, в особенности первичные транскрипты и мяРНК (например, РНК в составе праймазы, теломеразы и др.)
Уровни компактизации хроматина
Упаковка ДНК в хромосому предполагает существование нескольких уровней организации или конденсации,
каждый из которых отвечает за определенную степень укорачивания ДНК.
Первый уровень – нуклеосомный- формирование
комплексов ДНК – гистоны, образующих нити хроматина
(ДНП), диаметром около 11 nm (рис.6.5).
Рис. 6.5. Строение нуклеосомы
Каждая нуклеосома содержит набор из 8 молекул гистонов – по 2 молекулы Н2А, Н2В, Н3, Н4. Этот гистоновый октамер является по сути белковой сердцевиной нук105
леосомы (core), на который накручивается примерно 2 витка
молекулы ДНК, длиной в 146 пар оснований. Каждая нуклеосома отделена от следующей линкерной последовательностью ДНК, длиной 8-114 пар оснований. Благодаря
наличию нуклеосом ДНК укорачивается примерно в 6 раз, а
хроматин напоминает нитки бус.
Второй уровень –
соленоид – представляет
фибриллу хроматина, диаметром 30 nm, в которой
нуклеосомы связаны друг
с другом, образуя суперспираль, при этом ДНК
укорочена в 40-60 раз
(рис.6.6). Соленоид представляет собой правозакрученную спираль, которая содержит по 6 нуклеосом в каждом витке
(рис.6.6, В, С).
Переход хроматина
Рис. 6.6. Образование соленоида –
II-й уровень компактизации ДНК
с I на II уровень и обратно
определяется химическими
превращениями гистона Н1. Фосфорилирование гистона Н1
вызывает суперспирализацию ДНП, а дефосфорилирование
гистона Н1 –деспирализацию соленоида (рис.6.6, А). Этот
механизм важен в регуляции экспрессии генов. Гистон Н1
связан как с нуклеосомной сердцевиной, так и с линкерной
ДНК, являясь, таким образом стабилизирующим фактором
для нуклеосом.
Третий уровень – петли (300700 nm) – образуется
и
поддерживается
106
Рис. 6.7. Присоединение петель к
белкам хромосомной оси (Scaffold)
при помощи ДНК- связывающих белков (SAR-белки –
Scaffold Associated Re-gions), которые узнают определенные
нуклеотидные последовательности двух отдельных участков хроматиновой фибриллы (рис.6.7). SAR–белки образуют хромосомную ось.
Четвертый уровень представляет конденсацию и
образование дополнительных петель, формирующих хроматиды метафазной хромосомы. Каждая хроматида имеет
толщину от 700 до 900 nm. Молекула ДНК в хромосоме
укорачивается в 10000 раз. Благодаря свойству хроматина упаковываться, в ядре клетки человека, имеющем диаметр около 4
μm, помещается 46 молекул ДНК
общей длиной около 2 м.
Метафазная
хромосома
состоит из двух идентичных
сестринских хроматид, соединенных центромерой на уровне
первичной перетяжки (рис.6.8).
Первичная перетяжка и пара кинетохор
(трехпластинчатый
диск из высокоорганизованной
хроматиновой фибриллы) являются сайтами прикрепления Рис. 6.8. Строение метафазной
хромосомы
микротрубочек веретена деления.
Центромера представляет собой точку соединения сестринских хроматид и сборки кинетохор. Центромера разделяет
хромосому на два плеча: проксимальное плечо (р) – короткое и дистальное плечо (q) – длинное. Центромерная область хромосомы состоит из ДНК и специальных белков.
Центромерная ДНК содержит тандемно повторяющиеся последовательности и дисперсные повторяющиеся последовательности, локализованные в перицентромерной области,
107
которые участвуют в узнавании гомологичных хромосом во
время конъюгации, удерживании сестринских хроматид до
конца метафазы и разделении их в анафазе. Размер центромеры у дрожжей составляет около 120 п.н. (рис.6.9). У выс-
Рис. 6.9. Строение центромеры у дрожжей
ших эукариот область центромеры значительно больше по
размеру и содержит сотни тысяч пар нуклеотидов.
Теломеры представляют собой комплексы ДНК и
специализированных белков, которые формируют концы
хромосом у эукариот.
Таблица 6.2. Разнообразие теломерных последовательностей
Вид
Макронуклеус жгутиковых (Tetrahymena)
Минихромосома у Trypanosoma
Хромосомы дрожжей Saccharomyces
Хромосомы растений (Arabidopsis)
Хромосомы человека
Повторяющаяся
последовательность
CCCCAA
CCCTA
C2 – 3A(CA)1 – 3
C3TA3
C3TA2
У прокариот молекулы ДНК имеют кольцевую форму, что препятствует их деградации. У эукариот ДНК имеет
линейную форму, а для обеспечения ее защиты от воздей108
ствия экзонуклеаз и сохранения индивидуальности хромосом (предупреждение
возникновения хромосомных перестроек) существует специфическая структура
–
теломера.
ПоРис. 6.10. Строение теломеры
следняя состоит из
коротких повторяющихся последовательностей ДНК (таб.
6.2). 3' – конец молекулы ДНК, более длинный и содержит
консервативные последовательности (GGGGTT)n, которые
образуют петлю посредством некомплементарных, неспецифических водородных связей G • G (рис.6.10).
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Контроль знаний:
Дайте определение: ядерная пора, ядрышковый организатор, эухроматин, гетерохроматин, нуклеосома, соленоид, гистон, центромера, теломера, хроматида.
Каковы структурные компоненты интерфазного ядра?
В чем особенности организации ядерной оболочки?
Какова роль порового комплекса?
Каковы этапы биогенеза рибосом?
Какие уровни упаковки хроматина существуют у эукариот?
Из каких структурных компонентов состоит нуклеосома?
109