Хроматиновые нити

Ядро клетки

Хроматиновые нити

Ядро – это обязательная часть клетки всех одноклеточных и многоклеточных эукариот. Ядро обычно имеет овальную форму, состоит из ядерной оболочки, ядерного матрикса, кариоплазмы, ядрышка и хроматина. Кроме того, в ядре находятся продукты его метаболической активности.

Ядерная оболочка состоит из двух биомембран, отделяющих ядро от цитоплазмы. Наружная (внешняя) ядерная мембрана по своему строению близка к мембране эндоплазматической сети (ЭПС). На ее поверхности расположено большое количество рибосом, так же как на мембранах шероховатой ЭПС.

Во многих клетках внешняя ядерная мембрана непосредственно переходит в систему каналов ЭПС, а у некоторых организмов в значительной степени даже заменяет ее. Внешняя мембрана ядерной оболочки не представляет собой идеально ровную поверхность – она может образовывать выпячивания в сторону цитоплазмы.

Клеточное ядро: 1 – наружная ядерная мембрана; 2 – внутренняя ядерная мембрана; 3 – рибосомы; 4 – хроматин; 5 – ядрышко; 6 – кариоплазма; 7 – ядерная пора; 8 – шероховатая ЭПС; 9 – перинуклеарное пространство; 10 – ламина

Внутреннюю мембрану ядерной оболочки внутри ядра подстилает плотная ядерная пластинка (ламина), состоящая преимущественно из промежуточных филаментов и выполняющая скелетную (опорную) функцию. Ламина принимает участие в фиксации хроматина – к ней могут прикрепляться концевые и другие участки хромосом.

Пространство между двумя мембранами ядерной оболочки называют перинуклеарным пространством.

Наружная ядерная мембрана переходит во внутреннюю в области ядерных пор. Ядерные поры имеют сложное строение, они обеспечивают избирательный транспорт различных веществ из цитоплазмы в ядро и из ядра в цитоплазму.

Ядерная пора – это не просто сквозное отверстие, она заполнена несколькими белковыми структурами, регулирующими транспорт веществ, и закреплена в мембране ядерной оболочки с помощью интегральных белков.

Совокупность ядерных пор и находящихся в них белков называют комплексом пор ядра или поровым комплексом. Ядерные поры очень сложно устроены и способны к некоторой автономной активности.

Иногда они встречаются не только в ядерной оболочке, но и в мембранах ЭПС и в некоторых других мембранных структурах цитоплазмы. Поэтому многие исследователи предлагают считать ядерную пору отдельным органоидом.

Ядерный поровый комплекс одинаково устроен у всех эукариот– он представляет собой цилиндрическую структуру: внешний диаметр поры около 100 нм, высота примерно 75 нм.

Количество ядерных пор у разных организмов составляет в среднем от нескольких сотен до нескольких тысяч на одно ядро.

Количество пор может меняться в течение клеточного цикла в зависимости от интенсивности метаболической деятельности ядра.

Схема строения порового комплекса: А – поровый комплекс (вид сверху); Б – поровый комплекс в разрезе; В – молекулярная организация порового комплекса: 1 – белки (глобулы) порового комплекса; 2 – наружная ядерная мембрана; 3 – внутренняя ядерная мембрана; 4 – перинуклеарное пространство; 5 – центральная часть (диафрагма) поры

Через ядерные поры некоторые вещества проходят пассивно и неизбирательно – это сравнительно небольшие молекулы сахаров и других органических соединений, ионы солей и др.

Активно и избирательно (с помощью специальных транспортных белков) через ядерные поры из ядра в цитоплазму переносятся белки, субъединицы рибосом, рибонуклеиновые кислоты и их комплексы с белками.

Из цитоплазмы в ядро переносятся крупные молекулы белков.

Функция ядерной оболочки – обеспечение двухстороннего регулируемого взаимодействия ядра и цитоплазмы.

Ядерный матрикс – это каркасная внутриядерная система, служащая объединяющей основой для всех ядерных компонентов: хроматина, ядрышка, ядерной оболочки. Он обеспечивает трехмерное пространство ядра, обособление всех компонентов друг от друга и упорядочение процессов репликации и транскрипции. Все компоненты ядерного матрикса могут значительно изменяться в процессе клеточного цикла.

Схема внутреннего строения клеточного ядра: 1 – ядерная оболочка; 2 – ядерная пора; 3 – ядерный матрикс; 4 – конденсированный диффузный хроматин; 5 – ядрышко (гранулярный и фибриллярный компоненты, в центральных светлых зонах находится ДНК); 6 и 7 – различные рибонуклеопротеиды (РНП); 8 – ламелла с хроматином; 9 – кариоплазма (ядерный сок) Кариоплазма (нуклеоплазма). Ядро клетки заполнено густой жидкоттью – кариоплазмой (от греч. karyon – ядро), или ядерным соком. По составу кариоплазма сходна с гиалоплазмой, поэтому низкомолекулярные вещества легко проходят через ядерные поры в обоих направлениях. Кариоплазма как жидкая среда обеспечивает протекание всех внутриядерных процессов и способствует пространственной организации хроматина. По сравнению с гиалоплазмой кариоплазма отличается значительно большей концентрацией ионов Na + , K + и Cl — и меньшим содержанием SO4 2- . В кариоплазме также больше свободной воды, чем в гиалоплазме.

Хроматин

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Хроматин
  • 2 Ядрышко
  • 3 Функции ядра

Главный компонент ядра – хроматин, являющийся основным носителем наследственных свойств клетки и всего организма. Количество хроматиновых нитей в интерфазном (неделящемся) ядре соответствует количеству митотических хромосом в делящемся ядре.

Хроматиновая нить – это хромосома в делящемся ядре.

Хроматин в эукариотических клетках может находиться в двух разных состояниях: максимально скрученном (конденсированном) во время митотического (и мейотического) деления клеток и разрыхленном (деконденсированном) в неделящемся ядре.

Очень часто термином «хромосома» называют хроматиновую нить именно в максимально конденсированном состоянии.

Чем слабее конденсация хроматина (то есть чем сильнее он раскручен), тем больше вероятность его участия в синтетических процессах.

Степень деконденсации хроматина бывает различной в ядрах клеток разных организмов, разных тканей, на разных участках одной и той же хроматиновой нити.

В интерфазном ядре (в промежуточной стадии между делениями клетки), когда хроматиновые нити деконденсированы, в них тем не менее остаются небольшие сильно конденсированные участки.

Такие уплотненные участки получили название гетерохроматина, а остальная масса деконденсированного хроматина – эухромитина.

Постоянно гетерохроматическими остаются теломерные (концевые), центромерные (при митозе связывающиеся с веретеном деления) и некоторые другие участки хромосом. Постоянный, или облигатный (обязательный), гетерохроматин генетически неактивен. На долю постоянного гетерохроматина приходится до 15 % всего хроматина у млекопитающих, до 60 % – у амфибий.

Состояние эухроматина в интерфазном ядре может сильно изменяться. Обычно в интерфазных клетках только около 10 % генов активны, а остальные находятся в большей или меньшей степени конденсированном состоянии. Например, у самок млекопитающих в интерфазе одна X-хромосома полностью спирализована. При попадании в дочернюю клетку эта же хромосома может оказаться в деконденсированном состоянии.

В состав каждой хроматиновой нити входит нить ДНК и несколько типов специальных белков. Среди белков хроматина выделяют гистоновые и негистоновые белки. Гистоновые белки, или гистоны, составляют около 80 % всех хроматиновых белков.

Несмотря на большое количество гистонов, их разнообразие невелико – всего пять – семь типов молекул. функция гистонов – обеспечение конденсации, или компактизации, хроматина.

Негистоновые белки в составе хроматина занимают небольшой объем, но очень многочисленны (несколько сотен) и разнообразны по функциям.

Ядрышко

Ядрышко (нуклеола) – плотное тельце, состоит преимущественно из рибонуклеопротеидов (РНП) – предшественников большой и малой субъединиц рибосом. Внутри ядра находится одно ядрышко (или несколько мелких). При делении ядра ядрышки обычно распадаются, а по окончании деления формируются заново.

Ядрышки обнаруживаются в ядрах почти всех эукариотических клеток. Ядрышко не является самостоятельной структурой ядра. Оно образуется в результате концентрации в определенном месте кариоплазмы участков хромосом, несущих информацию о структуре рРНК. Эти участки называют ядрышковыми организаторами.

Они содержат многочисленные копии генов, кодирующих рРНК. В ядрышке происходит процесс синтеза рРНК и формирование субъединиц рибосом. Ядрышко было открыто в 1774 году, но почти два века его функция была неизвестна. Предполагалось, что это какие-то запасные вещества, расходуемые ядром во время деления.

Только в середине XX века благодаря созданию электронного микроскопа строение и функция ядрышка были выяснены.

Функции ядра

Обладая генетической информацией, заключенной в хромосомах, при тесном взаимодействии с белками (ферментами) ядро управляет всеми процессами, обеспечивающими жизнедеятельность клетки: биохимическими, физиологическими, морфологическими. В ядре синтезируются рибонуклеиновые кислоты, субъединицы рибосом, некоторые белки. При делении клетки ядро обеспечивает передачу наследственной информации дочерним клеткам.

В ядре осуществляется хранение, воспроизведение, реализация и восстановление генетического материала.

Ядро находится в постоянном и тесном взаимодействии с цитоплазмой; в нем синтезируются молекулы-посредники (иРНК), переносящие генетическую информацию к центрам белкового синтеза в цитоплазме.

Таким образом, ядро контролирует синтез всех белков и через них – все физиологические процессы в клетке.

Поэтому экспериментально получаемые безъядерные клетки и их фрагменты всегда погибают, а при пересадке ядра в такие клетки их жизнеспособность восстанавливается.

Источник: https://blgy.ru/cell-nucleus-2/

Формы ДНК, структура и синтез

Хроматиновые нити

Дезоксирибонуклеиновая кислота – ДНК – служит носителем наследственной информации, передаваемой живыми организмами следующим поколениям, и матрицей для строительства белков и различных регуляторных факторов, потребных организму в процессах роста и жизнедеятельности. В этой статье мы остановимся на том, какими бывают наиболее распространенные формы структуры ДНК. Также мы обратим внимание на то, как строятся эти формы и в каком виде ДНК пребывает внутри живой клетки.

Уровни организации молекулы ДНК

Различают четыре уровня, определяющих строение и морфологию этой гигантской молекулы:

  • Первичный уровень, или структура – это порядок нуклеотидов в цепи.
  • Вторичная структура представляет собой знаменитую «двойную спираль». Устоялось именно это словосочетание, хотя на самом деле подобная структура напоминает винт.
  • Третичная структура образуется вследствие того, что между отдельными участками двухцепочечной закрученной нити ДНК возникают слабые водородные связи, придающие молекуле сложную пространственную конформацию.
  • Четвертичная структура – это уже сложный комплекс ДНК с некоторыми белками и РНК. В такой конфигурации ДНК упакована в хромосомы в ядре клетки.

Первичная структура: компоненты ДНК

Блоками, из которых строится макромолекула дезоксирибонуклеиновой кислоты, являются нуклеотиды, представляющие собой соединения, в состав каждого из которых входят:

  • азотистое основание – аденин, гуанин, тимин или цитозин. Аденин и гуанин относятся к группе пуриновых оснований, цитозин и тимин – пиримидиновых;
  • пятиуглеродный моносахарид дезоксирибоза;
  • остаток ортофосфорной кислоты.

При образовании полинуклеотидной цепочки важную роль играет порядок групп, образуемых атомами углерода в кольцевой молекуле сахара. Фосфатный остаток в нуклеотиде соединен с 5’-группой (читается «пять прайм») дезоксирибозы, то есть с пятым атомом углерода. Наращивание цепочки происходит путем присоединения к свободной 3’-группе дезоксирибозы фосфатного остатка следующего нуклеотида.

Таким образом, первичная структура ДНК в форме полинуклеотидной цепи – имеет 3’- и 5’-концы. Это свойство молекулы ДНК называется полярностью: синтез цепи может идти только в одном направлении.

Образование вторичной структуры

Следующий шаг в структурной организации ДНК базируется на принципе комплементарности азотистых оснований – их способности попарно соединяться друг с другом посредством водородных связей.

Комплементарность – взаимное соответствие – возникает по той причине, что аденин и тимин образуют двойную связь, а гуанин и цитозин – тройную.

Поэтому при формировании двойной цепи эти основания встают друг напротив друга, образуя соответствующие пары.

Полинуклеотидные последовательности располагаются во вторичной структуре антипараллельно. Так, если одна из цепочек имеет вид 3’ – АГГЦАТАА – 5’, то противоположная будет выглядеть следующим образом: 3’ – ТТАТГЦЦТ – 5’.

При образовании молекулы ДНК происходит закручивание сдвоенной полинуклеотидной цепи, причем от концентрации солей, от водонасыщенности, от строения самой макромолекулы зависит, какие формы может принимать ДНК на данной структурной ступени. Известно несколько таких форм, обозначаемых латинскими буквами A, B, C, D, E, Z.

Конфигурации C, D и E не встречены в живой природе и наблюдались только в лабораторных условиях. Мы рассмотрим основные формы ДНК: так называемые канонические A и B, а также конфигурацию Z.

А-ДНК – сухая молекула

А-форма – это правый винт с 11 комплементарными парами оснований в каждом витке. Диаметр его составляет 2,3 нм, а длина одного витка спирали – 2,5 нм. Плоскости, образуемые спаренными основаниями, имеют наклон 20° по отношению к оси молекулы. Соседние нуклеотиды расположены в цепочках компактно – между ними всего 0,23 нм.

Такая форма ДНК возникает при низкой гидратации и при повышенной ионной концентрации натрия и калия. Она характерна для процессов, в которых ДНК образует комплекс с РНК, поскольку последняя не способна принимать иные формы. Кроме того, А-форма весьма устойчива к ультрафиолетовому облучению. В этой конфигурации дезоксирибонуклеиновая кислота содержится в грибных спорах.

Влажная B-ДНК

При малом содержании солей и высокой степени гидратации, то есть в нормальных физиологических условиях, ДНК принимает свою главную форму B. Природные молекулы существуют, как правило, в В-форме. Именно она лежит в основе классической модели Уотсона-Крика и чаще всего изображается на иллюстрациях.

Данной форме (она также правозакрученная) свойственна меньшая компактность размещения нуклеотидов (0,33 нм) и большой шаг винта (3,3 нм). Один виток содержит 10,5 пары оснований, поворот каждой из них относительно предыдущей составляет около 36°. Плоскости пар почти перпендикулярны оси «двойной спирали». Диаметр такой сдвоенной цепочки меньше, чем у А-формы – он достигает только 2 нм.

Неканоническая Z-ДНК

В отличие от канонических ДНК, молекула типа Z представляет собой левозакрученный винт. Она самая тонкая из всех, имеет диаметр всего 1,8 нм. Витки ее длиной 4,5 нм как бы вытянуты; эта форма ДНК содержит 12 спаренных оснований на каждый виток. Расстояние между соседними нуклеотидами также достаточно велико – 0,38 нм. Так что Z-форма характеризуется наименьшей степенью скрученности.

Образуется она из конфигурации B-типа на тех участках, где в составе нуклеотидной последовательности чередуются пуриновые и пиримидиновые основания, при изменении содержания ионов в растворе.

Формирование Z-ДНК связано с биологической активностью и является очень кратковременным процессом. Подобная форма нестабильна, что создает трудности при исследовании ее функций.

Пока что они в точности не ясны.

Репликация ДНК и ее строение

И первичная, и вторичная структуры ДНК возникают в ходе явления, называемого репликацией – образования из материнской макромолекулы двух идентичных ей «двойных спиралей». При репликации исходная молекула расплетается, и на освободившихся одиночных цепочках происходит наращивание комплементарных оснований.

Поскольку половинки ДНК антипараллельны, этот процесс протекает на них в разных направлениях: по отношению к материнским цепочкам от 3’-конца к 5’-концу, то есть новые цепочки растут в направлении 5’ → 3’.

Лидирующая цепь синтезируется непрерывно в сторону репликационной вилки; на отстающей цепи синтез совершается от вилки отдельными участками (фрагменты Оказаки), которые затем сшивает между собой особый фермент – ДНК-лигаза.

Пока продолжается синтез, уже сформированные концы дочерних молекул претерпевают винтообразное закручивание. Затем, еще до окончания репликации новорожденные молекулы начинают образовывать третичную структуру в процессе, именуемом сверхспирализацией.

Сверхспирализованная форма ДНК возникает, когда двухцепочечная молекула совершает дополнительное закручивание. Оно может быть направлено по часовой стрелке (положительно) либо против (в этом случае говорят об отрицательной сверхспирализации). ДНК большинства организмов суперскручена отрицательно, то есть против основных витков «двойной спирали».

В результате образования дополнительных петель – супервитков – ДНК приобретает сложную пространственную конфигурацию.

В клетках эукариот этот процесс происходит с формированием комплексов, в которых ДНК отрицательно навивается на гистоновые белковые комплексы и принимает вид нити с бусинами-нуклеосомами. Свободные участки нити называются линкерами.

В поддержании суперскрученной формы молекулы ДНК принимают участие и негистоновые белки, а также неорганические соединения. Так образуется хроматин – вещество хромосом.

Хроматиновые нити с нуклеосомными бусинами способны к дальнейшему усложнению морфологии в процессе, называемом конденсацией хроматина.

Окончательная компактизация ДНК

В ядре форма макромолекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты становится чрезвычайно сложной, компактизируясь в несколько этапов.

  1. Во-первых, нить сворачивается в особую структуру типа соленоида – хроматиновую фибриллу толщиной в 30 нм. На этом уровне ДНК, сворачиваясь, сокращает свою длину в 6-10 раз.
  2. Далее фибрилла при помощи специфических скэффолд-белков образует зигзагообразные петли, что уменьшает линейный размер ДНК уже в 20-30 раз.
  3. На следующем уровне формируются плотно упакованные петельные домены, чаще всего имеющие форму, условно названную «ламповая щетка». Они прикрепляются к внутриядерному белковому матриксу. Толщина таких структур составляет уже 700 нм, ДНК при этом укорачивается приблизительно в 200 раз.
  4. Последний уровень морфологической организации – хромосомный. Петельные домены уплотняются настолько, что достигается общее укорочение в 10 000 раз. Если длина растянутой молекулы – около 5 см, то после упаковки в хромосомы она уменьшается до 5 мкм.

Высшего уровня усложнения формы ДНК достигает в состоянии метафазы митоза. Именно тогда она приобретает характерный облик – две хроматиды, соединенные перетяжкой-центромерой, которая обеспечивает расхождение хроматид в процессе деления.

Интерфазная ДНК организована до доменного уровня и распределяется в ядре клетки без особого порядка.

Таким образом, мы видим, что морфология ДНК тесно связана с различными фазами ее существования и отражает особенности функционирования этой важнейшей для жизни молекулы.

Источник: https://FB.ru/article/394138/formyi-dnk-struktura-i-sintez

Все о медицине
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: