III. Метафазные и анафазные хромосомы
Визуали- зация
| а) В процессе деления клетки (митоза или мейоза) хромосомы резко конденсируются, в результате чего значительно
укорачиваются и утолщаются.
б) После этого они становятся видимыми даже на светооптическом уровне.
|
Различие формы
| При конденсации разные хромосомы приобретают разную форму и по этому признаку могут быть идентифицированы.
|
Опреде- ление
| а) Морфологию хромосом, как правило, описывают по их состоянию на стадии метафазы или анафазы митоза.
б) Соответственно, хромосомы на этих стадиях называются метафазными и анафазными.
|
Гомология хромосом
| а) Изучение этих хромосом, в частности, показывает, что
хромосомы попарно гомологичны друг другу,
а состав одной (23-й) пары хромосом зависит от пола человека.
б) Очевидно, это относится и к интерфазным хромосомам.
|
Подробней структуру хромосом мы рассмотрим позже.
4.1.1.2.Характеристика хромосомной ДНК
I. Строение
|
Двойная спираль
| Любая из молекул хромосомной (ядерной) ДНК – очень протяжённая линейная структура, состоящая из двух полинуклеотидных цепей, которые
являются взаимно комплементарными и закручены в двойную спираль.
|
Компле- ментар- ность
| а) Комплементарность означает, что
против аденилового нуклеотида одной цепи всегда стоит тимидиловый нуклеотид другой цепи,
а против гуанилового нуклеотида всегда стоит цитидиловый.
б) В этих пaрах (А-Т и Г-Ц) нуклеотиды как бы дополняют друг друга по своей пространственной конфигурации, что обеспечивает максимально плотную упаковку цепей в двойной спирали.
|
Длина
| а) Молекулы хромосомных ДНК существенно различаются
по количеству в них нуклеотидных пар (н.п.) и, соответственно, по своей длине.
б) Поэтому различаются по длине и хромосомы – как интерфазные, так и метафазные.
в) Средняя же длина одной молекулы ДНК человека –
4 см (120.000.000 н.п).
г) Следовательно, общая протяжённость всех 46 молекул ДНК, находящихся в хромосомах одной клетки, – примерно 185 см.
|
Объясне- ние высокой длины ДНК
| Такая огромная (для молекулярного уровня) длина обусловлена тем, что совокупность внутриядерных молекул ДНК (а значит, и ядро каждой клетки) содержит информацию обо всём организме человека, а именно о
развитии, структуре и функционировании
всех его систем и органов.
|
II. Информационная функция ядерной ДНК
|
Информа- ция в ДНК
| Конкретно, в наборе молекул ядерной ДНК каждой клетки содержится следующая информация:
о первичной структуре (последовательности аминокислот) всех белков организма (исключение – некоторые белки митохондрий, кодируемые митохондриальной ДНК; п. 3.3.2.2),
о первичной структуре (последовательности нуклеотидов) примерно 60 видов транспортных РНК (тРНК) и 4 видов рибосомных РНК(рРНК),
а также, видимо, о программе использования данной информации в разных клетках в разные моменты онтогенеза.
|
Этапы передачи инфор- мации
| Передача информации о структуре белка включает 3 этапа:
транскрипцию ДНК – образование на участке ДНК как на матрице матричной РНК (мРНК), а точнее, её предшественника (пре-мРНК);
созревание мРНК (процессинг) и перемещение её в цитоплазму.
трансляцию мРНК(п. 3.3.1.3.) – синтез на рибосомах (в цитоплазме) полипептидной цепи (т.е. последовательности аминокислот) в соответствии с последовательностью нуклеотидных триплетов (кодонов) в мРНК.
|
Строение РНК
| Напомним: РНК любого вида (мРНК, рРНК, тРНК) представляет собой одиночную цепь, состояшую из рибонуклеотидов – адениловых, уридиловых, гуаниловых и цитидиловых.
|
III. Обнаружение ДНК в ядрах клеток
|
1. а) Обнаружить ДНК в клеточных ядрах можно с помощью метода Фёльгена (п. 1.1.4). –
б) При этой окраске
ДНК окрашивается в вишнёвый цвет, а прочие вещества и структуры - в зелёный.
2. а) На снимке мы видим, что, действительно, в ядрах (1) клеток содержится ДНК.
б) Исключения составляютядрышки (2):
в них содержание ДНК низкое, отчего они, как и цитоплазма (3), имеют на препарате зелёный цвет.
| 1. Препарат - дезоксирибо- нуклеиновая кислота (ДНК) в ядре клетки. Окраска по методу Фёльгена.
Полный размер
|
4.1.1.3. Функции ядра и внутриядерные процессы
|
Из вышесказанного ясно, что ядро соматической клетки должно выполнять 2 ключевые функции:
обеспечивать использование информации ДНК в самой клетке – в том объёме, в каком это необходимо данной клетке при данных условиях,
и сохранять наследственный материал для его продолжительного функционирования и для передачи дочерним клеткам (образующимся при делении исходной).
|
I. Использование информации ДНК
|
Основные процессы
| В рамках реализации данной функции в ядрах происходят указанные ранее процессы:
1. транскрипцияопределённых участков ДНК (синтез пре-мРНК),
2. созревание (процессинг) мРНК,
3. синтез и созревание тРНК и рРНК.
|
Суть процес- синга
| а) Пре-мРНК обычно содержат
не только кодирующие последовательности нуклеотидов – экзоны, но и некодирующие – интроны (чередующиеся с экзонами).
б) Поэтому одно из событий созревания пре-мРНК – это т.н. сплайсинг:
вырезание интронов и сшивание экзонов в единую цепь мРНК.
в) Затем к концам этой цепи присоединяются дополнительные последовательности, которые необходимы
для связывания с рибосомами и для защиты мРНК от преждевременного разрушения экзонуклеазами.
|
Другие процессы в ядре
(той же направ- ленности)
| К прочтению информации ДНК имеют отношение также следующие внутриядерные процессы:
4.формирование субъединиц рибосом (из рРНК и поступающих из цитоплазмы рибосомных белков) и
5. разнообразныерегуляторные процессы(в том числе модификация ДНК и хромосомных белков), изменяющие активность разных участков ДНК.
|
II. Сохранение и воспроизведение наследственного материала
Эту функцию ядра также обеспечивает целая серия процессов.
|
1. Репарация ДНК
| а) Репарация ДНК – это обнаружение и исправление возникающих повреждений структуры ДНК.
б) Репарация совершается практически постоянно, но её эффективность
меньше 100% и к тому же у взрослых людей постепенно снижается – примерно на 1% за год.
|
2. Реплика- ция ДНК
| а)Репликация(удвоение) ДНК происходит перед любым делением клетки (кроме второго деления мейоза).
б) В продуктах репликации – дочерних молекулах ДНК
одна из цепей оказывается старой, а вторая – новой (синтезированной на первой по принципу комплементарности).
Это означает, что репликация является
полуконсервативным процессом.
|
3. Конден- сация хромосом
| Конденсация хромосом
осуществляется уже в ходе деления клетки, в его начальной фазе, и облегчает последующее расхождение хромосом к полюсам делящейся клетки.
|
III. Уничтожение ядром своего наследственного материала
|
а) И ещё очень важный процесс может быть инициирован в ядре:
разрушение ДНК внутриядерными эндонуклеазами.
б) Это имеет место в ходе апоптоза – клеточного “самоубийства”, которое запускается
или тогда, когда в ДНК клетки накапливается слишком много неустранимых повреждений,
или по команде специальных химических сигналов, улавливаемых рецепторами плазмолеммы.
в) Более подробно апоптоз рассматривается в конце этой темы
|
IV. Особенности процессов в ядрах созревающих половых клеток
В ядрах созревающих половых клеток тоже могут происходить все перечисленные процессы – но с рядом особенностей.
|
1-2. Репарация и апоптоз
| а) В указанных клетках значительно ужесточаются (по сравнению с соматическими клетками) требования к качеству наследственного материала, передаваемого потомству.
б) Поэтому, как считают, резко повышаются
интенсивность репарационных процессов и вероятность апоптоза.
|
3. Конден- сация хромосом
| а) При созревании сперматозоидов происходит гораздо более значительное уплотнение хромосом, чем при делениях клеток.
б) Такая сверхконденсация хромосом достигается
путём смены хромосомных белков.
|
4-5. Конъюга- ция и кросс- синговер
| а) Кроме того, добавляются новые процессы – конъюгация и кроссинговер.
б) Они совершаются в ходе особого деления – мейоза – и заключаются в том, что гомологичные хромосомы
вначале прилегают друг к другу (это обозначается термином “конъюгация”),
а затем обмениваются некоторыми своими участками (кроссинговер).
в) Данный обмен повышает разнообразие генетического материала в половых клетках.
|
Таким образом, процессы, происходящие в клеточных ядрах, очень разнообразны и исключительно важны.
4.1.1.4. Выявление транскрипции в клеточных ядрах
Все вышеназванные процессы могут быть выявлены с помощью специальных методик. Продемонстрируем это на примере транскрипции ДНК, т.е. матричного синтеза РНК.
I. Принцип метода
|
Мечение уридином
| а) Экспериментальным животным in vivo вводят в кровь раствор радиоактивного уридина.
б) Данное соединение в клетках превращается в Н3–УТФ (уридинтрифосфат) - один из четырёх нуклеотидов, используемых при синтезе РНК.
в) Поэтому вскоре после введения метки она оказывается в составе новосинтезированных цепей РНК.
Замечание. - При синтезе ДНК вместо уридилового нуклеотида используется тимидиловый; так что Н3–УТФ включается только в РНК.
|
Последу- ющие проце- дуры
| а) Через определённое время животных забивают и готовят срезы изучаемых тканей.
б) Срезы покрывают фотоэмульсией. В местах нахождения радиоактивного соединения
происходит разложение фотоэмульсии и образуются гранулы серебра.
Т.е. последние являются маркёрами радиоактивной метки.
в) Затем срез (после промывки и закрепления) красят как обычный гистологический препарат.
|
2. Препарат - включение Н3–уридина в РНК. Окраска гематоксилин-эозином.
|
1. а) На представленном снимке мы видим, что меченое вещество (2) сосредоточено, главным образом, в ядрах (1) клеток.
б) Это и отражает тот факт, что
в ядрах происходит синтез всех видов РНК - мРНК, тРНК и рРНК.
|
Полный размер
|
2. Наличие метки в других частях препарата объясняется, например, тем, что
какая-то часть меченого вещества (Н3–уридина) не успела включиться в состав РНК,
а какая-то часть новообразованной РНК, наоборот, уже успела выйти из ядра в цитоплазму.
|
4.1.1.5. Структурные компоненты интерфазного ядра
|
3. Препарат - структура клеточного ядра. Клетки печени. Окраска гематоксилин-эозином.
|
Теперь обратимся к строению интерфазного ядра.
а) Будем использовать обычный препарат печени.
б) В печёночных клетках хорошо видны округлые ядра (1), окрашенные гематоксилином в фиолетовый цвет.
в) В ядрах же выявляется ряд структур.
|
Полный размер
|
1. Хроматин
| а) В соответствии с вышеизложенным,
главный компонент ядра - это хромосомы, но в интерфазе при световой микроскопии различить их по отдельности невозможно.
|
б) Поэтому используется термин "хроматин": им обозначают
совокупность всех интерфазных хромосом ядра.
Морфологически хроматин проявляется в виде тёмных глыбок (3).
|
|
в) Однако в этих глыбках – не весь хроматин:
часть хроматина, соответствующая деконденсированным хромосомам (и деконденсированным участкам хромосом), остаётся на световом уровне неразличимой.
|
2-3. Прочие различи- мые элементы
| Кроме глыбок хроматина, в ядре можно видеть
округлые ядрышки (4) и ядерную оболочку (кариоплазму) (2)
|
|
4-5. Матрикс
| а) Хроматин и ядрышки находятся во внешне бесструктурной среде – ядерном матриксе.
б) Оказалось, что в последнем имеются
своеобразный белковый каркас – кариоскелет,
и жидкая часть (раствор сложного состава) – ядерный сок, или кариоплазма.
в) Иногда под термином “кариоплазма” понимают весь ядерный матрикс.
|
Теперь рассмотрим перечисленные компоненты ядра более подробно.
4.1.2. Хроматин (хромосомы)
Хроматин занимает основную часть объёма ядра.
4.1.2.1. Типы хроматина
I. Эу- и гетерохроматин
|
Электронная микрофотография - ядро плазматической клетки.
|
1. Электронный уровень
На электронных микрофотографиях обнаруживается, что хроматин подразделяется на два типа:
эухроматин (2) – светлые (электронопрозрачные) области
|
Полный размер
|
игетерохроматин (1) – тёмные (электроноплотные) глыбки, которые расположены преимущественно на периферии ядра, прилегая к ядерной оболочке (3).
|
2. Природа эу- и гетеро- хроматина
| а) Из предыдущего изложения ясно, что
эухроматин – это те участки хромосом или целые хромосомы, которые находятся в деконденсированном (диффузном) состоянии,
а гетерохроматин– это, напротив, конденсированные (и потому электроноплотные) фрагменты хромосом или целые хромосомы.
б) В связи с этим,
эухроматин ещё называют диффузным хроматином, а гетерохроматин – конденсированным хроматином.
|
3. Световой уровень
| а) При световой микроскопииэухроматин, как уже отмечалось, в ядре не выявляется.
б) Те же глыбки, которые обычно обозначаются как “глыбки хроматина”, представляют собой на самом деле
лишь гетерохроматин.
|
4. Актив- ность эу- и гетеро- хроматина
| а) В конденсированных участках хромосом ДНК недоступна для разнообразных внутриядерных ферментов – в том числе для ферментного комплекса, осуществляющего транскрипцию ДНК.
б) В связи с этим,
гетерохроматин функционально неактивен,
а эухроматин, наоборот,активно участвует в транскрипции ДНК (синтезе пре-мРНК и других РНК).
|
Опреде- ления
| а) При изменении функционального состояния клетки или в процессе её дифференцировки возможен переход части гетерохроматина в эухроматин и обратно.
б) В связи с этим, гетерохроматин подразделяется на два вида:
факультативный гетерохроматин – способный превращаться в эухроматин,
и конститутивный гетерохроматин – никогда и ни в одной клетке к подобному превращению не способный.
|
Природа конститу- тивного гетеро- хроматина
| а) Вторая фракция гетерохроматина - это, видимо, те области хромосом, в которых ДНК
не содержит генов, а выполняет лишь структурную функцию.
б)Данные области расположены, в основном, вблизи центромерных участков хромосом.
|
III. Состояние хроматина в разных клетках
|
а) Из предыдущего следует: чем больше в ядре доля гетерохроматина,
тем ниже функциональная активность ядра, т.е. тем меньше скорость синтеза РНК.
б) Для иллюстрации этого положения рассмотрим два снимка.
|
Электронные микрофотографии - I - ядро нервной клетки, II - ядро малого лимфоцита.
|
1. Сверху – ядро нервной клетки (I). Здесь гетерохроматина очень мало - следовательно, ядро и клетка в целом функционально очень активны.
2. Внизу – лимфоцит (II). а) В его ядре преобладает гетерохроматин. б) Это вполне коррелирует с очень малым объёмом цитоплазмы, которая к тому же бедна органеллами.
в) Данная клетка циркулирует в крови, и процессы синтеза РНК и белков идут в ней с небольшой скоростью.
|
Полный размер
|
IV. Половой хроматин (тельце Барра)
Одним из компонентов гетерохроматина может быть т.н. половой хроматин (тельце Барра), встречающийся только у женщин.
|
Половые хромосомы у мужчин
| а) У мужчин в наборе хромосом каждой клетки содержится, как известно, по одной Х- и Y-половой хромосоме.
б) Обе они находятся в деконденсированном состоянии, т.е. входят во фракцию эухроматина.
|
Половые хромосомы у женщин
| а)У женщин в клетках содержатся по две Х-хромосомы.
б) А. Одна из них деконденсирована.
Б. Вторая же Х-хромосома всегда находится в конденсированном состоянии, образуя в ядре
компактное тельце - половой хроматин (тельце Барра).
|
4. Препарат - половой хроматин в лейкоцитах (мазок крови женщины). Окраска азур 2-эозином.
|
Обнаруже- ние полового хроматина в мазке крови
| а) Для обнаружения полового хроматина обычно исследуют мазок крови.
б) В нейтрофильных лейкоцитах женщин половой хроматин выявляется
|
Полный размер
|
в виде барабанной палочки (2), находящейся в одном из сегментов ядра (1).
в) По этому признаку в судебной медицине отличают кровь женщин от крови мужчин.
|
Другой способ
| Другой часто используемый в тех же целях объект –
эпителиальные клетки слизистой оболочки полости рта.
|
4.1.2.2. Химические компоненты хроматина. Белки хромосом
I. Общая характеристика
|
Перечень компо- нентов
| Как уже отмечалось, каждая из 46 хромосом представляет собой дезоксирибонуклеопротеин (ДНП), т.е. комплекс
очень длинной молекулы ДНК (или двух таких молекул – после репликации ДНК) с определёнными белками, а также с небольшим количеством РНК.
|
РНК хромосом
| а) Что касается РНК, то это
либо незавершённые продукты транскрипции, либо молекулы, выполняющие регуляторные, структурные или иные функции.
б) В последнее время особенно подчёркивается регуляторное влияние (на активность генов) т.н. малых молекул РНК.
|
Белки
| Содержание же белков в хромосомах (и в хроматине в целом) намного выше содержания не только РНК, но и ДНК:
по сравнению с последним (содержанием ДНК) оно обычно в 1,3–1,7 раза больше (по массе).
|
Охарактеризуем хромосомные белки подробней. По своим физико-химическим свойствам они делятся на основные и кислые.
II. Основные(в физико-химическом смысле)белки хромосом
|
Виды гистонов
| а) Основные белки представлены гистонами пяти видов:
Н1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4.
б) Всего на них приходится 60-80% массы всех хромосомных белков.
|
Особен- ности состава
| Гистоны обогащены
аминокислотами с положительно заряженными радикалами (аргинин, лизин) и
аминокислотами с гидрофобными радикалами (валин и т.п.).
|
Свойства
| При этом
благодаря радикалам аргинина и лизина гистоны взаимодействуют с ДНК (где каждый нуклеотид содержит отрицательно заряженную фосфатную группу),
а благодаря гидрофобным радикалам – друг с другом.
|
Функция
| а) Указанные взаимодействия приводят к образованию
первого (нуклеосомного) и второго (нуклеомерного) уровней укладки ДНК в хромосоме (о чём будет сказано ниже).
б) Таким образом, гистоны выполняют важную структурообразующую функцию.
|
III. Кислые белки хромосом
|
Кислые белки чрезвычайно разнообразны: имеется, по крайней мере,
несколько сотен их различных представителей.
|
Структур- ные белки
| По всей видимости, некоторые кислые белки тоже играют структурную роль, участвуя в образовании
высших (наднуклеомерных) уровней укладки хромосом.
|
Ферменты
| а) Другую группу составляют многочисленные ферменты, обеспечивающие процессы
репликации, модификации, репарации, транскрипции и даже разрушения ДНК.
б) Это не означает, что все работающие на ДНК ферменты постоянно связаны с ней: какие-то ферменты могут находиться в кариоплазме.
|
Регуля- торные белки
| а) Наконец, самой разнообразной по составу, видимо, является группа регуляторных белков.
б) Эти белки контролируют
активность вышеуказанных ферментов,
а также доступность тех или иных участков ДНК для этих ферментов.
|
4.1.2.3. Деконденсированные интерфазные хромосомы (эухроматин): нуклеосомный уровень организации
Как уже было сказано, благодаря гистонам хромосомы имеют нуклеосомную организацию.
I. Нуклеосома
|
Электронная микрофотография и схема - нуклеосомы.
|
а) Основа нуклеосомы –
глобула (1) из 8 белковых молекул (октамер),
содержащая по 2 молекулы гистонов четырёх видов (Н2А, Н2В, Н3 и Н4).
б) Вокруг одной такой глобулы
молекула ДНК делает примерно 2 оборота,
что и образует в итоге нуклеосому.
|
Полный размер
|
в) В участках между глобулами с ДНК связано ещё
по 1 молекуле гистона (Н1).
г) С учётом этих соединительных (линкерных) отделов, период нуклеосомной организации составляет примерно
200 нуклеотидных пар ДНК.
|
Кол-во нуклеосом
| Молекула ДНК участвует в образовании очень большого числа нуклеосом (в среднем, 600.000).
|
ДНК - цепь "бусин"
| В результате, на данном уровне организации
каждая хромосома представляет собой длинную нить "бусинок"-нуклеосом толщиной 10 нм,
а деконденсированный хроматин имеет мелкогранулярную структуру (2).
|
|
Влияние нуклеосом на доступ- ность ДНК
| а) Нуклеосомная организация не препятствует действию на ДНК внутриядерных ферментов.
б) Хотя не исключено, что в момент прохождения ферментного комплекса по какому-либо участку ДНК последний
на короткое время освобождается от связи с гистоновыми октамерами.
Но затем эта связь быстро восстанавливается.
|
Новообра- зуемые цепи ДНК
| Новообразуемые участки строящейся цепи ДНК (при репликации ДНК) тоже
почти сразу приобретают нуклеосомную структуру.
|
Итоги
| а) Таким образом, нуклеосомный уровень укладки присущ хромосомам
практически постоянно.
б)Заметим также: по сравнению с молекулой ДНК, нуклеосомная нить оказывается
в 6,2 раза короче –
благодаря закручиванию ДНК вокруг каждого октамера.
|
4.1.2.4. Конденсированные интерфазные хромосомы (гетерохроматин): нуклеомерная и хромомерная организация
а) Те интерфазные хромосомы или их части, которые образуют гетерохроматин, тоже имеют нуклеосомную организацию.
б) Однако здесь добавляются и следующие уровни укладки хромосомы.
I. Второй уровень: нуклеомерный
|
Роль гистона Н1
| Данный уровень образуется (при определённых условиях) в результате взаимодействия друг с другом
молекул гистона Н1, находящихся в составе нуклеосомной нити.
|
Названия структуры
| При этом нуклеосомная нить конденсируется в более плотную структуру толщиной около 30 нм:
нуклеомерную нить,или хроматиновую фибриллу.
|
Описание структуры
| а) Полагают, что нуклеомерная нить представляет собой суперспираль, причём такую, в которой вновь (как в нуклеосомной цепи) чередуются
глобулярные и линкерные участки.
б) Иначе говоря,
это цепочка “супербус” (нуклеомеров), где в одной “супербусине” – 5-8 нуклеосом.
|
Блокиро- вание активности генов
| а) Однако в этой цепочке
ДНК уже недоступна для ферментных комплексов (в т.ч. того, который осуществляет транскрипцию).
б) Поэтому данный уровень организации отсутствует у эухроматина.
|
Сокраще- ние длины хромосомы
| Там же, где нуклеомерная структура имеется, длина хромосомы (или её отдела, если конденсируется только он)
уменьшается ещё примерно в 6-7 раз.
|
II. Третий уровень: хромомерный
|
Факторы и принцип укладки
| а) Дальнейшая компактизация хромосом происходит под влиянием уже не гистонов, а
определённых кислыхбелков.
б) И начинает использоваться другой принцип укладки:
образование петель, или складок.
|
Описание структуры
| а) Так,
хроматиновая нить образует множество петель, а последние собираются в розетки.
б) Каждую розетку составляет несколько соседних петель, которые прикрепляются своими основаниями к общему белковому центру.
в) Подобные центры в большом количестве содержатся в ядерном матриксе.
|
Названия элементов структуры
| Таким образом, на этом уровне организации хромосома представляет собой цепь, состоящую из
розеток, которые называются также петельными доменами и хромомерами.
|
Особен- ность гетеро- хроматина
| В гетерохроматине розетки, видимо, расположены более-менее рыхло, т.е.
дальше компактизация хромосом не идёт.
|
4.1.2.5. Метафазные хромосомы: высшие степени конденсации
I. Третий уровень: хромонемный
|
Особен- ность метафаз- ных хромосом
| При формировании метафазных хромосом третий уровень компактизации выглядит несколько иначе:
петли в розетках и сами розетки (хромомеры) тесно прилегают друг к другу.
|
Названия структуры
| В таком состоянии хромомеры формируют нить толщиной 300 нм:
хромосомную фибриллу, или хромонему.
|
II. Четвёртый уровень: хроматидный
|
Вероятный способ организа- ции данного уровня
| а) Хромонема спирализуется или тоже складывается в петли.
б) При этом петли, возможно, образуют группы, которые
составляют сегмент хроматиды и связаны друг с другом короткими линкерными участками.
в) Это соответствует тому обстоятельству, что под действием повреждающих факторов хромосома может распадаться на сегменты.
|
Название структуры
| Продукт данного (и последнего) этапа конденсации –
хроматида толщиной 700 нм, одна из двух “половинок” метафазной хромосомы.
|
Параметры хромосомы
| а)Толщина всей хромосомы в состоянии максимальной компактизации – вдвое больше: 1400 нм
б) Зато длина хромосомы человека за счёт всех уровней укладки сокращается, в итоге, в 10.000 раз:
молекулы ДНК общей длиной ~200 см укладываются в метафазных хромосомах общей длиной ~200 мкм.
|
III. Резюме: уровни укладки метафазных хромосом
Вышеперечисленные уровни укладки метафазных хромосом суммированы в следующей таблице.
|
Уровень укладки
| Пояснение
| Толщина
| Сокращение длины
|
I. Цепь нуклеосом
| В каждой нуклеосоме молекула ДНК делает по 2 оборота вокруг белкового октамера.
| 10 нм
| В 6,2 раза
|
II. Нуклеомерная нить (хроматиновая фибрилла, или нить)
| Это цепочка нуклеомеров, содержащих по 5-8 нуклеосом, закрученных в суперспираль.
| 30 нм
| В 6-7 раз
(всего - примерно в 40 раз)
|
III. Хромонема (хромосомная фибрилла)
| Хроматиновая нить образует петли, собирающиеся в розетки, плотно прилегающие друг к другу.
| 300 нм
| Примерно в 250 раз
(всего - в 10000 раз)
|
IV. Хроматида
| Хромонема складывается в петли протяжённостью в 1 сегмент хроматиды.
| 700 нм
|
Метафазная хромосома
| Хромосома состоит из двух связанных друг с другом хроматид.
| 1400 нм
| Результи- рующее сокращение длины - как в хроматидах.
|
4.1.2.6. Кариотип человека
I. Введение
|
Опреде- ление
| а) Завершая конденсацию к началу метафазы митоза, хромосомы принимают определённую форму.
б) Соответственно, вводят понятие “кариотип” – это
совокупность числа, размеров и особенностей строения метафазных (или анафазных) хромосом.
|
Отличие анафазных хромосом от мета- фазных
| а) Заметим: метафазные хромосомы состоят из двух хроматид, которые начали расходиться, но ещё связаны в центромерной области. Поэтому они
имеют, как правило, х-образную форму.
б) Анафазные же хромосомы – это уже разошедшиеся хроматиды и потому похожи на
прямые или изогнутые палочки.
|
Набор анафазных хромосом здорового человека
а) Для характеристики кариотипа используют наборы как метафазных, так и анафазных хромосом.
б) В частности, на приведённом рисунке изображены анафазные хромосомы человека.
|
|
II.Общая характеристика кариотипа
|
Набор анафазных хромосом здорового человека
а) На этом рисунке те же хромосомы человека представлены уже в сгруппированном виде.
б) Это значительно упрощает характеристику кариотипа.
|
|
Пары хромосом
| а) Всего, как отмечалось в п. 4.1.1.1,III, в соматической клетке человека – 46 хромосом.
б) Они попарно гомологичны друг другу, так что всего получается 23 пары.
|
Аутосомы и половые хромосомы
| а) Хромосомы 22-х пар называются аутосомами, а одну пару образуют половые хромосомы (п. 4.1.2.1.IV):
две Х-хромосомы у женщин и по одной Х- и Y-хромосоме у мужчин.
б) При этом Y-хромосома почти вдвое короче Х-хромосомы.
|
Группы хромосом
| Кроме того, все хромосомы по размеру и форме подразделяются на 7 групп.
|
III.Характеристика хромосом
|
Отделы хромосомы
| а) Почти у каждой хромосомы обнаруживаются следующие части:
центромера (первичная перетяжка), плечи (части хромосомы по сторонам от центромеры), теломеры – конечные участки плеч.
б) В области центромеры находится
кинетохор – место прикрепления клеточного веретена.
|
Морфоло- гические типы хромосом
| По положению центромеры хромосомы делят на 3 вида:
метацентрические – с равными плечами (пример – 1-е хромосомы),
субметацентрические – с плечами неодинаковой длины (пример – 7-е хромосомы),
акроцентрические – одно плечо практически отсутствует (пример – 21-е хромосомы).
|
Локализа- ция генов рРНК
| а) У некоторых хромосом в одном из плеч имеется и вторичная перетяжка.
б) Это место расположения генов рибосомных РНК.
|
Набор анафазных хромосом человека с синдромом Дауна
а) При т.н. хромосомных болезнях кариотип отличается от нормального.
б) Например, при болезни Дауна в ядрах всех клеток присутствует дополнительная 21-я хромосома.
|
|
4.1.3. Прочие структуры ядра
4.1.3.1. Ядрышко
I. Введение
|
Общий вид
| а) Ядрышко (или нуклеола) – самая плотная структура ядра.
б) Обычно оно имеет округлую форму.
в) Нередко в ядре содержится несколько ядрышек.
|
Компоненты ядрышка
При электронной микроскопии в области ядрышка выявляются 3 компонента:
возле ядрышка -
связанные с ним участки хроматина (Сhr) - т.н. ядрышковые организаторы,
а в самом ядрышке -
фибриллярные компоненты(FC) и гранулярные структуры (G).
Рассмотрим их подробней.
| Электронная микрофотография - ядрышко.
|
II. Ядрышковые организаторы
|
Опреде- ление
| Ядрышковые организаторы - это те участки хромосом, которые содержат
гены рибосомных РНК.
|
Гены рРНК
| а) Напомним: всего имеется 4 вида рРНК (п. 3.3.1.1).
б) Гены трёх из них (28S, 18S и 5,8S) расположены рядом друг с другом, образуя кластер, транскрибируемый как единое целое.
в) Ген четвёртой, самой короткой, РНК (5S) располагается и транскрибируется отдельно.
|
Количе- ство и локализа- ция генов рРНК
| а) Указанный кластер, а также ген 5S-рРНК,
во-первых, повторяются определённое число раз (образуя тандемы),
и, во-вторых, содержатся (в виде тандемов) сразу в пяти парах хромосом: 13, 14, 15, 21 и 22 - а именно в области вторичной перетяжки этих хромосом.
б) Таким образом, всего имеется 10 ядрышковых организаторов.
в) Вместе они содержат у человека,
по одним оценкам, около 200 копий каждого гена рРНК, а по другим – на порядок больше.
|
Количе- ство ядрышек
| а) Количество ядрышек в ядре зависит от того, во сколько групп объединяются 10 ядрышковых организаторов – в одну, в две или больше.
б) Таким образом, ядрышко – это не самостоятельное образование, а производное определённых хромосом.
|
III. Фибриллярный и глобулярный компоненты
|
Фибрил- лярный компонент
| а) На кластерах генов рРНК активно происходит синтез предшественника рРНК – единой пре-рРНК,включающей нуклеотидные последовательности трёх рРНК.
б) Цепи предшественника тут же (в ядрышке) подвергаются созреванию:
разрезаются на отдельные рРНК, которые ещё определённым образом модифицируются.
в) Одновременно образуется и созревает пре-5S-рРНК.
г) Эти полинуклеотидные цепи: пре-рРНК и зрелые рРНК- и составляют фибриллярный компонент ядрышек.
|
Глобу- лярный компонент
| а) Тут же, в ядрышке, зрелые рРНК связываются с рибосомными белками, формируя субъединицы рибосом.
б) Последние представляют собой глобулярный компонент ядрышек.
в) Сформированные субъединицы выходят затем из ядра в цитоплазму.
|
IV. Выявление ядрышек при световой микроскопии
|
Окраска гем.-эоз.
| В случае световой микроскопии ядрышки (4) обычно различимы даже при обычной окраске (гематоксилином и эозином).
|
|
5. Препарат - РНК в цитоплазме и ядрышках клеток (поджелудочная железа). Окраска по Браше (метиловым зелёным - пиронином).
|
Окраска по Браше
а) Можно использовать также гистохимическую реакцию на РНК(по Браше).
б) Как мы видели в предыдущей теме, из всех компонентов ядра заметную реакцию при данной методике дают только ядрышки (2):
они окрашиваются в малиновый цвет.
|
Полный размер
|
в) Очевидно, это связано с высоким содержанием в ядрышках рРНК и их предшественников.
г) Напомним: этот же препарат иллюстрирует и наличие РНК в цитоплазме (1) (в составе рибосом), о чём говорилось в теме 3.
|
4.1.3.2. Ядерная оболочка
|
Ядерная оболочка имеет 2 особенности:
во-первых, она состоит из двух мембран, а во-вторых, содержит поры.
|
I. Мембраны ядерной оболочки
|
Электронные микрофотографии - ядерная оболочка. I. Обычный способ приготовления препарата. II. Метод замораживания и скалывания.
|
Общее описание
а) Различают
внешнюю (1) и внутреннюю (2) ядерные мембраны.
б) Они разделены перинуклеарным пространством (3).
в) Таким образом, ядерная оболочка – это полый двуслойный мешок.
|
Полный размер
|
Природа внешней мембраны
| а) С внешней ядерной мембраной со стороны гиалоплазмы связаны рибосомы (5).
б) Т.е. эту мембрану можно рассматривать как
компонент гранулярной эндоплазматической сети (6).
|
Роль внутренней мембраны
| а) А внутренняя ядерная мембрана связана с элементом ядерного матрикса – ядерной пластинкой (ламиной).
б) К последней же крепятся концы всех хромосом, причём, в строго определённых местах.
в) Таким образом, внутренняя мембрана выполняет опорную функцию.
|
Функция
| Через поры в ядерной оболочке происходит интенсивный транспорт молекул и крупных частиц:
а) в ядро из цитоплазмы –
нуклеотидов (предшественников ДНК и РНК), хромосомных и рибосомных белков, регуляторных факторов и т.д.;
б) из ядра в цитоплазму – многочисленных
мРНК, тРНК, рибосомных субъединиц и пр.
|
Коли- чество пор
| а) Поэтому количество пор в ядерной оболочке тем больше, чем интенсивней идут в клетке синтетические процессы.
б) Обычно всего в оболочке ядра – 2000 – 4000 пор.
|
Отверстие поры
| а) В области краёв поры (4) внутренняя и наружная мембраны сливаются, образуя округлое
отверстие диаметром 120 нм.
б) В отверстие встроен т.н. комплекс поры.
|
|
Комплекс поры
| а) Комплекс поры включает:
тонкую диафрагму, закрывающую отверстие и пронизанную цилиндрическими каналами диаметром 10 нм;
а также связанные с мембраной белковые гранулы.
б) Из этих гранул
одна расположена в центре комплекса, а 8 пар других – по периферии комплекса (с обеих сторон от диафрагмы).
в) Центральная гранула связана фибриллами с периферическими.
г) В итоге структура напоминает велосипедное колесо.
|
Переме- щение веществ через пору
| а) Относительно небольшие молекулы диффундируют пассивно через гидрофильные каналы поры.
б) А более крупные молекулы и частицы переносятся путём активного транспорта с затратой энергии ГТФ. Причём, в этом участвуют
рецепторные белки, узнающие объект транспорта,
и специальные белки, обеспечивающие (неизвестным пока способом) перемещение транспортного комплекса через диафрагму поры.
в) По-видимому, центральная гранула – это и есть проходящий через пору транспортный комплекс.
|
Специаль- ный метод исследо- вания
| а) Чтобы наблюдать внутреннюю поверхность ядерных мембран(II), используют особый способ приготовления препарата:
замораживание и последующее скалывание,
|
|
а затем - травление и напыление образца.
б) В итоге, ядерные поры проявляются как округлые углубления.
|
4.1.3.3. Ядерный матрикс (кариоскелет)
|
Компо- ненты
| К кариоскелету относятся
ядерная пластинка (ламина) и внутриядерная фибриллярная сеть.
|
Ядерная ламина
| а) Ядерная ламина образована многочисленными промежуточными филаментами.
б) Как уже было сказано, она
связана с внутренней поверхностью внутренней мембраны и служит местом крепления концов хромосом.
|
Фибрил- лярная сеть
| Полагают, что внутриядерная фибриллярная сеть - тоже (как и ламина) своего рода каркас, который используется для фиксации
хромосом и разнообразных белковых комплексов с ферментативной или регуляторной функцией.
|