Клеточное ядро ( ядерный аппарат )

· Ядро эукариот – двумембранная структура; большинство клеток имеют одно ядро шаровидной или яйцевидной формы (есть ядра с серповидной, лопастной и другой формы), однако есть клетки с двумя (клетки печени) и более ядрами, многоядерные (многие протисты, водоросли, низшие грибы, млечные сосуды растений, поперечнополосатые мышечные волокна) и безъядерные (зрелые эритроциты млекопитающих, ситовидные трубки флоэмы цветковых)

Функции ядра (определяются локализованной в ядре ДНК)

1. Хранение и воспроизведение наследственной генетической информации (информационный центр клетки), определяющей все признаки данной клетки и всего организма (генетическая информация закодирована в форме генов, совокупность которых сосредоточена в ДНК; ядро содержит практически всю ДНК клетки)

q Центр управления обменом веществ т. к. образующаятс на генах ДНК и-РНК определяет, какие белки и ферменты и в какое время должны синтезироваться на рибосомах (при удалении ядра из клетки, она как правило, быстро погибает)

q Передача наследственной генетической информации дочерним клеткам в процессе деления

2. Синтез всех видов РНК и образование рибосом

Структурные компоненты ядра

· Строение ядра рассматривается в интерфазе – рабочей фазе, когда хромосомы функционируют в промежутке между двумя делениями (ядро первым описано среди клеточных структур, поскольку является крупнейшей клеточной органеллой)

· Форма, размеры и структура ядра изменятся в зависимости от функционального состояния клетки

· Ядро может двигаться пассивно с движением цитоплазмы (возможно самостоятельное движение амёбоидного типа)

· Включает следующие структурные компоненты:

Ядерную оболочка (отделяет содержимое ядра от цитоплазмы и формирует связь с ЭПС и КГ)

q Состоит из из двух элементарных мембран по 8 нм толщиной

q Наружная мембрана местами переходит непосредственно в мембрану эндоплазматической сети (ЭПС), являясь её производной и комплекса Гольджи (КГ), образуя с ними функционально единую систему и может быть покрыта рибосомами; по химическому составу и функциям наружная и внутренняя мембраны отличаются друг от друга; мембраны ядра могут расти, увеличивая поверхность или наоборот сокращаться за счёт мембран ЭПС

q Между наружной и внутренней мембранами находится перинуклеарное пространство (30 нм), заполненное жидкостью, аналогичной жидкости в полостях ЭПС

q В местах слияния обеих мембран образуются многочисленные округлые перфорации, заполненные сложной структурой из глобулярных белков – ядерные поры (поровый комплекс), имеющие относительно крупные размеры около 30 - 130 нм; чем моложе клетка и выше интенсивность метаболизма, тем больше ядерных пор (до 10⁶ в сперматозоиде)

q Через поры происходит регулируемый транспорт веществ из ядра в цитоплазму и обратно (из ядра выходят молекулы м-РНК и т-РНК, субъединицы рибосом, а внутрь проходят структурные рибосомные и ферментные белки, нуклеотиды (свободно транспортируются лишь водорастворимые соединения, белки и липиды птранспортируются избирательно), т. е. осуществляется избирательная проницаемость ядерной оболочки

q Ядерная оболочка разрушается при делении клетки, а затем вновь образуется за счёт мембран ЭПС и частично из фрагментов старой ядерной оболочки

v Ядра практически всех эукариот имеют опорную ядерную пластинку – ламину, которая плотно примыкает к внутренней мембране взаимодействуя с её белковым слоем; ламина имеет сетеподобную фибриллярную структуру; белки, входящие в её состав принимают участие в разрушении ядерной оболочки в процессе деления клетки

v Ламина выполняет ключевую роль в формировании и поддержании формы оболочки ядра после деления клетки и образовании порового комплекса

Ядерный сок или кариоплазма, нуклеоплазма (матрикс)

q Внутрення среда ядра, заполняющая пространство между его структурами (бесструктурна, имеет гелеобразную вязкость цитозоля, содержит опорные фибриллярные белки, биоколлоид)

q Химический состав включает белки, выполняющие ферментативную и опорную функцию, ионы, нуклеотиды, ферменты, аминокислоты, продукты обмена веществ и различные РНК; содержит большое количество гранул – транзитные рибосомы, идущие из ядра в цитоплазму

q Во время деления клетки и растворения ядерной оболочки смешивается с цитоплазмой

q Весь матрикс ядра пронизан хроматином, представляющим собой высшую ступень спирализации ДНК с белками гистонами (во время клеточного деления хроматин принимает ещё более компактную форму, образуя хромосомы)

q Функция кариоплазмы заключается в реализации взаимосвязи между всеми структурами ядра, поддержании его формы, организации наследственного материала – ДНК и хроматина

Хроматин – спецефически окрашивающиеся основными красителями глыбки, гранулы и нитчатые структуры лежащие в кариоплазме

q Основу хроматина составляют нуклеопротеины (40% ДНК и 40% белка), а также некоторое количества РНК и других хромосомных компонентов (хроматин – является формой существования хромосом в интерфазном ядре)

v Различают хромосомные белки двух типов – основные белки, называемые гистонами (выполняют фунцию структурирования ДНК и регуляции транскрипции), и гетерогенные белки, кислые, называемые негистоновыми (специфические белки-регуляторы)

v В основе структуры хроматина лежит нуклеосомная нить, состоящая из повторяющихся единиц – нуклеосом и напоминающая цепочку бус (III структура молекулы ДНК)

v Нуклеосома (элементарная единица хроматина) – фрагмент молекулы ДНК, комплексированный (соединённый) с белковым телом, состоящим из 8 молекул гистоновых белков – коры (молекула ДНК спирально накручивается на белковую кору на длину двух витков, поэтому количество ДНК и гистонов эквивалентно); в хроматине не вся ДНК связана с нуклеосомами, около 10-13% её длинны свободнао от них и образует соединения между нуклеосомами – линкеры

v Разные участки интерфазных хромосом имеют разную степень компактизации (конденсации); в зависимости от состояния хроматина выделяют:

Эухроматин – слабо спирализованные участки хроматина, состоящие из генетически активной ДНК, способные к транскрипции и реализации генетической информации

Гетерохроматин – плотно спирализованная часть хроматина, генетически инертная, нетранскрибируемая часть ДНК

Ядрышко

q Внутриядерная немембранная структура эукариотических клеток, расположенная в матриксе (округлое тельце диаметром около 1 –2 мкм); форма, размеры и количество ядрышек зависят от функционального состояния ядра (чем крупнее ядрышко, тем выше его активность)

q В ядре может быть одно или несколько ядрышек, от 1 до 5 –10 (иногда, например в в ядрах дрожжевых клеток, их нет совсем), что зависит от функциональной активности клетки; в период деления клетки ядрышко исчезает (материал ядрышка диспергируется, становиться невидимым), а во время окончания деления вновь возникает под влиянием ядрышковых организаторов

q В состав ядрышек входят около 80% белка, 10-15% РНК, что в 3 раза больше, чем в самом ядре и цитоплазме, некоторое количество ДНК (до 15% от всей сухой массы ДНК ядра)и других компонентов

q Ядрышко не является самостоятельной структурой, а есть производное хромосом; оно образуется вокруг участков некоторых хромосом, содержащих множество копий генов, кодирующих структуру р-РНК; эти хромосомы называются ядрышковыми, а участок хромосомы (ДНК), содержащий гены синтеза р-РНК – ядрышковый организатор (ЯО)

Функции ядрышка

· Активно функционирует только в интерфазе митотического цикла

1. Синтез и организация р-РНК (в ядрышке происходит объединение р-РНК со структурными рибосомными белками и образование рибонуклеопротеинов – предшественников рибосом)

q В переферической области ядрышка начинается свёртывание р-РНК и формирование субъдиниц рибосом, которые через ядерные поры переходят в цитоплазму, где завершается их сборка

q Ядрышко – это скопление р-РНК и рибосом на разных этапах формирования

Хромосомы (гр. chroma – цвет, soma – тело)

· Наиболее важные структурные компоненты ядра

· Хромосомы животных и растений образуются в процессе конденсации (спирализации) динуклеопротеина (ДНП) хроматина, в результате чего происходит компактизация ДНК

Уровни компактизации ДНК

q Первый уровень – нуклеосомный – образует структуру нуклеосомной нити в виде «бусинок на нитке», при этом происходит укорочение ДНК примерно в 7 раз (образует интерфазный хроматин)

q Второй уровень – нуклеомерный, где идёт объединение 8-10 нуклеосом в виде глобулы

q Третий уровень – хромомерный, где нуклеомерные фибриллы образуют многочисленные петли, соединённые скрепками из негистоновых белков

q Четвёртый уровень – хромонемный (хроматидный) – образуется за счёт сближения в линейном порядке хромомерных петель с образованием хромонемной нити (хроматиды)

q Пятый уровень – хромосомный – образуется в результате спиральной укладки хромонемы (или хроматиды); в результате всех уровней компактизации хромосомы уплотняются и укорачиваются в 500 раз

· Хромосоы могут находиться в двухструктурно-функциональных состояниях: в конденсированном (спирализованном) и деконденсированном (деспирализованном). В неделящихся клетках хромосомы деконденсированны не видны в световой микроскоп и обнаруживаются в виде глыбок и гранул хроматина - это их рабочее состояние (чем более диффузен хроматин, тем интенсивнее в нём синтетические процессы). Ко времени деления клетки происходит конденсация (спирализация) хроматина и хромосомы становятся хорошо заметными в световой микроскоп

· Каждая хромосома содержит одну гигантскую двухцепочечную молекулу ДНК (наиболее крупные молекулы ДНК имеют длину несколько сантиметров), гистоновые основные и негистоновые кислые белки, немного РНК ионы, фосфолипиды, гормоны, полисахариды, минеральные вещества – ионы Са²⁺, Мg²⁺, а также фермент ДНК полимеразу, необходимый для репликации ДНК.

v Во фракции хроматина весовые соотношения ДНК: гистоны: негистоновые белки: РНК: липиды равны 1: 1: 0,2: 0,1: 0,01

· Морфологию хромосомы лучше всего изучать в момент их наибольшей конденсации – в метафазе митоза (клеточного деления)

· На различных участках одной и той же хромосомы спирализация, к о мпактность её основных элементов неодинакова, с этим связана различная интенсивность окраски отдельных участков хромосомы:

q Гетерохроматические участки (состоящие из гетерохроматина) – интенсивно воспринимают красители, даже в период между делениями клетки остаются компактными, интенсивно спирализованными, видимыми в световой микроскоп; гетерохроматин выполняет преимущественно структурную функцию и не участвует в синтезе белка (потеря участков гетерохроматина не отражается на жизнедеятельности клетки); занимают одни и те же участки в гомологичных хромосомах и обуславливают характерную для каждой хромосомы поперечную исчерченность (чаще составляют участки, прилегающие к центромере и находящиеся на концах хромосомы)

q Эухроматические участки (состоят из эухроматина) – слабо окрашивающиеся, деконденсирующиеся в период между делениями клетки и становящиеся невидимыми; эухроматин содержит в себе гены, определяющие синтез белков, ферментов, РНК и жизнедеятельность клетки

· Хромосомы во время деления клетки, в период метафазы имеют форму ниточек, палочек и т. д. В метафазных хромосомах выделяют:

q Первичную перетяжку – утончённый неспирализованный участок, делящий хромосому на два плеча; в ней расположена центромера (кинетохор) – пластинчатая структура в виде диска, связанная с с телом хромосомы тонкими фибриллами, к которой при делении клетки прикрепляются нити веретена деления, разводящие хромосомы к полюсам. Место расположения первичной перетяжки у каждой пары хромосом постоянно, оно обуславливает форму хромосом, в зависимотси от места расположения центромеры различают три основных типа хромосом:

v Метацентрические (равноплечие) – имеют плечи равной величины

v Субметацентрические (неравноплечие) – плечи неравной величины – короткое и длинное

v Акроцентрические – имеют палочковидную форму с очень коротким, почти незаметным вторым плечём

v Могут возникать и телоцентрические хромосомы в результате отрыва одного плеча, у них остаётся только одно плечо, а центромера находится на конце хромосомы (в нормальном кариотипе такие хромосомы не встречаются)

q Концы плеч хромосом называются теломерами, это специализированные участки, препятствующие соединению хромосом между собой (лишённый теломеры конец хромосомы оказывается «липким» и легко присоединяет фрагменты хромосом или соединяется с такими же участками); в норме теломеры препятствуют процессам «слипания» и сохраняют хромосому как дискретную единицу, т. е. обеспечивают её индивидуальность

q Некоторые хромосомы имеют глубокие вторичные перетяжки, отделяющие участки хромосом, называемые спутниками (такие хромосомы могут сближаться друг с другом, вступать в ассоциации, а вторичные перетяжки в виде длинных тонких нитей, переплетаясь, способствуют образованию ядрышек). Именно эти участки (вторичные перетяжки) содержат гены синтеза р-РНК и являются ядрышковыми организаторами (у человека вторичные перетяжки имеются на длинном плече 1, 9 и 16 хромосом и на концевых участках коротких плеч 13 - 15 и 21 – 22 хромосом и называются ядрышковыми хромосомами)

· Установлено, что каждый биологический вид растений и животных имеет определённое и постоянное число, размер и форму хромосом – кариотип (число хромосом, их форма и размеры – видовой признак); эта особенность известна как правило постоянства числа хромосом (так, в ядрах всех клеток человека находится 46 хромосом, у мухи дрозофилы – по 8, аскариды – по 2 и т. д.)

Кариотип – определённое и постоянное для каждого вида число, форма, размеры и другие качественные особенности хромосом

· Число хромосом не зависит от уровня организации и не всегда указывает на родство организмов: одинаковое их количество может быть у очень далёких систематических групп и может сильно отличаться у бдизких по происхожлеению видов. Однако хромосомный набор в целом – кариотип – видоспецефичен,т. е. присущ тлько одному какому-то виду организмов

· Правило парности хромосом. Число хромосом в клетке всегда парное (это связано с тем, что хромосомы составляют пары, например, у аскариды одна пара хромосом, у дрозофилы – 4, у человека – 23 и т. д.)

q Хромосомы, относящиеся к одной паре, называются гомологичными (гомологичные хромосомы одинаковы по величине, форме, расположению центромер и гетерохроматиновых участков – имеют одинаковую поперечную исчерченность, содержат гены, отвечающие за одни и теже признаки организма (гомологичные гены); одна из них всегда от отцовского организма, вторая – от материнского

q Негомологичные хромосомы всегда отличаются по указанным выше признакам (содержат гены, кодирующие разные признаки клетки и организма -– негомологичные гены); каждая пара хромосом характеризуется своими особенностями – правило индивидуальности хромосом

q В последовательных генерациях (поколениях) клеток сохраняется постоянное число хромосом и их индивидуальные особенности, т. к. хромосомы обладают способностью к авторепродукции (самоудвоению) при делении клеток – правило непрерывности хромосом

· В ядрах соматических клеток (т. е. клеток тела) содержится полный двойной набор хромосом (в нём каждая хромосома имеет себе гомологичную хромосому), такой набор называется диплоидным и обозначается 2n; количество ДНК, соот ветствующее диплоидному набору хромосом обозначают как 2с

· В ядрах половых клеток из каждой пары гомологичных хромосом присутствует лишь одна хромосома (все хромосомы в ядре половых клеток негомологичны); такой одинарный набор хромосом называется гаплоидным и обозначается n (соответственно количество ДНК - 1с)

· При оплодотворении происходит слияние половых клеток, каждая из котрых вносит в зиготу гаплоидный набор хромосом и восстанавливается диплоидный набор: n + n = 2

· При сравнении хромосомных наборов из соматических клеток мужских и женских особей, принадлежащих одному виду, лбнаруживаются отличие в одной паре хромосом, эта пара получила название половых хромосом, или гетеросом, все остальные пары хромосом, одинаковые у обоих полов, имеют общее название аутосом (так в кариотипе человека 22 пары аутосом и одна пара гетеросом)

Митохондрии

· Имеются только в эукариотических клетках (в прокариотических клетках функции митохондрий осуществляют мезосомы)

· Палочковидные, нитевидные или шаровидные органеллы диаметром около 1мкм и длиной до 7 мкм (число их разных клетках колеблется от 50 до 5000 и зависит от энергетических трат – чем больше энергии затрачивает клетка, тем больше в ней митохондрий; в молодых эмбриональных клетках они более многочисленны, чем в стареющих; в сперматозоидах, клетках дрожжей, некоторых грибов имеется одна гигантская, сильно разветвлённая митохондрия, а в женских половых клетках их число достигает нескольких сотен тысяч)

· Стенка митохондрий состоит из двух мембран,отличающихся по химическому составу, набору ферментов и функциям: наружная – гладкая и внутренняя, образующая многочисленные складки – кристы, которые глубоко проникают в матрикс (чем боьше крист тем больше площадь внутренней мембраны и больше ферментов располагается на её поверхности)

q На обращённой в матрикс поверхности расположены субчастицы (АТФ–сомы) в форме головки с короткой ножкой, которыми эти частицы прикрепляются к мембране (головка состоит из белка и содержит ферменты, участвующие в синтезе РНК; если мембрану очистить от субчастиц, то синтез АТФ прекращается)

q Между мембранами имеется пространство шириной около 20 нм, имеющее важное функциональной значение

q На внутренней мембране (включая субчастицы) и межмембранном пространстве размещаются комплексы ферментов транспорта электронов, которые катализируют окисление органическ субстратов (глюкозы, жирных кислот, аминокислот) – дыхательная, электронно-транспортная цепь

· Внутреннее пространство митохондрий заполнено гомогенным веществом – матриксом

q В матриксе располагается основное количество ферментов, гранулы, содержащие ионы К⁺ , Мg²⁺ гликоген, липиды, витамины

q В матриксе имеется собственные аппарат синтеза белка, состоящий из 2 – 6 копий кольцевой двуцепочечной молекулы ДНК, сходной с ДНК прокариот (т.е. не содержащей белков гистонов) рибосом 70S, т-РНК и ферментов, участвующих в синтезе белка

q Сходство молекулы ДНК и рибосом 70S с прокариотическими позволило выдвинуть признаваемую современной наукой гипотезу происхождения митохондрий в результате симбиоза прокариот с эукариотами (предполагается что на заре жизни митохондрии существовали независимо в виде аэробных прокариот, затем вступили в симбиоз с крупными анаэробными эукариотическими клетками и вели первоначально паразитический образ жизни в процессе эволюции потеряли независимость, сохранив признаки прокариот)

q Потеря генетической независимости заключается в том, что в ДНК митохондрий содержаться гены, кодирующие осуществление синтеза белков, идущих внутри митохондрии на обновление только внутренней мембраны, гены митохондральных р-РНК и т-РНК; синтез основных белков митохондрий закодированна в ядре и поэтому осуществляется вне самого органоида, т. е. в цитоплазме

q Существует структурная связь митохондрий с ядром в виде трубочек, соединяющих митохондрии с ядерной оболочкой для обмена веществ между ними

· Митохондрии размножаются путём деления (перешнуровки) независимо от деления клетки (т. е. обладают относительной генетической автономностью)

v Таким образом между митохондриями клеток последовательных генераций (поколений) осуществляется преемственность

Функции митохондрий

1. Ферментативное окисление органических субстратов и синтез АТФ в процессе окислительного фосфорилирования (накопленная молекулами АТФ энергия расходуется на эндотермические процессы в клетке и организме – ростовые процессы, новые синтезы и т. д., поэтому митохондрии называют энергетическими станциями клетки); количество митохондрий резко увеличивается в клетках с повышенной эндотермической активностью (до 5000) – скелетные мышцы, железы, нейроны, клетки печени и т. д.

q В митохондриях осуществляется обеспечение клеток энергией – преобразование и аккумуляция энергии химических связей питательных веществ, выделяющейся при окислении в энергию макроэргических связей АТФ в процессе клеточного дыхания

Одномембранные органоиды (вакуолярная система клетки)