Хроматин в зависимости от локализации в ядре. Ядро

Хроматин — это вещество хромосом — комплекс ДНК, РНК и белков. Хроматин находится внутри ядра клеток эукариот и входит в состав нуклеоида у прокариот. Именно в составе хроматина происходит реализация генетической информации, а также репликация и репарация ДНК.

При наблюдении некоторых живых клеток, особенно растительных или же клеток после фиксации и окраски, внутри ядра выявляются зоны плотного вещества. В состав хроматина входит ДНК в комплексе с белком. В интерфазных клетках хроматин может равномерно заполнять объем ядра или же располагаться отдельными сгустками (хромоцентры). Часто он особенно четко выявляется на периферии ядра (пристеночный, примембранный хроматин) или образует внутри ядра переплетения довольно толстых (около 0. 3 мкм) и длинных тяжей, образующих подобие внутриядерной цепи.

Хроматин интерфазных ядер представляет собой несущие ДНК тельца (хромосомы), которые теряют в это время свою компактную форму, разрыхляются, деконденсируются. Степень такой деконденсации хромосом может быть различной в ядрах разных клеток. Когда хромосома или ее участок полностью деконденсирован, тогда эти зоны называют диффузным хроматином. При неполном разрыхлении хромосом в интерфазном ядре видны участки конденсированного хроматина (иногда называемого гетерохроматин). Показано, что степень деконденсации хромосомного материала в интерфазе может отражать функциональную нагрузку этой структуры. Чем более диффузен хроматин интерфазного ядра, тем выше в нем синтетические процессы. Падение синтеза РНК в клетках обычно сопровождается увеличением зон конденсированного хроматина.

Максимально конденсирован хроматин во время митотического деления клеток, когда он обнаруживается в виде плотных телец - хромосом. В этот период хромосомы не несут никаких синтетических нагрузок, в них не происходит включение предшественников ДНК и РНК.

В рабочем, частично или полностью деконденсированном, когда с их участием в интерфазном ядре происходят процессы транскрипции и редупликации;

В неактивном - в состоянии метаболического покоя при максимальной их конденсированности, когда они выполняют функцию распределения и перенося генетического материала в дочерние клетки.

В химическом отношении препараты хроматина представляют собой сложные комплексы дезоксирибонуклеопротеидов, в состав которых входит ДНК и специальные хромосомные белки - гистоны. В составе хроматина обнаружено также РНК. В количественном отношении ДНК, белок и РНК находятся как 1: 1, 3: 0, 2. О значении РНК в составе хроматина еще нет достаточно однозначных данных. Возможно, что эта РНК представляет собой сопутствующую препарату функцию синтезирующейся РНК и поэтому частично связанной с ДНК или это особый вид РНК, характерный для структуры хроматина.

Схема конденсации хроматина:

Кариоплазма

Кариоплазма (ядерный сок, нуклеоплазма) - основная внутренняя среда ядра, она занимает все пространство между ядрышком, хроматином, мембранами, всевозможными включениями и другими структурами. Кариоплазма под электронным микроскопом имеет вид гомогенной или мелкозернистой массы с низкой электронной плотностью. В ней во взвешенном состоянии находятся рибосомы, микротельца, глобулины и различные продукты метаболизма.

Вязкость ядерного сока примерно такая же, как вязкость основного вещества цитоплазмы. Кислотность ядерного сока, определенная путем микроинъекции индикаторов в ядро, оказалась несколько выше, чем у цитоплазмы.

Кроме того, в ядерном соке содержатся ферменты, участвующие в синтезе нуклеиновых кислот в ядре и рибосомы. Ядерный сок не окрашивается основными красителями, поэтому его называют ахроматиновым веществом, или кариолимфой, в отличие от участков, способных окрашиваться, - хроматина.

Хроматин

Главный компонент ядер -- хроматин, является структурой, выполняющей генетическую функцию клетки, в хроматиновой ДНК заложена практически вся генетическая информация.

Эукариотические хромосомы, выглядят как резко очерченные структуры только непосредственно до и во время митоза - процесса деления ядра в соматических клетках. В покоящихся, неделящихся эукариотических клетках хромосомный материал, называемый хроматином, выглядит нечетко и как бы беспорядочно распределен по всему ядру. Однако, когда клетка готовится к делению, хроматин уплотняется и собирается в свойственное данному виду число хорошо различимых хромосом.

Хроматин был выделен из ядер и проанализирован. Он состоит из очень тонких волокон. Главными компонентами хроматина являются ДНК и белки, среди которых основную массу составляют гистоны и негистоновые белки.В среднем в хроматине около 40% приходится на ДНК и около 60% - на белки, среди которых специфические ядерные белки-гистоны составляют от 40 до 80% от всех белков, входящих в состав выделенного хроматина. Кроме того, в состав хроматиновой фракциям входят мембранные компоненты, РНК, углеводы, липиды, гликопротеиды.

Хроматиновые волокна в хромосоме свернуты и образуют множество узелков и петель. ДНК в хроматине очень прочно связана с белками, называемыми гистонами, функция которых состоит в упаковке и упорядочении ДНК в структурные единицы - нуклеосомы. В хроматине содержится также ряд негистоновых белков. В отличие от эукариотических, бактериальные хромосомы не содержат гистонов; в их состав входит лишь небольшое количество белков, способствующих образованию петель и конденсации (уплотнению) ДНК.

При наблюдении многих живых клеток, особенно растительных, или же клеток после фиксации и окраски внутри ядра выявляются зоны плотного вещества, которое хорошо окрашиваются разными красителями, особенно основными. Способность хроматина воспринимать основные (щелочные) красители указывает на его кислотные свойства, которые определяются тем, что в состав хроматина входит ДНК в комплексе с белками. Такими же свойствами окрашиваемости и содержанием ДНК обладают и хромосомы, которые можно наблюдать во время митотического деления клеток.

В отличие от прокариотических клеток ДНК-содержащий материал хроматина эукариот может пребывать в двух альтернативных состояниях: деконденсированном в интерфазе и в максимально уплотненном во время митоза, в составе митотических хромосом.

В неделящихся (интерфазных) клетках хроматин может равномерно заполнять объем ядра или же располагаться отдельными сгустками (хромоцентры). Нередко он особенно четко обнаруживается на периферии ядра (пристеночный, маргинальный, примембранный хроматин) или образует внутри ядра переплетения довольно толстых (около 0,3 мкм) и длинных тяжей в виде внутриядерной сети.

Хроматин интерфазных ядер представляет собой несущие ДНК тельца (хромосомы), которые теряют в это время свою компактную форму, разрыхляются, деконденсируются. Степень такой деконденсации хромосом может быть различной в ядрах разных клеток. Когда хромосома или ее участок полностью деконденсированы, эти зоны называют диффузным хроматином. При неполном разрыхлении хромосом в интерфазном ядре видны участки конденсированного хроматина (иногда называемого гетерохроматином). Многочисленными работами показано, что степень деконденсации хромосомного материала -- хроматина, в интерфазе может отражать функциональную нагрузку этой структуры. Чем более диффузен хроматин интерфазного ядра, тем выше в нем синтетические процессы. При синтезе РНК меняется структура хроматина. Падение синтеза ДНК и РНК в клетках обычно сопровождается увеличением зон конденсированного хроматина.

Максимально конденсирован хроматин во время митотического деления клеток, когда он обнаруживается в виде телец -- хромосом. В этот период хромосомы не несут никаких синтетических нагрузок, в них не происходит включения предшественников ДНК и РНК.

Исходя из этого, можно считать, что хромосомы клеток могут находиться в двух структурно-функциональных состояниях: в рабочем, частично или полностью деконденсированном, когда с их участием в интерфазном ядре происходят процессы транскрипции и редупликации, и в неактивном - в состоянии метаболического покоя при максимальной их конденсации, когда они выполняют функцию распределения и переноса генетического материала в дочерние клетки.

Эухроматин и гетерохроматин

Степень структуризации, конденсации хроматина в интерфазных ядрах может быть выражена в разной мере. Так, в интенсивно делящихся и в мало специализированных клетках ядра имеют диффузную структуру, в них кроме узкого периферического ободка конденсированного хроматина встречается небольшое число мелких хромоцентров, основная же часть ядра занята диффузным, деконденсированным хроматином. В то же время в высокоспециализированных клетках или в клетках, заканчивающих свой жизненный цикл, хроматин представлен в виде массивного периферического слоя и крупных хромоцентров, блоков конденсированного хроматина. Чем больше в ядре доля конденсированного хроматина, тем меньше метаболическая активность ядра. При естественной или экспериментальной инактивации ядер происходит прогрессивная конденсация хроматина и, наоборот, при активации ядер увеличивается доля диффузного хроматина.

Однако при метаболической активации не всякие участки конденсированного хроматина могут переходить в диффузную форму. Еще в начале 1930-х годов Э. Гейтцем было замечено, что в интерфазных ядрах существуют постоянные участки конденсированного хроматина, наличие которого не зависит от степени дифференцированности ткани или от функциональной активности клеток. Такие участки получили название гетерохроматина, в отличие от остальной массы хроматина - эухроматина (собственно хроматина). По этим представлениям, гетерохроматин - компактные участки хромосом, которые в профазе появляются раньше других частей в составе митотических хромосом и в телофазе не деконденсируются, переходя в интерфазное ядро в виде интенсивно красящихся плотных структур (хромоцентров). Постоянно конденсированными зонами чаще всего являются центромерные и теломерные участки хромосом. Кроме них постоянно конденсированными могут быть некоторые участки, входящие в состав плечей хромосом -- вставочный, или интеркалярный, гетерохроматин, который в ядрах также представлен в виде хромоцентров. Такие постоянно конденсированные участки хромосом в интерфазных ядрах сейчас принято называть конститутивным (постоянным) гетерохроматином. Необходимо отметить, что участки конститутивного гетерохроматина обладают целым рядом особенностей, которые отличают его от остального хроматина. Конститутивный гетерохроматин генетически не активен; он не транскрибируется, реплицируется позже всего остального хроматина, в его состав входит особая (сателлитная) ДНК, обогащенная высокоповторяющимися последовательностями нуклеотидов, он локализован в центромерных, теломерных и интеркалярных зонах митотических хромосом. Доля конститутивного хроматина может быть неодинаковой у разных объектов. Функциональное значение конститутивного гетерохроматина до конца не выяснено. Предполагается, что он несет ряд важных функций, связанных со спариванием гомологов в мейозе, со структуризацией интерфазного ядра, с некоторыми регуляторными функциями.

Вся остальная, основная масса хроматина ядра может менять степень своей компактизации в зависимости от функциональной активности, она относится к эухроматину. Эухроматические неактивные участки, которые находятся в конденсированном состоянии, стали называть факультативным гетерохроматином, подчеркивая необязательность такого его состояния.

В дифференцированных клетках всего лишь около 10% генов находится в активном состоянии, остальные гены инактивированы и входят в состав конденсированного хроматина (факультативный гетерохроматин). Это обстоятельство объясняет, почему большая часть хроматина ядра структурирована.

ДНК хроматина

В препарате хроматина на долю ДНК приходится обычно 30-40%. Эта ДНК представляет собой двухцепочечную спиральную молекулу, подобную чистой выделенной ДНК в водных растворах. ДНК хроматина обладает молекулярной массой 7-9·106. В составе хромосом длина индивидуальных линейных (в отличие от прокариотических хромосом) молекул ДНК может достигать сотен микрометров и даже нескольких сантиметров. Общее количество ДНК, входящее в ядерные структуры клеток, в геном организмов, колеблется.

ДНК эукариотических клеток гетерогенна по составу, содержит несколько классов последовательностей нуклеотидов: часто повторяющиеся последовательности (>106 раз), входящие во фракцию сателлитной ДНК и не транскрибирующиеся; фракция умеренно повторяющихся последовательностей (102--105), представляющих блоки истинных генов, а также короткие последовательности, разбросанные по всему геному; фракция уникальных последовательностей, несущая информацию для большинства белков клетки. Все эти классы нуклеотидов связаны в единую гигантскую ковалентную цепь ДНК.

Основные белки хроматина - гистоны

В клеточном ядре ведущая роль в организации расположения ДНК, в ее компактизации и регулировании функциональных нагрузок принадлежит ядерным белкам. Белки в составе хроматина очень разнообразны, но их можно разделить на две группы: гистоны и негистоновые белки. На долю гистонов приходится до 80% всех белков хроматина. Их взаимодействие с ДНК происходит за счет солевых или ионных связей и неспецифично в отношении состава или последовательностей нуклеотидов в молекуле ДНК. В эукариотической клетке содержится всего 5--7 типов молекул гистонов. В отличие от гистонов так называемые негистоновые белки большей частью специфически взаимодействуют с определенными последовательностями молекул ДНК, очень велико разнообразие типов белков, входящих в эту группу (несколько сотен), велико разнообразие функций, которые они выполняют.

Гистоны - белки, характерные только для хроматина, - обладают рядом особых качеств. Это основные или щелочные белки, свойства которых определяются относительно высоким содержанием таких основных аминокислот, как лизин и аргинин. Именно положительные заряды на аминогруппах лизина и аргинина обусловливают соленую или электростатическую связь этих белков с отрицательными зарядами на фосфатных группах ДНК.

Гистоны - относительно небольшие по молекулярной массе белки. Классы гистонов отличаются друг от друга по содержанию разных основных аминокислот. Для гистонов всех классов характерно кластерное распределение основных аминокислот -- лизина и аргинина, на N- и С-концах молекул. Срединные участки молекул гистонов образуют несколько (3-4) б-спиральных участков, которые компактизуются в глобулярную структуру в изотонических условиях. Богатые положительными зарядами неспирализованные концы белковых молекул гистонов и осуществляют их связь друг с другом и с ДНК.

В процессе жизнедеятельности клеток могут происходить посттрансляционные изменения (модификации) гистонов: ацетилирование и метилирование некоторых остатков лизина, что приводит к потере числа положительных зарядов, и фосфорилирование сериновых остатков, приводящее к появлению отрицательного заряда. Ацетилирование и фосфорилирование гистонов могут быть обратимыми. Эти модификации значительно меняют свойства гистонов, их способность связываться с ДНК.

Гистоны синтезируются в цитоплазме, транспортируются в ядро и связываются с ДНК во время ее репликации в S-периоде, т.е. синтезы гистонов и ДНК синхронизированы. При прекращении клеткой синтеза ДНК гистоновые информационные РНК за несколько минут распадаются и синтез гистонов останавливается. Включившиеся в хроматин гистоны очень стабильны, имеют низкую скорость замены.

Функции белков гистонов

1. Количественное и качественное состояние гистонов влияет на степень компактности и активности хроматина.

2. Структурная -- компактизирующая -- роль гистонов в организации хроматина.

Для того чтобы огромные сантиметровые молекулы ДНК уложить по длине хромосомы, имеющей размер всего несколько микрометров, молекула ДНК должна быть скручена, компактизована с плотностью упаковки, равной 1: 10 000. В процессе компактизации ДНК существуют несколько уровней упаковки, первые из которых прямо определяются взаимодействием гистонов с ДНК

text_fields

text_fields

arrow_upward

Ядро - центральный элемент клетки. Его оперативное удаление дискоординирует функции цитоплазмы. Ядро играет главную роль в передаче наследственных признаков и синтезе белков. Передача генетической информации от одной клетки к другой обеспечивается дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК), содержащейся в хромосомах. Удвоение ДНК предшествует клеточному делению. Масса ядра в клетках разных тканей различна и составляет, например, 10-18% от массы гепатоцита, 60% - в лимфоидных клетках. В интерфазе (межмитотическом периоде) ядро представлено четырьмя элементами: хроматином, нуклеолой (ядрышком), нуклеоплазмой и ядерной мембраной.

Хроматин

text_fields

text_fields

arrow_upward

Хроматин - это окрашенные основными красителями многочисленные гранулы, из которых сформированы хромосомы. Хромосомы же образованы комплексом нуклеопротеинов, содержащих нуклеиновые кислоты и белки. Различают два вида хроматина в находящихся в интерфазе ядрах клеток человека - дисперсный, слабо окрашенный хроматин (эухроматин), сформированный длинными, тонкими, переплетенными волокнами, метаболически очень активный и конденсированный хроматин (гетерохроматин), соответствующий районам хромосом, не вовлеченным в процессы контроля метаболической активности.

Для зрелых клеток (например, крови) характерны ядра богатые плотным, конденсированным хроматином, лежащим глыбками. В ядрах соматических клеток женщин он представлен глыбкой хроматина, сближенного с мембраной ядра: это женский половой хроматин (или тельца Барра), представляющий собой конденсированную Х-хромосому. Мужской половой хроматин представлен в ядрах мужских соматических клеток глыбкой, светящейся при окраске флюорохромами. Определение полового хроматина используется, например, для установления пола ребенка по клеткам, полученным из околоплодной жидкости беременной женщины.

Ядрышко

text_fields

text_fields

arrow_upward

Ядрышко - внутриядерная структура сферической формы, не имеющая мембраны. Оно развито во всех клетках, отличающихся высокой активностью белкового синтеза, что связано с образованием в нем субъединиц цитоплазмы, рРНК. Например, ядрышки обнаруживаются в ядрах способных к делению клеток - лимфобластах, миелобластах и др.

Мембрана ядра

text_fields

text_fields

arrow_upward

Мембрана ядра представлена двумя листами, просвет между которыми соединен с полостью эндоплазматического ретикулума. Мембрана имеет отверстия (ядерные поры) приблизительно до 100 нм в диаметре, через которые свободно проходят макромолекулы (рибо-нуклеазы, РНК). Вместе с тем, ядерная мембрана и поры поддерживают микросреду ядра, обеспечивая избирательный обмен различных веществ между ядром и цитоплазмой. В малодифференцированной клетке поры занимают до 10% поверхности ядра, но с созреванием клетки их суммарная поверхность уменьшается.

Нуклеоплазма (ядерный сок)

text_fields

text_fields

arrow_upward

Нуклеоплазма (ядерный сок) представляет собой коллоидный раствор, содержащий белки, который обеспечивает обмен метаболитов и быстрое перемещение молекул РНК к ядерным порам. Количество нуклеоплазмы уменьшается при созревании или старении клетки.

Деление клеток. Митоз.

text_fields

text_fields

arrow_upward

Митоз (рис. 1.5) занимает лишь часть клеточного цикла. В клетках млекопитающих фаза митоза (М) длится около часа.

За нею следует постмитотическая пауза (G1) , для которой характерна высокая активность биосинтеза белков в клетке, реализуются процессы транскрипции и трансляции. Продолжительность паузы около 10 часов, но это время значительно варьирует и зависит от влияния регулирующих факторов, стимулирующих и тормозящих деление клеток, от снабжения их питательными веществами.

Следующая фаза клеточного цикла характеризуется синтезом (репликацией) ДНК (фаза S) и занимает около 9 часов. Далее следует премитотическая фаза G2, продолжающаяся около 4 часов. Таким образом, весь клеточный цикл длится около 24 часов:

Клетки могут находиться также в фазе покоя - Go, длительно оставаясь вне клеточного цикла. Например, у человека до 90% стволовых кроветворных клеток находится в фазе Go, но их переход из Go в G1 ускоряется при возрастании потребностей в клетках крови.

Высокая чувствительность клеток к регулирующим их деление факторам в фазе G1 объясняется синтезом на мембранах клеток в этот период рецепторов гормонов, стимулирующих и ингибирующих факторов. Например, деление эритроидных клеток костного мозга в фазе G, стимулирует гормон эритропоэтин. Тормозит этот процесс ингибитор эритропоэза - вещество снижающее продукцию эритроцитов в случае уменьшения потребностей тканей в кислороде (глава 6).

Передача информации ядру о взаимодействии рецепторов мембраны со стимулятором деления клетки включает синтез ДНК, т.е. фазу S . В результате количество ДНК в клетке из диплоидного, 2N, переходит в тетраплоидное - 4N. В фазе G2 синтезируются структуры, необходимые для митоза, в частности, белки митотического веретена.

В фазе М происходит распределение идентичного генетического материала между двумя дочерними клетками. Собственно фаза М подразделяется на четыре периода: профазу, метафазу, анафазу и телофазу (рис.1.5.).

Профаза характеризуется конденсацией ДНК хромосом, образующих две хроматиды, каждая из которых представляет собой одну из двух идентичных молекул ДНК. Нуклеола и ядерная оболочка исчезают. Центриоли, представленные тонкими микротрубочками расходятся к двум полюсам клетки, образуя митотическое веретено.

В метафазу хромосомы располагаются в центре клетки, образуя метафазную пластинку, В эту фазу морфология каждой хромосомы наиболее отчетлива, что используется на практике для исследования хромосомного набора клетки.

Анафаза характеризуется движением хроматид, «растаскиваемых» волокнами митотического веретена к противоположным полюсам клетки.

Телофаза характеризуется образованием ядерной мембраны вокруг дочернего набора хромосом. Знание особенностей клеточного цикла используется на практике, например, при создании цитостатических веществ для лечения лейкозов. Так, свойство винкристина быть ядом для митотического веретена используется для остановки митоза лейкозных клеток.

Дифференциация клеток

text_fields

text_fields

arrow_upward

Дифференциация клеток - есть приобретение клеткой специализированных функций, связанное с появлением в ней структур, обес-печивающих выполнение этих функций (например, синтез и накопление гемоглобина в эритроцитах характеризует их дифференциацию в эритроциты). Дифференциация связана с генетически запрограм-мированным торможением (репрессией) функций одних участков генома и активацией других.

Хроматин ядра - это комплекс дезоксирибонуклеиновых кислот с белками, где ДНК находится в различной степени конденсации.

При световой микроскопии хроматин представляет собой глыбки неправильной формы, не имеющие четких границ, окрашивающиеся основными красителями. Слабо и сильно конденсированные зоны хроматина плавно переходят друг в друга. По электронной и светооптической плотности выделяют электронноплотный, ярко окрашенный гетерохроматин и менее окрашенный, менее электронно-плотный эухроматин.

Гетерохроматин - зона сильно конденсированной ДНК, связанной с гистоновыми белками. При электронной микроскопии заметны темные глыбки неправильной формы.

Гетерохроматин представляет собой плотно упакованные скопления нуклеосом. Гетерохроматин в зависимости от локализации подразделяют на пристеночный, матричный и перинуклеарный.

Пристеночный гетерохроматин прилежит к внутренней поверхности ядерной оболочки, матричный распределен в матриксе кариоплазмы, а перинуклеарный гетерохроматин примыкает к ядрышку.

Эухроматин - это участок слабо конденсированной ДНК. Эухроматин соответствует участкам хромосом, которые перешли в диффузное состояние, но между конденсированным и деконденсированным хроматином нет четкой границы. С нуклеиновыми кислотами в эухроматине связаны в основном негистоновые белки, но имеются и гистоны, формирующие нуклеосомы, которые рыхло распределены между участками неконденсированной ДНК. Негистоновые белки проявляют менее выраженные основные свойства, более разнообразны по химическому составу, жолюционно гораздо более изменчивы. Они участвуют в транскрипции и регулируют этот процесс. На уровне трансмиссионной электронной микроскопии эухроматин представляет собой структуру низкой электронной плотности, состоящую из мелкозернистых и тонкофибриллярных структур.

Нуклеосомы - это сложные дезоксирибонуклеопротеидные комплексы, содержащие ДНК и белки диаметром около 10 нм. Нуклеосомы состоят из 8 белков - гистонов Н2а, Н2в, НЗ и Н4, располагающихся в 2 ряда.

Вокруг белкового макромолекулярного комплекса фрагмент ДНК образует 2,5 спиральных витка и охватывает 140 нуклеотидных пар. Такой участок ДНК называют коровым и обозначают как core-ДНК (nDNA). Зону ДНК между нуклеосомами иногда называют линкером. Линкерные участки занимают около 60 пар нуклеотидов и их обозначают как iDNA.

Гистоны - это низкомолекулярные, эволюционно консервативные белки с выраженными основными свойствами. Они контролируют считывание генетической информации. В области нуклеосомы процесс транскрипции блокируется, но при необходимости может произойти «раскручивание» спирали ДНК, вокруг нее активизируется полимеризация яРНК. Таким образом, гистоны значимы как белки, контролирующие реализацию генетической программы и функциональную специфическую активность клетки.

Нуклеосомный уровень организации имеет и эухроматин, и гетерохроматин. Однако если к области линкеров присоединяется гистон Н1, то нуклеосомы объединяются между собой, и происходит дальнейшая конденсация (уплотнение) ДНК с образованием грубых конгломератов - гетерохроматина. В эухроматине же значительной конденсации ДНК не происходит.

Конденсация ДНК может происходить по типу сверхбусин или соленоида. При этом восемь нуклеосом компактно прилежат друг к другу и формируют сверхбусину. И в соленоидной модели, и в сверхбусине нуклеосомы, вероятнее всего, лежат в виде спирали.

ДНК может стать еще более компактной, формируя хромомеры. В хромомере фибриллы дезоксирибонуклеопротеида объединяются в петли, скрепленные негистоновыми белками. Хромомеры могут располагаться более или менее компактно. Хромомеры в процессе митоза становятся еще более конденсированными, образуя хромонему (нитевидную структуру). Хромонемы видны в световой микроскоп, образуются в профазу митоза и участвуют в образовании хромосом, располагаясь в виде спиральной укладки.

Морфологию хромосом удобнее изучать при их наибольшей конденсации в метафазе и в начале анафазы. В этом состоянии хромосомы имеют форму палочек разной длины, но с довольно постоянной толщиной. В них хорошо заметна зона первичной перетяжки, которая делит хромосому на два плеча.

Часть хромосом содержит вторичную перетяжку. Вторичная перетяжка представляет собой ядрышковый организатор, так как в интерфазу именно на этих участках происходит формирование ядрышек.

В области первичной перетяжки прикрепляются центромеры, или кинетохоры. Кинетохор представляет собой пластинку дискоидальной формы. К кинетохорам присоединяются микрогрубочки, которые связаны с центриолями. Микротрубочки «растаскивают» хромосомы в митозе.

Хромосомы могут существенно отличаться по размерам и соотношению плеч. Если плечи равны или почти равны, то они метацентрические. Если одно из плеч очень короткое (почти незаметное), то такая хромосома акроцентрическая. Промежуточное положение занимает субметацентрическая хромосома. Хромосомы, имеющие вторичные перетяжки, иногда называют спутниковыми.

Тельца Барра (половой хроматин) - эго особые структуры хроматина, чаще встречающиеся в клетках самок. В нейронах эти тельца находятся возле ядрышка. В эпителии они лежат пристеночно и имеют овальную форму, в нейтрофилах выступают в цитоплазму в виде «барабанной палочки», а в нейронах имеют округлую форму. Они встречаются и 90 % женских и только в 10 % мужских клеток. Тельце Барра соответствует одной из Х-половых хромосом, которая, как полагают, находится в конденсированном состоянии. Выявление телец Барра имеет значение для определения половой принадлежности животного.

Перихроматиновые и интерхроматиновые фибриллы встречаются в матриксе кариоплазмы и лежат либо вблизи хроматина (перихроматиновые), либо рассеяны (интерхроматиновые). Предполагают, что эти фибриллы являются слабо конденсированными рибонуклеиновыми кислотами, попавшими в косой или продольный срез.

Перихроматиновые гранулы - частицы размером 30…50 нм, высокой электронной плотности. Они лежат на периферии гетерохроматина и содержат ДНК и белки; это локальный участок с плотно упакованными нуклеосомами.

Интерхроматиновые гранулы имеют высокую электронную плотность, диаметр 20…25 нм и представляют собой скопление рибонуклеиновых кислот и ферментов. Это могут быть субъединицы рибосом, транспортируемых к ядерной оболочке.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Биохимические исследования в генетике - важный способ изучения основных её элементов - хромосом и генов. В данной статье мы рассмотрим, что такое хроматин, выясним его строение и функции в клетке.

Наследственность - основное свойство живой материи

К главным процессам, характеризующим организмы, живущие на Земле, относятся дыхание, питание, рост, выделение и размножение. Последняя функция является наиболее значимой для сохранения жизни на нашей планете. Как не вспомнить, что первой заповедью, данной Богом Адаму и Еве была следующая: «Плодитесь и размножайтесь». На уровне клетки генеративная функция выполняется нуклеиновыми кислотами (составляющее вещество хромосом). Эти структуры будут рассмотрены нами в дальнейшем.

Добавим также, что сохранение и передача наследственной информации потомкам осуществляется по единому механизму, который совершенно не зависит от уровня организации особи, то есть и для вируса, и для бактерий, и для человека он универсален.

Что является веществом наследственности

В данной работе мы изучаем хроматин, строение и функции которого напрямую зависят от организации молекул нуклеиновых кислот. Швейцарским ученым Мишером в 1869 году в ядрах клеток иммунной системы были обнаружены соединения, проявляющие свойства кислот, названные им сначала нуклеином, а затем нуклеиновыми кислотами. С точки зрения химии, это высокомолекулярные соединения - полимеры. Их мономерами являются нуклеотиды, имеющие следующее строение: пуриновое или пиримидиновое основание, пентоза и остаток Ученые установили, что в клетках могут присутствовать два вида и РНК. Они входят в комплекс с белками и образуют вещество хромосом. Так же как и белки, нуклеиновые кислоты имеют несколько уровней пространственной организации.

В 1953 году лауреатами Нобелевской премии Уотсоном и Криком было расшифровано строение ДНК. Она представляет собой молекулу, состоящую из двух цепей, соединенных между собой водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями по принципу комплементарности (напротив аденина располагается тиминовое основание, напротив цитозина - гуаниновое). Хроматин, строение и функции которого мы изучаем, содержит молекулы дезоксирибонуклеиновой и рибонуклеиновой кислоты различной конфигурации. На этом вопросе мы остановимся более подробно в разделе «Уровни организации хроматина».

Локализация вещества наследственности в клетке

ДНК присутствует в таких цитоструктурах, как ядро, а также в органеллах, способных к делению - митохондриях и хлоропластах. Это связано с тем, что данные органоиды выполняют важнейшие функции в клетке: а также синтез глюкозы и образование кислорода в клетках растений. На синтетической стадии жизненного цикла материнские органеллы удваиваются. Таким образом, дочерние клетки в результате митоза (деления соматических клеток) или мейоза (образования яйцеклеток и сперматозоидов) получают необходимый арсенал клеточных структур, обеспечивающих клетки питательными веществами и энергией.

Рибонуклеиновая кислота состоит из одной цепи и имеет меньшую молекулярную массу, чем ДНК. Она содержится как в ядре, так и в гиалоплазме, а также входит в состав многих клеточных органоидов: рибосом, митохондрий, эндоплазматической сети, пластид. Хроматин в этих органеллах связан с белками-гистонами и входит в состав плазмид - кольцевых замкнутых молекул ДНК.

Хроматин и его структура

Итак, мы установили, что нуклеиновые кислоты содержатся в веществе хромосом - структурных единицах наследственности. Их хроматин под электронным микроскопом имеет вид гранул или нитевидных образований. Он содержит, кроме ДНК, еще и молекулы РНК, а также белки, проявляющие основные свойства и названные гистонами. Все вышеперечисленные нуклеосом. Они содержатся в хромосомах ядра и называются фибриллами (нити-соленоиды). Подводя итог всему вышесказанному, определим, что такое хроматин. Это комплексное соединение и специальных белков - гистонов. На них, как на катушки, накручиваются двухцепочечные молекулы ДНК, образуя нуклеосомы.

Уровни организации хроматина

Вещество наследственности имеет различную структуру, которая зависит от многих факторов. Например, от того, какую стадию жизненного цикла переживает клетка: период деления (метоз или мейоз), пресинтетический или синтетический период интерфазы. Из формы соленоида, или фибриллы, как наиболее простой, происходит дальнейшая компактизация хроматина. Гетерохроматин - более плотное состояние, образуется в интронных участках хромосомы, на которых невозможна транскрипция. В период покоя клетки - интерфазы, когда отсутствует процесс деления, - гетерохроматин располагается в кариоплазме ядра по периферии, вблизи его мембраны. Уплотнение ядерного содержимого происходит в постсинтетическую стадию жизненного цикла клетки, то есть непосредственно перед делением.

От чего зависит конденсация вещества наследственности

Продолжая изучать вопрос "что такое хроматин", ученые установили, что его уплотнение зависит от белков-гистонов, входящих наряду с молекулами ДНК и РНК в состав нуклеосом. Они состоят из белков четырёх видов, называемых коровыми и линкерными. В момент транскрипции (считывание информации с генов с помощью РНК) вещество наследственности слабо конденсировано и носит название эухроматина.

В настоящее время особенности распределения молекул ДНК, связанных с гистоновыми белками, продолжают изучаться. Например, ученые выяснили, что хроматин различных локусов одной и той же хромосомы отличается уровнем конденсации. Например, в местах прикрепления к хромосоме нитей веретена деления, называемых центромерами, он более плотный, чем в теломерных участках - концевых локусах.

Гены-регуляторы и состав хроматина

В концепции регуляции генной активности, созданной французскими генетиками Жакобом и Моно, дается представление о существовании участков дезоксирибонуклеиновой кислоты, в которых нет информации о структурах белков. Они выполняют чисто бюрократические - управленческие функции. Называясь генами-регуляторами, эти части хромосом, как правило, в своей структуре лишены белков-гистонов. Хроматин, определение которого было проведено методом секвенирования, получил название открытого.

В ходе дальнейших исследований было установлено, что в этих локусах расположены последовательности нуклеотидов, препятствующие присоединению к молекулам ДНК белковых частиц. Такие участки содержат регуляторные гены: промоторы, эхансеры, активаторы. Компактизация хроматина в них высока, а длина этих участков в среднем составляет около 300 нм. Существует определения открытого хроматина в изолированных ядрах, при котором используют фермент ДНК-азу. Он очень быстро расщепляет локусы хромосом, лишенные белков-гистонов. Хроматин в этих участках был назван сверхчувствительным.

Роль вещества наследственности

Комплексы, включающие ДНК, РНК и белок, называемые хроматином, участвуют в онтогенезе клеток и изменяют свой состав в зависимости от типа ткани, а также от стадии развития организма в целом. Например, в эпителиальных клетках кожи такие гены, как эхансер и промотор, заблокированы белками-репрессорами, а эти же регуляторные гены в секреторных клетках эпителия кишечника активны и находятся в зоне открытого хроматина. Ученые-генетики установили, что на долю ДНК, не кодирующей белки, приходится более 95 % всего генома человека. Это значит, что управляющих генов намного больше, чем тех, которые ответственны за синтез пептидов. Внедрение таких методов, как ДНК-чипы и секвенирование, позволило выяснить, что такое хроматин, и, как следствие, провести картирование генома человека.

Исследования хроматина очень важны в таких отраслях науки, как генетика человека и медицинская генетика. Это связано с резко возросшим уровнем появления наследственных заболеваний - как генных, так и хромосомных. Раннее выявление этих синдромов повышает процент положительных прогнозов при их лечении.