РОЛЬ ЯДЕРНЫХ СТРУКТУР В ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КЛЕТКИ

Ядро осуществляет две группы общих функций: одну, связанную собственно с хранением ген. информации, другую - с её реализацией, с обеспечением синтеза белка.

Наследственная информация поддерживается в виде практически неизменной структуры ДНК в ряду поколений благодаря репарационным ферментам, ликвидирующим спонтанные повреждения молекулы ДНК (разрыв одной из цепей ДНК, часть радиационных повреждений). В ядре происходит редупликация молекул ДНК, процессы изменения и рекомбинации ген. материала (кроссинговер мейоза I), происходит распределение молекул ДНК при делении клеток.

Другая группа - создание собственно аппарата белкового синтеза. В ядре эукариотов происходит также образование субъединиц рибосом путём комплексирования синтезированных в ядрышке рибосомных РНК с рибосомными белками, которые синтезируются в цитоплазме и переносятся в ядро.

Выпадение или нарушение какой-либо из функций ядра гибельно для клетки:

Нарушение репарационных процессов --> изменение первичной структуры ДНК --> изменение структуры белка --> изменение его специфической активности --> отсутствие обеспечения клеточных функций --> гибель клетки.

Нарушение редупликации ДНК --> остановка размножения клеток или появление клеток с неполноценным набором ген. информации --> гибель клетки.

Нарушение процессов распределения ген. материала --> гибель клетки.

Выпадение синтеза любой формы РНК (в рез-те поражения ядра или в случае нарушений каких-либо регуляторных процессов) --> остановка/нарушение синтеза белка.

Структура и химия клеточного ядра

Ядра эукариотических клеток отличаются от "ядерных" образований, нуклеоидов, прокариотических клеток. В состав нуклеоида входит одиночная, кольцевая молекула ДНК, практически лишённая белков. Иногда такую модель ДНК называют бактериальной хромосомой, или генофором (носителем генов). Бактериальная хромосома не отделена мембранами от основной цитоплазмы, однако собрана в компактную, ядерную зону - нуклеоид, который можно видеть в электронном микроскопе или в световом микроскопе после специальных окрасок.

Термин "ядро" впервые применён Броуном в 1833 г. для обозначения шаровидных постоянных структур в клетках растений. Клеточное ядро состоит из ядерной оболочки (отделяющей его от цитоплазмы), хроматина, ядрышка, кариоплазмы (ядерного сока).

ХРОМАТИН (Флемминг, 1880 г.)

Способность хроматина воспринимать основные (щелочные) красители указывает на его кислотные свойства, которые определяются наличием в его составе ДНК в комплексе с белком. Такими же свойствами окрашиваемости и содержанием ДНК обладают хромосомы, которые можно наблюдать во время митотического деления. В неделящихся (интерфазных) клетках хроматин, выявляемый в обычный микроскоп, может равномерно заполнять объём ядра или же располагаться отдельными сгустками (хромоцентры).

см. (меж)хромосомные домены и т.д.Часто он особенно чётко выявляется на периферии ядра (пристеночный, маргинальный, примембранный хроматин) или образует внутри ядра переплетения довольно толстых (около 0,3 мкм) и длинных тяжей, образующих подобие внутриядерной сети (обычно у растительных клеток).

Хроматин легко получить из выделенных интерфазных ядер: экстракция водными растворами с низкой ионной силой/ деионизированной водой --> переход в гель набухших участков хроматина --> сильное механическое воздействие (встряхивание, перемешенивание, доп. гомогенезация). Это приводит к частичному разрушению исходной структуры хроматина (дробит его на мелкие фрагменты), но практически не меняет хим. состав.

ДНК Хроматина

Примерно 30-40%. Двухцепочная спиральная молекула. Гиперхромный эффект: повышение оптической плотности раствора при нагревании растворов хроматина; связан с разрывом межнуклеотидных водородных связей между цепями ДНК. Длина молекул ДНК не изменятся после обработки препаратов протеолитическими ферментами. У микроорганизмов кол-во ДНК на клетку значительно ниже, чем у высших растений и животных (так, у мыши на ядро приходится почти в 600 раз больше ДНК, чем у кишечной палочки). Сравнивая кол-во ДНК на клетку у эукариотов, трудно уловить какие-либо корреляции между степенью сложности организма и количеством ДНК на ядро (одно и то же кол-во ДНК на клетку может быть у совершенно разных организмов; у более просто устроенного организма это кол-во может быть больше, чем у сложно устроенного). Значительны колебания кол-ва ДНК в больших таксономических группах.

Как решить этот вопрос? Если фрагментированные молекулы ДНК в растворах подвергнуть тепловой денатурации, а затем инкубировать их при температуре ниже той, при которой происходила денатурация, идёт восстановление исходной двуспиральной структуры фрагментов ДНК за счёт воссоединения комплементарных цепей - ренатурация. обратимая и необратимая денатурация. Для ДНК вирусов и прокариотов было показано, что скорость ренатурации прямо зависит от величины генома: чем больше геном, чем больше кол-во ДНК на частицу или клетку, тем больше нужно времени для случайного сближения комплементарных цепей. Это указывает на отсутствие повторяющихся последовательностей оснований в геноме прокариотов; все участки их ДНК несут уникальные последовательности.

В состав же эукариотических ДНК входят фракции, ренатурирующие с гораздо большей скоростью, чем можно было бы предполагать на основании размера их генома, а также фракция ДНК, ренатурирующая медленно, подобно уникальным последовательностям ДНК прокариотов. Однако для эукариотов требуется значительно большее время для ренатурации этой фракции, что связано с общим большим размером их генома и с большим числом уникальных генов.

!!!!!!!!!!В части ДНК эукариотов с высокой скоростью ренатурации различают две подфракции: 1. с высоко или часто повторяющимися последовательностями (участки ДНК могут быть повторены 10⁶ раз; 2. умеренно повторяющихся последовательностей (10²-10³ раз). Фракции с часто повторяющимися последовательностями могут обладать иной плавучей плотностью, чем основная масса ДНК, и поэтому могут быть выделены в чистом виде, как так называемая фракция сателлитной ДНК. Сателлитная ДНК не участвует в синтезе основных типов РНК, не связана с процессом синтеза белка, т.к. ни один из типов РНК не гибридизируется с сателлитными ДНК, т.е. сателлитные ДНК не являются матрицами для синтеза РНК, не участвуют в транскрипции. Итак, ДНК эукариотических клеток гетерогенна по составу, содержит несколько классов последовательностей нуклеотидов: часто повторяющиеся последовательности (≥10⁶ раз), входящие во фракцию сателлитной ДНК и не транскрибирующиеся; фракции 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.

При использовании авторадиографического метода исследования молекул ДНК было найдено, что ДНК эукариотических хромосом представляет собой линейные молекулы, состоящие из тандемно (друг за другом) расположенных репликонов (единиц репликации - участков ДНК, синтезирующихся как независимые единицы) разного размера. Средний размер репликона около 30 мкм. Как и в случае прокариотических клеток, эти репликоны имеют начальную и терминальную точки синтеза ДНК. Благодаря полирепликонному строению молекул ДНК весь процесс репликации занимает 7-12 ч. В этот период происходит синтез всей ядерной ДНК (синтетический, или S-период). Однако синтез ДНК среди хромосом происходит асинхронно: начинается и кончается не во всех хромосомах одновременно. Длительность процесса репликации ДНК в отдельных хромосомах не зависит от их размера. Это явление отображает межхромосомную асинхронность синтеза ДНК.

Внутрихромосомная асинхронность: различные участки одной хромосомы редуплицируются не одновременно. Наиболее поздно репликация заканчивается в хромосомах или их участках, находящихся в конденсированном состоянии.

Тейлор: редупликация хромосом аналогична полуконсервативной редупликации ДНК, т.е. хромосомная ДНК воспроизводится так, как если бы в составе хромосом была одна молекула ДНК.

Белки хроматина

Фракция белков хроматина - 60-70% сухой массы. Белки хроматина: гистоны и негистоновые белки. В валовом отношении негистоновые белки составляют 20% от кол-ва гистонов.

Гистоны - сильноосновные белки, экстрагируемые (выделяемые) из очищенного хроматина с помощью кислых растворов или крепких растворов солей. Щелочность гистонов связана с их обогащённостью основными аминокислотами (главным образом лизином и аргинином). Гистоны не содержат триптофана.

Препарат суммарных гистонов можно разделить на 5 фракций:

Н₁ (от англ. histone) - богатый лизином гистон

Н_2б - умеренно богатый лизином гистон

Н_2а - умеренно богатый лизином гистон

Н₄ - богатый аргинином гистон

Н₃ - богатый аргинином гистон

Эти пять фракций гистонов присутствуют практически во всех клетках растений, рыб, рептилий, птиц, млекопитающих. В препаратах хроматина эти фракции гистонов обнаруживаются в приблизительно равных кол-вах, кроме Н₁, которого примерно в 2 раза меньше любой из других фракций. Гистоны, кроме Н₁, сходны по своей первичной структуре (по последовательности а/к в полипептидной цепи). Гистон Н₁ наиболее вариабелен по сравнению с другими гистонами, может включать в себя 3-6 субфракций.

Для молекул гистонов характерно неравномерное распределение основных а/к вдоль цепи: обогащение положительно заряженными аминогруппами наблюдается на концах белковых цепей. Видимо, эти участки гистонов связываются с фосфатными группировками на ДНК. Таким образом, взаимодействие между гистонами и ДНК, приводящее к образованию дезоксирибонуклеопротеидного комплекса, носит ионный характер.

Протамины - богатые аргинином белки.

Прокариотические клетки не содержат связанных с ДНК сильноосновных белков, аналогичных гистонам.

Все пять гистонов в ядрах подвергаются посттрансляционным изменениям а/к. Эти модификации могут сказываться на структуре хроматина, приводить к изменению его синтетической активности.

Гистоны синтезируются на полисомах в цитоплазме. Этот синтез начинается несколько раньше редупликации ДНК.

Функциональная роль гистонов не вполне ясна. Одно время считалось, что гистоны являются специфическими регуляторами активности ДНК хроматина, но одинаковость строения гистонов не только в разных клетках одного организма, но и в клетках разных организмов, говорит о малой вероятности этого. Более очевидна структурная роль гистонов: обеспечение специфической укладки хромосомной ДНК, регуляция транскрипции.

Негистоновые белки плохо охарактеризованы. Часть негистоновых белков - регуляторы, узнающие определённые нуклеотидные последовательности в ДНК.