Система сохранения, воспроизведения и реализации генетической информации

Система энергообеспечения

Митохондрии — крупные мембран­ные органоиды клетки, которые можно различить в световой микроскоп. Мито­хондрии присутствуют во всех эукарио­тических клетках человека, кроме эри­троцитов и кератиноцитов. Они имеют обычно округлую, удлиненную или нитевидную формы. Иногда, например, в мышечных волокнах, митохондрии ветвятся, образуя сложные трехмер­ные структуры. Количество митохондрий в клетке колеблется в широких пределах (от 1 до 100 тыс. и более) и зависит от потребностей клетки в энер­гии. Митохондрии имеют наружную и внутреннюю мембраны, между кото­рыми располагается узкое (10—20 нм) перимитохондриалъное пространство.

На внутренней поверхности увеличенного фрагмента кристы видны небольшие выпуклости, обращенные в митохондриальный матрикс, которые содержат ферментные системы, обес­печивающие процессы дыхания. На­ружная мембрана гладкая и по своему составу сходна с плазмалеммой. Она содержит большое количество белка-порина, формирующего водные кана­лы, и проницаема для ионов, амино­кислот, нуклеотидов, сахаров и других малых молекул. В ней располагаются мультиферментные комплексы синтеза ацетилкофермента А и фосфолипазы, а также моноаминооксидазы. Внутрен­няя мембрана ограничивает полость митохондрий — митохондриальный ма­трикс — и образует кристы, направленные внутрь впячивания.

На кристах имеются грибовидные выро­сты — оксисомы или F₁-частицы, в ко­торых локализуется мультиферментная система АТФ-синтетаза.

В состав внутренней мембраны вхо­дит фосфолипид — кардиолипин, де­лающий ее непроницаемой для ионов, в том числе для протонов. Во внутрен­нюю мембрану встроены ферментные системы транспорта электронов, АТФ-синтетазный ферментный комплекс; а также транспортные белки, регулиру­ющие транспорт метаболитов в матрикс и из него. В матриксе содержатся коль­цевые молекулы митохондриальной ДНК (мтДНК), различные включения, а также молекулы мРНК, транспорт­ной РНК (тРНК) и рибосомы, сходные по строению с рибосомами бактерий. Здесь же располагаются ферменты, пре­вращающие пируват и жирные кислоты в ацетил-КоА, и ферменты реакций цикла Кребса.

Митохондриальная ДНК имеет не линейную, как в хромосомах ядра, а кольцевую фор­му. Она кодирует примерно 5% всех белков митохондрий. Остальные 95% митохондриальных белков кодируются ядерной ДНК и синтезируются на сво­бодных рибосомах в цитоплазме клетки. Главная функция митохондрий — синтез АТФ,основного источника энергии для обеспечения жизнедеятельности клетки. Поэтому митохондрии на­зывают «энергетическими станциями» метки. К побочным функциям митохондрий относятся синтез некоторых аминокислот (глутаминовой аминокис­лоты, цитруллина), стероидных гормо­нов,а также активное накопление ионов Са²⁺. Большую роль митохондрии игра­ют и процессах апоптоза.

Образуются митохондрии путем де­ления надвое, внутреннего и наружного почкования.

Система сохранения, воспроизведения и реализации генетической информации

Система сохранения, воспроизве­дения и реализации генетической ин­формации представлена ядром. Ядро — наиболее крупная структура эукарио­тической клетки — имеет, как правило, округлую или овальную форму. В клет­ках с высокой физиологической актив­ностью (железистые клетки, некоторые лейкоциты) ядра принимают лопастную или еще более сложную сегментирован­ную форму, что увеличивает отношение площади поверхности этой структуры к ее объему. Размеры ядра колеблются от 1 мкм (у некоторых простейших) до 1 мм (в яйцах некоторых рыб и земно­водных). В клетках большинства эу­кариот содержится одно ядро. Однако встречаются и многоядерные клетки, которые образуются вследствие деления клеток, не сопровождающегося цитотомией, или слияния нескольких одноядерных клеток. Такие структуры называют симпластами. Некоторые клетки, как, например, эритроциты, во­все не имеют ядер.

В состав ядра входят поверхност­ный аппарат, кариоплазма, ядерный матрикс и генетический материал, представленный в неделящихся клет­ках эухроматином и гетерохроматином. Всвою очередь, поверхностный аппа­рат ядра включает ядерную оболочку, ядерный поровый комплекс и перифе­рическую плотную пластинку, или ламину.

Ядерная оболочка, или кариолемма, состоит из двух мембран, разделенных перинуклеарным пространством разме­ром 20-40 нм. Внешняя (наружная) ядерная мембрана связана с мембрана­ми шероховатого эндоплазматического ретикулума и усеяна рибосомами, уча­ствующими в синтезе белков. Перинуклеарное пространство сообщается с полостью шероховатой эндоплазматической сети. В мембранах ядерной оболочки имеется большое количество различных ферментов, что свидетель­ствует об ее активной метаболической функции. По всей поверхности ядер­ной мембраны расположены ядерные поры, число которых может достигать 2000-4000.

В области краев поры наружная и внутренняя мембра­ны сливаются с образованием округло­го отверстия диаметром 120 нм. В по­рах располагаются сложные белковые структуры, называемые ядерными поровыми комплексами.

Ядерный поровый комплекс пред­ставляет собой структуру, включающую около 1000 белков-нуклеопоринов, масса которой в 30 раз больше массы рибосомы.

Согласно одной из моделей, ком­плекс состоит из цитоплазматического и нуклеоплазматического колец диа­метром около 120 цитоплазматических фибрилл, центральной части и ядерной «корзины».

Центральная часть содержит 8 спиц, расположенных между нуклеоплазматическим и ядерными цитоплазматическими кольцами. Эта спицевая структура окружает белковый транспортер, имеющий центральный канал, внутренний диаметр которого может изменяться от 9 до 26 нм. Через этот канал осуществляется транспорт веществ из цитоплазмы в ядро и обратно. На цито­плазматическом кольце расположены, как бусы на нитке, 8 гранул, содержа­щих короткие фибриллы длиной при­мерно 50 нм, направленные в сторону гиалоплазмы. От нуклеоплазматического кольца также отходят в сторону нуклеоплазмы 8 фибрилл длиной око­ло 100 нм, образуя структуру, похожую на баскетбольную корзину.

Через ядерные поры из цитоплазмы в ядро транспортируются молекулы гистонов, белковые факторы транскрип­ции, ДНК-, РНК-полимеразы и другие ферменты,участвующие в синтезе ДНК и РНК. Из ядра в цитоплазму экспортируются различные виды РНК, а также малые и большие субъединицы рибосом.

Ионыи малые нейтральные белки проникают через ядерный поровый комплекс экспортиру­ют комплекс посредством диффузии. Большие молекулы белков (ДНК и РНК-полимеразы и др.) переносятся через центральный канал ядерной поры толь­ко в составе транспортных комплексов и с затратой энергии.

Как правило, белки, транспортируемые из гиалоплазмы в ядро, имеют сигнальные участки с определенной аминокислот­ной последовательностью, называемые сигналами ядерной локализации (NLS).

Наиболее хорошо изучен транс­порт из цитоплазмы в ядро белковых молекул, осуществляемый с участием белков-импортинов, распознающих пе­реносимые молекулы белков по харак­терным для них сигнальным последова­тельностям, и белка Ran, связывающего гуанозинтрифосфат (ГТФ) и гуанозин-дифосфат (ГДФ).

Механизм транспорта связан с гра­диентом концентраций комплексов RanГДФ и RanГТФ, возникающим по обе стороны ядерной мембраны: ком­плекс RanГТФ находится преимуще­ственно в ядре, а комплекс RanГДФ — в цитоплазме. Это обусловлено тем, что ферменты, вызывающие замещение связанного с белком RanГДФ на ГТФ, локализуются на внутренней сторо­не ядерной мембраны, тогда как фер­менты, гидролизующие RanГТФ до RanГДФ, располагаются на цитоплаз­матической стороне мембраны.

Импорт белков через ядерную пору включает пять последовательных эта­пов:

1. Распознавание транспортируе­мого белка, имеющего сигнал ядер­ной локализации, комплексом белок-импортин — RanГДФ.

2. Связывание образующегося ком­плекса с белками цитоплазматических филаментов порового комплекса.

3. Перенос белкового комплек­са, включающего транспортируемый белок-импортин — RanГДФ, через цен­тральный канал порового комплекса.

4. Ферментативное замещение свя­занного с белком RanГДФ на ГТФ и освобождение транспортируемого белкa из комплекса.

5. Перенос комплекса импортин — RanГТФ через ядерный поровый ком­плекс с последующим ферментативным гидролизом ГТФ до ГДФ.

Периферическая плотная пластинка, или ядерная ламина, связана с внутрен­ней поверхностью внутренней ядерной мембраны с помощью специальных белков на всем ее протяжении, исключая области пор.

Ламина состоит из белков ламинов и служит основ­ным элементом кариоскелета. Белки ламины имеют молекулярную массу 60—90 кДа (килодальтон) и относятся к промежуточ­ным филаментам цитоскелета. Первым шагом на пути образования ламины служит взаимодействие ламиновых полипептидных мономеров с формирова­нием ламиновых димеров. Централь­ный участок таких димеров состоит из двух полипептидных цепей, закручен­ных одна вокруг другой, а концевые участки их образованы глобулярными структурами. Димеры, соединяясь друг с другом по принципу «хвост-голова», образуют длинные полимерные нити, которые в результате боковых взаимодействий формируют фибриллы ламины.

К ламине присоединяются своими центромерными и теломерными участ­ками нити хроматина (хромосом), что обеспечивает упорядоченное располо­жение их в ядре. С ламиной соединяют­ся также тонкие ламиновые фибриллы, толщиной 2—3 нм, которые прони­зывают кариоплазму ядра и образуют ядерный матрикс. Ламина — лабильная структура. В профазе митоза под дей­ствием ферментов белки ламины фосфорилируются, и ламина разрушается. На завершающем этапе митоза дефосфорилирование ламинов протеинфосфатазами способствует восстановлению исходной структуры ламины.

Ламина вместе с ядерным матрик­сом формируют единую систему ка- риоскелета. Кариоскелет поддерживает форму ядра и обеспечивает определен­ное расположение хромосом в про­странстве.

Таким образом, поверхностный ап­парат ядра, или кариотека, обеспечива­ет изоляцию содержимого ядра от гиа­лоплазмы, благодаря чему достигается разделение в пространстве и времени процессов транскрипции и трансля­ции, а также осуществляет регулируе­мый обмен веществами между ядром и цитоплазмой. Разделение во времени и пространстве транскрипции и транс­ляции служит основой для протекания сложных процессов созревания РНК и играет большую роль в регуляции экспрессии эукариотических генов. Кроме того, поверхностный ап­парат предохраняет ядерную ДНК от воздействия на нее жестких структур цитоскелета и разрушительных фер­ментных систем цитоплазмы.

Кариоплазма (нуклеоплазма или ядерный сок), представляет собой же­леобразный раствор, в котором нахо­дятся разнообразные белки, нуклео­тиды и ионы. Химический состав ее в основном сходен с составом гиалоплазмы, хотя имеются и некоторые отличия. В кариоплазму погружены хроматин и ядрышко, в ней располагается также ядерный матрикс.

Ядрышко - структурный элемент неделящегося ядра, состоящий из созревающих субъединиц рибосом и фи­брилл ядерного матрикса, соединенных с центромерными участками хромосом, несущих множество копий генов рРНК. Такие участки хромосом называются ядрышковыми организаторами. Напри­мер, у человека они содержатся в 13, 14,15-й и 21, 22-й парах хромосом.

Ядрышковый организатор содержит многократно повторенные рядом рас­положенные гены, кодирующие 5,8S, 18S и 28S РНК, которые транксрибируются как единое целое в виде молекулы пре-рРНК, а также расположенный от­дельно ген короткой 5S РНК.

По разным оценкам, у человека на­считывается от 200 до 2000 копий каж­дого гена рРНК. Ядрышко обнаружива­ется только в период интерфазы и ис­чезает в профазе митоза, когда ядрыш­ковые организаторы «растаскиваются» в ходе конденсации соответствующих хромосом; вновь формирование ядры­шек происходит в телофазе митоза. Основная функция ядрышек — синтез и процессинг рРНК и сборка субъеди­ниц рибосом.

При транскрипции генов ядрышко­вых организаторов первоначально син­тезируется крупная молекула пре-рРНК, которая в ядрышке подвергается хими­ческой модификации - процессингу. В ходе процессинга пре-рРНК разреза­ется с образованием трех отдельных мо­лекул рРНК (5,8S,18S и 28S), которые вместе с 5S РНК связываются с белками и образуют предшественников большой и малой субъединиц рибосом. Предше­ственники рибосомальных субъединиц далее но отдельности транспортируют­ся через ядерные поры в цитоплазму, где завершается формирование малой и больший субъединиц рибосом.

Размеры и число ядрышек увеличиваются при повышении функциональ­ной активности клетки. Особенно круп­ные ядрышки характерны для клеток, активно синтезирующих белки.

Генетический материал ядра пред­ставляет собой хроматин.

Хроматин состоит из дезоксирибонуклеопротеинов (комплекса ДНК с белками) и представляет собой совокупность всех хромосом интерфазного ядра клетки. Белки хроматина по физико-химическим свойствам и био­логической активности разделяют на две группы: основные (гистоновые) белки, на их долю приходится 60—80 % массы всех хромосомных белков, и кис­лые (негистоновые) белки.

Гистоновые белки включают 5 глав­ных видов белков (HI, Н2А, Н2В, НЗ и Н4), содержащих большое количество положительно заряженных аминокис­лотных остатков, и характеризуются основными (щелочными) свойствами, благодаря этому они образуют устой­чивые комплексы с молекулами ДНК, фосфатные группы которых несут от­рицательный заряд. Гистоновые белки обеспечивают пространственную орга­низацию (компактизацию) хроматина. Они участвуют также в регуляции актив­ности генов. Негистоновые белки весь­ма разнообразны. Их качественный и количественный состав зависят от типа и функционального состояния клетки. Негистоновые белки участвуют в репли­кации и репарации ДНК, синтезе РНК, регуляции активности генов и др.

Хроматин ядра имеет определенную пространственную организацию, харак­теризующуюся его компактизацией, или спирализацией. Необходимость компактизации хроматина определяется боль­шой длиной молекул ДНК, которая в клетках человека составляет более 2 м. Например, в вытянутом, то есть деконденсированном, или деспирализованном, состоянии длина молекулы ДНК хромосомы человека может достигать более 6 см, что примерно в тысячу раз превышает диаметр ядра клетки. Тем не менее, все хромосомы человека легко помещаются в ядре благодаря совер­шенной многоуровневой упаковке молекул ДНК с помощью белков.

Выделяютнесколько уровней спирализации (компактизации) хроматина: нуклеосомный, нуклеомерный, хромомерный и хромонемный.

Нуклеосомный уровень организации хроматина характеризуется образова­нием нуклеосом. Указанный уровень организации хроматина обеспечивает­ся четырьмя видами белков гистонов (Н2А, Н2В, Н3, Н4), образующими дисковидные белковые частицы. Белковая частица — кор,, состоит из 8 молекул гистонов (по две молекулы каждого вида гистонов).

Молекула ДНК, спирально накручиваясь на коры, комплексируется с ними и образует структуру, напоминающую нить бус. При этом тесно контактирует с каждым кором отрезок ДНК длиной 146 пар нуклеотидов (коровая ДНК). Участки ДНК, расположенные между соседними коровыми частицами, на­зывают связующими или линкерными. С каждым линкерным участком, насчитывающем в среднем 60 пар нуклеотидов, связана одна молекула белка гистона Н1. Отрезок молекулы ДНК длиной примерно 200 пар нуклеотидов, состоя­щий из коровой и линкерной ДНК, вместе с белковым кором составляет нуклеосому.

Диаметр нуклеосомы равен 11 нм. Таким образом, в основе нуклеосомного уровня организации хроматина лежит нить — нуклеосомная фибрилла, состоящая из цепочки повто­ряющихся единиц — нуклеосом. Моле­кула ДНК в составе нуклеосомной нити участвует в процессах транскрипции.

Нуклеомерный уровень организации хроматина достигается благодаря взаи­модействию гистона Н1 одной нуклео­сомы с гистонами Н1 других нуклеосом, что приводит к образованию комплек­са, состоящего из трех нуклеосом. Та­кой комплекс называется нуклеомерой или сверхбусиной. В результате образу­ется нуклеомерная нить хроматина, или элементарная хроматиновая фибрил­ла, толщиной примерно 30 нм. Обра­зование нуклеомерной нити приводит к тому, что участок ДНК, входящий в ее состав, теряет способность к реплика­ции и транскрипции.

В формировании нуклеосомной фи­бриллы и элементарной хроматиновой фибриллы, когда укладка ДНК происхо­дит по спиральному или соленоидному типу, основную роль играют гистоновые белки. Другие уровни компактизации хроматина обусловлены иным типом укладки молекул ДНК (в виде петель) и связаны с негистоноными белками.

Хромомерный, или доменно-петле­вой, уровень организации хроматина достигается укладкой хроматиновой фибриллы в петли, так называемые пет­левые домены, которые прикрепляются к негистоновым белкам ядерного матрик­са, выполняющим роль «скелета». Не­сколько соседних петель, прикрепляясь своими основаниями к общему белково­му центру, образуют «розетку», называ­емую хромомерой, толщиной 120 нм.

Дальнейшая компактизация ДНК происходит только при вступлении клетки в митоз. В результате более тес­ного прилегания петель в хромомерах и самих хромомер друг к другу образу­ются хроматиновые фибриллы хромонемы толщиной 300 нм. Хромонемы, в свою очередь, благодаря еще более компактной укладке, формируют хоро­шо различимые в световой микроскоп хроматиновые фибриллы — хроматиды толщиной 700 нм. Сестринские хроматиды, соединяясь друг с другом вобласти центромеры, образуют хро­мосомы. В итоге длина молекулы ДНК в результате всех уровней ее укладки сокращается примерно в 10 000 раз.

В неделящихся клетках степень спирализации хроматиновых нитей на всем протяжении их неодинакова. Выделяют две разновидности хрома­тина — деконденсированный (деспирализованный) эухроматин, различимый лишь под электронным микроскопом, и конденсированный — гетерохрома­тин, выявляемый в виде глыбок под световым микроскопом.

Эухроматин содержит транскри­бируемые участки ДНК, тогда как ге- терохроматин не транскрибируется. Взависимости от функционального со­стояния клетки возможен переход гете­рохроматина в эухроматин и обратно. В связи с этим гетерохроматин подраз­деляют на два вида: факультативный и конститутивный гетерохроматин.

Факультативный гетерохроматин при определенных условиях может превращаться в эухроматин, конститутивный гетерохроматин никогда не превращается в эухроматин.

Таким образом, по морфологическим признакам ядра (соотношению содержания эу- и гетерохроматина) можно оценить активность процессов транскрипции, а следовательно, синтетической функции клетки. При усилении синтеза белка содержание эухроматина по отношению к гетерохроматину возрастает, при снижении, наоборот, возрастает содержание гетерохроматина.

Вступление клетки в митоз или мейоз, как отмечалось выше, сопровождается суперспирализацией хроматина и образованием хромосом, кото­рые становятся хорошо различимыми в световой микроскоп. Этот процесс начинается в профазе и достигает своей максимальной выраженности в мета­фазе митоза.

Каждая метафазная хромосома со­стоит из двух сестринских хроматид.

Хроматиды представляют собой структурные элементы хромосо­мы, содержащие идентичные молекулы ДНК, образующиеся при репликации ДНК в синтетический период жизненно­го цикла клетки. Хроматиды соединены друг с другом в области первичной пере­тяжки — центромеры. Участки от цен­тромеры до концов хромосомы называ­ются плечами. В зависимости от места расположения центромеры различают три типа хромосом: метацентрические (равноплечие), субметацентрические (неравноплечие) и акроцентрические, имеющие палочковидную форму с очень коротким, почти незаметным придатком (вторым плечом).

Некоторые хромосомы имеют глу­бокие вторичные перетяжки, отделяющие небольшие участки хромосом, на­зываемые спутниками. В телофазе митоза происходит декомпактизация вещества хромосом, которое приобретает структуру интерфазного хроматина.