Цитоскелет и его производные
а) Микрофиламенты (МФ)
| 1) Природа | МФ образованы глобулярным белком актином: микрофиламент – двойная спираль (диаметром 5-7 нм), каждая нить которой представляет собой длинную цепочку из шарообразных молекул актина. |
| 2) Основные функции | а) В клетках МФ, ориентируясь, в основном, вдоль их длинной оси, образуют густую сеть. Особенно она выражена на периферии клеток, где препятствует их сильной деформации. б) Изменение длины МФ лежит в основе изменения формы клеток и различных видов клеточного движения. |
| 3) Участие по всасывании веществ | МФ образует также цитоскелет микроворсинок – в частности, на апикальной поверхности эпителиальных клеток тонкой кишки. В центре микроворсинки – пучок из 40 МФ, а в основании микроворсинки МФ контактируют с молекулами миозина. Скольжение МФ относительно миозина способствует перемещению всасываемых веществ в тело клетки. |
б) Промежуточные филаменты - по диаметру (10 нм) находятся между МФ (5-7 нм) и МТ (24 нм), с чем и связано их название.
Белковая природа данных филаментов зависит от вида ткани. В эпителии это кератин.
в) Микротрубочки (МТ)
| 1) Природа | Стенка МТ образована одним слоем глобулярного белка тубулина. На поперечном срезе – 13 глобул этого белка, образующих почти окружность (на самом деле укладка глобул в стенке – спиралевидная). |
| 2) Изменение длины | Длина МТ (как и МФ) может меняться. Регулятором, видимо, служат специальные стабилизирующие их белки. При этом у МТ различают два конца: - минус-конец, часто закреплённый на одном из сателлитов (каковыми являются особые белковые тельца), - и плюс-конец, с которого и происходит рост (путём самосборки) или укорочение МФ. |
| 3) Функции | 1) МТ тоже образуют в клетке густую сеть, поддерживая форму клеток. 2) МТ выполняют и транспортную роль: например, в длинных отростках нервных клеток вдоль МФ, как по рельсам, перемещаются секреторные и иные гранулы. |
г) Производные МТ
| 1) Центриоли | а) Центриоли образованы микротрубочками по формуле (9×3)+0. Это означает, что центриоль содержит 9 периферических триплетов МТ, расположенных по окружности, а в центре МТ нет. б) Центриоли располагаются парой – под прямым углом друг к другу. Такая структура называется диплосомой.. в) В свою очередь, вокруг центриоли – т.н. центросфера, содержащая сателлиты, от которых отходят МТ цитоскелета. г) Вместе центриоли и центросфера составляют клеточный центр. |
| 2) Аксонема | а) Аксонема, или осевая нить, является цитоскелетом ресничек и жгутиков. Схема расположения в ней МТ такова: (9×2)+2. Т.е. имеется 9 периферических дуплетов МТ и одна центральная пара. б) Периферические дуплеты связаны друг с другом «ручками» из белка динеина, а с центральной парой – радиальными мостиками. в) При замыкании и размыкании динеиновых мостиков соседние дуплеты скользят относительно друг друга, что приводит к изгибу (биению) аксонемы. |
9. Препараты,рекомендуемые к изучению (полное название и описание – в Атласе).
 Гранулы гликогена |   Комплекс Гольджи | Фагосомы в макрофагах |
Тема 4. ЯДРО И ДЕЛЕНИЕ КЛЕТКИ
1. Компоненты ядра клетки:
- ядерная оболочка,
- внешне бесструктурный ядерный матрикс,
- наследственный материал, представленный хромосомами и воспринимающийся в интерфазе как хроматин, а в митозе – как кариотип,
- и ядрышки.
Оболочка и матрикс
а) Ядерная оболочка
| 1) Мембраны ядерной оболочки | Ядерная оболочка состоит из двух мембран, разделённых перинуклеарным пространством и образующих полый двухслойный мешок. Наружная мембрана – это компонент цитоплазматической ЭПС, с которым могут быть связаны рибосомы. Внутренняя мембрана связана со структурами самого ядра: а именно – с прилегающей к ней ядерной пластинкой (ламиной), к которой крепятся концы всех хромосом, причём, в строго определённых местах. |
| 2) Ядерные поры | Ядерная оболочка пронизана большим количеством (порядка 2000-4000) крупных пор. В области краёв поры наружная и внутренняя мембраны сливаются, образуя округлое отверстие диаметром 120 нм. В это отверстие встроен т.н. комплекс поры, в котором имеются каналы уже гораздо меньшего, но всё же значительного, диаметра – 10 нм. |
| 3) Транспорт через поры | а) Через каналы происходит интенсивный транспорт молекул и крупных частиц в обоих направлениях: - из цитоплазмы в ядро – нуклеотидов, хромосомных и рибосомных белков, регуляторных факторов; - и из ядра в цитоплазму – многочисленных мРНК,. тРНК, рибосомных субъединиц. б) Чаще всего используется, видимо, активныйтранспорт – в случае крупных молекул и частиц. В этом участвуют специальные рецепторные белки и используется энергия АТФ. |
б) Ядерный матрикс
| Состав | Несмотря на внешнюю бесструктурность, матрикс ядра включает - не только жидкую часть – ядерный сок (кариоплазму), - но и белковый каркас (кариоскелет): * упоминавшуюся ядерную пластинку (ламину), через которую концы хромосом крепятся к внутренней ядерной мембране, * а также внутриядерную фибриллярную сеть – для фиксации хромосом и разнообразных белковых комплексов. |
Хромосомы и хроматин
а) ДНК, хроматиды и хромосомы
| 1) ДНК | В ядре любой диплоидной по ДНК клетки человека – 46 молекул ДНК. Средняя длина одной из них – 4 см, общая протяжённость – 185 см. |
| 2) Хроматиды | Каждая молекула ДНК связана с определёнными белками и образует дезоксирибонуклеопротеидный тяж – хроматиду. |
| 3) Хромосомы | а) Бóльшую часть времени существования клетки каждая хроматида представляет собой отдельную хромосому. б) Перед делением клетки - происходит удвоение ДНК и, соответственно, хроматид; - число хромосом остаётся прежним, но каждая из них теперь содержит по 2 хроматиды и, соответственно, по 2 мол. ДНК; - всего в ядре клетки оказывается 92 молекулы ДНК. |
б) Интерфазные хромосомы и хроматин
| 1) Интерфазные хромосомы | а) В неделящейся клетке, а также в клетке, которая только готовится к делению, но ещё не делится (в т.ч. на стадии удвоения ДНК), хромосомы -не находятся в степени максимальной конденсации - и поэтому при световой микроскопии неразличимы. б) Но при этом они сохраняют свою индивидуальность и определенную упорядоченность расположения: например, крепятся концами к строго определённым участкам внутренней ядерной мембраны. в) Такие хромосомы называются интерфазными. |
| 2) Хроматин | Совокупность интерфазных хромосом обозначается как хроматин. Выделяют два типа хроматина. а) Гетерохроматин – это относительно (хотя и не полностью) конденсированные, а потому функционально неактивные,хромосомы и (или) части хромосом. Под световым микроскопом воспринимаются как тёмные глыбки. б) Эухроматин – это относительно (хотя и не полностью!) деконденсированные, т.е. функционально активные, хромосомы и (или) части хромосом. На световом уровне остаются практически неокрашенными. |
| 3) Виды гетеро- хроматина | В свою очередь, гетерохроматин подразделяют на а) факультативный – способный превращаться в эухроматин; б) и конститутивный – никогда и ни в одной клетке к подобному превращению не способный. Пример конститутивного гетерохроматина – половой хроматин, или тельце Бара, – та из двух Х-хромосом у женщин, которая всегда находится в конденсированном состоянии. |
в) Мета- и анафазные хромосомы и кариотип
| 1) Мета- и анафазные хромосомы | Полной конденсации хромосомы достигают лишь в процессе деления – к началу метафазы. При этом они приобретают форму, строго определённую для каждой пары гомологичных хромосом. а) Метафазные хромосомы состоят из двух хроматид, которые начали расходиться, но ещё связаны в центромерной области. б) Анафазные хромосомы – это уже разошедшиеся хроматиды. |
| 2) Кариотип | Совокупность числа, размеров и особенностей строения метафазных (или анафазных) хромосом обозначается как кариотип. Таким образом, отличия от хроматина состоят, - во-первых, в том, что последний (хроматин) образован интерфазными хромосомами, а кариотип – мета- или анафазными, - а во-вторых, в том, что в кариотипе хромосомы характеризуются формой и размерами. |
| 3) Иллю-страция |   Рис. 4.1. Кариотип человека: набор анафазных хромосом Слева: хромосомы расположены произвольно. Справа: хромосомы сгруппированы: - в 23 пары гомологичных хромосом (в т.ч. 22 пары аутосом и одну пару половых хромосом – ХХ или XY), - а все эти пары разбиты на 7 групп. |
| Отделы хромосом | Части, выявляющиеся в мета- и анафазных хромосомах: а) центромера (первичная перетяжка), в этой области находится кинетохор – место прикрепления веретена деления; б) плечи – части хромосомы по сторонам от центромеры; в) теломеры – конечные участки плеч. У некоторых хромосом в одном из плеч имеется и вторичная перетяжка. Это место расположения генов рибосомных РНК. |
| Морфо-логические типы хромосом | По положению центромеры хромосомы делят на три вида: а) метацентрические – с равными плечами, б) субметацентрические – с плечами неодинаковой длины, в) акроцентрические – одно плечо практически отсутствует. |
Белки хромосом
| Две группы белков | В структурных преобразованиях хромосом, а также в процессах их функционирования очень важную роль играют белки. Хромосомные белки подразделяют на оснóвные и кислые. |
| Гистоны | Оснóвные белки представлены гистонами пяти видов. а) Оснóвность им придаёт высокое содержание лизина и аргинина, чьи радикалы имеют положительный заряд. Это позволяет им взаимодействовать с отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК. б) Также в гистонах много аминокислот с гидрофобными радикалами. Благодаря этому, гистоны хорошо взаимодействуют и друг с другом. в) Именно гистоны в первую очередь отвечают за структурное состояние хромосом. |
| Кислые белки | На кислые (негистоновые) белки приходится только 20-40% массы хромосомных белков (остальное – гистоны). Тем не менее, в отличие от гистонов, они чрезвычайно разнообразны: Их функции: - одни кислые белки участвуют в образовании высших уровней укладки хромосом (структурная функция), - другие являются ферментами тех важнейших процессов, в которых участвуют хромосомы; - третьи – регулируют активность ферментов и доступность различных участков ДНК |
Уровни организации хромосом
а) Количество уровней укладки при разных состояниях хромосом
| От одного до четырёх | Различают 4 уровня компактизации хромосом. а) Эухроматин обладает только одним, самым низшим уровнем (нуклеосомным), что сохраняет его матричную активность. б) Гетерохроматин имеет уже 3 уровня упаковки (от нуклеосомного до хромомерного), что лишает его активности, но всё ещё не позволяет различить отдельные хромосомы. в) А вметафазных (и анафазных) хромосомах - другой, более компактный, третий уровень организации (хромонемный вместо хромомерного) - и, кроме того, добавляется ещё один – четвёртый уровень (хроматидный). Так что, в итоге, длина ДНК (и хромосомы) сокращается в 10.000 раз. | ||
| Краткий перечень | Эухроматин | Гетерохроматин | Метафазные хромосомы |
| 1. Нуклеосомный уровень | 1. Нуклеосомный ур. 2. Нуклеомерный ур. 3. Хромомерный ур. | 1. Нуклеоосомный ур. 2. Нуклеомерный ур. 3. Хромонемный уровень 4. Хроматидный уровень |
б) Характеристика уровней компактизации хромосом
| 1. Нуклео-сомный уровень | На первом уровне компактизации ДНК вместе с белками гистонами образует очень длинную цепь «бусинок» – нуклеосом. а) Основа нуклеосомы – октамер – глобула из 8 молекул гистонов (по 2 молекулы гистонов четырёх видов). б) Вокруг каждой такой глобулы молекула ДНК делает почти 2 оборота. |  Рис. 4.2. Нуклеосомы |
| в) В участках между глобулами (эти участки называются линкерными отделами) с ДНК связано ещё по одной молекуле гистона (Н1). г) Период такой организации ДНК – примерно 200 нукл. пар ДНК. Сокращение длины хромосомы за счёт этого уровня – в 6,2 раза. | ||
| 2. Нуклео-мерный уровень | На следующем уровне нуклеосомная нить конденсируется (благодаря взаимодействию друг с другом молекул Н1) в более плотную суперспираль – нуклеомерную нить, или хроматиновую фибриллу. Там, где этот уровень имеется, длина хромосомы (или её участка) сокращается ещё в 6-7 раз. | |
| 3-4. Третий и четвёртый уровни | Верхние два уровня компактизации хромосом - образуются под влиянием уже не гистонов, а определённых кислых белков, и - используют другой принцип – не спирализацию (или не только спирализацию), а образование петель, или складок. Так, нуклеомерная нить образует множество петель, которые собираются в розетки. | |
| 3. а) Хромо- мерная нить | В гетерохроматине интерфазных ядер эти розетки – относительно рыхлые и обозначаются как хромомеры. В итоге, - хромосома приобретает вид хромомерной цепи, - и на том компактизация хромосом ограничивается. | |
| 3. б) Хромо-нема | В метафазных же и анафазныххромосомах петли розеток и сами розетки прилегают друг к другу гораздо более тесно. Образуемая при этом нить обозначается как хромонема, или хромосомная фибрилла. | |
| 4. Хроматидный уровень | Хромонема спирализуется или тоже складывается в петли. Возможно, группы таких петель образуют сегменты хромосомы, связанные друг с другом короткими линкерными участками. Продукт данного этапа конденсации – хроматида – одна из двух половин метафазной хромосомы. | |
| Изменение размеров | В ходе компактизации, наряду с укорочением хромосомы (всего – в 10.000 раз), происходит её утолщение. Так, толщина нуклеосомной нити – 10 нм, а хроматиды – 700 нм. |
6. Ядрышки –последние из перечисленных в начале темы компонентов ядра.
| Общая характе-ристика | 1) Ядрышко (нуклеола) – самая плотная структура ядра, обычно имеющая округлую форму. 2) Нередко в ядре – не одно, а несколько ядрышек. 3) При этом ядрышки – не самостоятельные структуры: они являются производными хроматина. |
| Состав | Всего в ядрышке различают три компонента: 1) ядрышковый организатор – совокупность некоего числа копий генов рибосомальных РНК, 2) фибриллярный компонент – синтезируемые на этих генах пре-рРНК и созревающие из цепи рРНК, 3) а также глобулярный компонент – формирующиеся здесь же субъединицы рибосом. |
| 1) Ядрышко- вый орга-низатор | а) Гены рибосомальных РНК локализуются в пяти парах хромосом, т.е. в 10 хромосомах (в области их вторичной перетяжки). б) При этом гены трёх видов рРНК (из четырёх) расположены друг за другом («цугом»), образуя т.н. кластер, который считывается при транскрипции как единое целое. в) В каждом ядрышковом организаторе – несколько сотен или даже тысяч копий как этого кластера, так и не входящего в него гена четвёртого вида (5 S-) рРНК. г) Количество ядрышек в ядре зависит от того, во сколько групп объединились 10 ядрышковых организаторов – в одну или несколько. |
| 2-3) Фибриллярный и гло-булярный компоненты | а) Превращение пре-рРНК в зрелые рРНК сводится к разрезанию её на отдельные рРНК и к дополнительной модификации последних. б) Зрелые рРНК вовлекаются тут же – в ядрышках – в процесс самосборки субъединиц рибосом, в котором участвует и несколько десятков рибосомных белков, поступающих из цитоплазмы. |