Непостоянные компоненты ядра. Ядро и его структурные компоненты

ЦИТОЛОГИЯ.

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ЯДРА.

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ КЛЕТКИ.

РЕАКТИВНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛЕТОК.

СТАРЕНИЕ И СМЕРТЬ КЛЕТКИ

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ КЛЕТОЧНОГО ЯДРА

Ядро клетки является ее важнейшим структурным компонентом. Его функции следующие:

1. Хранение наследственной информации в молекулах ДНК хромосом.

2. Реализация наследственной информации путем контроля в клетке синтетических процессов, а также процессов воспроизводства и гибели (апоптоза).

3. Воспроизводство и передача генетической информации при делении клетки.

4. Контроль и регуляция структурно-функционального состояния ци­топлазмы, клеточной оболочки, циторецепторов.

Количество ядер, их форма, величина зависят от вида клетки и ее функционального состояния. Наиболее часто встречаются одноядерные клетки, однако у некоторых клеток (например, гепатоцитов и др.) в свя­зи с интенсификацией функций может встречаться несколько ядер. Из­вестны гистологические структуры (например, симпласты в поперечно­полосатой мышечной ткани), для которых многоядерность является по­стоянным признаком.

Форма ядер, как правило, зависит от формы клеток. Ядро может быть уплощенным в плоских, округлым в кубических, эллипсоидным в призма­тических клетках. Встречаются сегментированные, палочковидные, лопаст­ные ядра. Расположение ядра также может быть различно: они могут ле­жать в центре клетки, эксцентрично, в базалыюй части.

Размеры ядра в целом зависят от функционального состояния клетки: в функционально активных клетках ядро имеет крупные размеры и наобо­рот. Крупные размеры характерны также для полиплоидных ядер. В организме человека встреча­ются так называемыепостклеточ­ные структуры, иногда также не­правильно называемые клетками: зритроциты, роговые чешуйки эпи­телия кожи, кровяные пластинки (тромбоциты). В них отсутствуют ядра, которые теряются в ходе спе­цифической дифференцировки. В постклеточных структурах подав­ляющее большинство характерных для клетки процессов отсутствует, они в течение определенного вре­мени выполняют одну или не­сколько функций, а затем гибнут.

В интерфазной клетке ядро со­стоит из 4 компонентов (рис. 4.1):

1. Хроматин (как часть хро­мосом).

2. Ядрышко.

3. Кариолемма.

4. Кариоплазма.

1. ХРОМАТИН.Хроматином называется интерфазная форма су­ществования хромосом. Структур­ное состояние хромосом существен­но меняется в интерфазных ими-тотически делящихся клетках. В интерфазе хромосомы находятся в частично или полностьюдеконден-сированном состоянии. При этом большая их часть становится неви­димой в световом микроскопе. Об­ласти деконденсации хромосом яв­ляются активными, здесь идет транскрипция ДНК. Такие области называютсяэухроматином. Конден­сированный, или плотный хрома­тин имеет выраженную базофилию и виден в микроскопе. Эти неак­тивные участки хромосом иначе называютсягетерохроматином. В

световом микроскопе гетерохроматин иидеи и форме гранул или глыбок, ок­рашенных основными красителями в характерный для красителя цвет и рас­пределенных но ядру или относительно равномерно, или зонально. Иногда распределение гетерохроматина создает картину спин колеса (в плазмоцитах). Часть гетерохроматина прилежит к кариолемме -примем-бранный хроматин, - а также сосредоточена вокруг ядрышек -иеринукле-олярный хроматин.

Гетерохроматин делится на два вида:

1. Конститутивный хроматин - это такой гетерохроматин, с которо­го никогда ни в одной клетке не идет считывание информации и виде и-РНК. В хромосомах это обычно области вблизи центромеров.

2. Факультативный гетерохроматин - это хроматин, количество кото­рого заметно варьирует в разных клетках: его совсем мало в эмбриональ­ных клетках, а по мере дифференцировки клеток содержание этого хрома­тина увеличивается. В синтезирующих белок клетках количество факуль­тативного хроматина снижено.

Поскольку красителями окрашивается только гетерохроматин, то степень окраски ядра зависит от его количества. Темноокрашенное ядро обычно характерно для функционально неактивной клетки. При актива­ции клетки соотношение эухроматин/гетерохроматин изменяется в пользу эухроматина, и ядра функционально активных клеток светлые, слабоокрашенные.

2. ЯДРЫШКО. Это плотный структурный компонент ядра. В клетке может быть от одного до нескольких ядрышек. Ядрышко - это совокуп­ность участков 10 хромосом (13, 14, 15, 21, 22 пары) (рис. 4.2, а). Эти уча­стки называют ядрышковыми организаторами. Они находятся в областивторичных перетяжек хромосом и представлены многочисленными копия­ми генов рибосомальных РНК (рРНК). Следовательно, в ядрышках с ДНК ядрышковых организаторов происходит считывание информации в виде рибосомальной РНК.

В световом микроскопе ядрышко определяется как плотноокрашенная основными красителями глобула размером от 1 до 3 мкм, не имеющая оболочки. Располагается как в центре ядра, так и эксцентрично. Интен­сивно окрашивается на рибонуклеопротеиды. Размеры ядрышка тем боль­ше, чем выше функциональная активность клетки.

В электронном микроскопе ядрышко состоит из двух основных частей: фибриллярного (представлен первичными цепями рибосомальной РНК) игранулярного (предшественники рибосом). Иногда выделяют третий,амор­фный компонент ядрышка, который представляет собой собственно ядрыш-ковые организаторы.

Ядрышко подвергается характерным изменениям в митотическом цик­ле (рис. 4.2, б). Во время митоза оно исчезает, потому что хромосомы спирализируются и расходятся, прекращается синтез РНК на ядрышковых орга­низаторах. При этом ядрышко постепенно распадается на 10 частей (столько же, сколько и хромосом, его образующих), которые постепенно ис­чезают. После митоза ядрышко вновь восстанавливается: вначале образует­ся 10 мелких ядрышек; они сливаются и образуют одно-два ядрышка.

Функции ядрышка - синтез рибосомальной РНК и образование рибо­сом. При транскрипции генов ядрышковых организаторов вначале образу­ется гигантская молекула-предшественница рРНК. Она связывается с бел­ками, синтезированными в цитоплазме и поступившими в ядро. Образу­ются рибопуклеопротеиды (РНП), которые подвергаются растеплению на более мелкие фрагменты, соединяющиеся с добавочными молекулами бел­ка. Одна часть этих фрагментов превращается вбольшие, другая часть - вмалые субъединины рибосом.

3. ЯДЕРНАЯ ОБОЛОЧКА, или кариолемма. На светомикроскопичес-ком уровне она видна как тонкая пластинка, окружающая ядро. В электрон­ном микроскопе состоит из двух мембран, которые имеют такое же строение, как все биологические мембраны (рис. 4.3). Наружная мембрана переходит в мембраны эндоплазматической сети. На ней могут быть рибосомы. Со сто­роны цитоплазмы наружная мембрана окружена сетью промежуточных виментиновых филамеитов. Между двумя мембранами есть перинуклеарное пространство шириной 20-40 им. Оно является аналогом полостей грану­лярной ЭГТС и может содержать продукты белкового синтеза.

Внутренняя мембрана кариолеммы гладкая. При помощи стрруктурных белков она связана с плотно прилежащей к ней ламиной, илиядерной пластинкой, которая имеет толщину до 300 нм и состоит из сгущения про­межуточных филаментов. С ламиной контактируют промежуточные фи-ламенты, формирующие в ядре фибриллярную сеть и образующиекариос- келет. Ламина поддерживает форму ядра, участвует в организации пор, способствует упорядоченному расположению хроматина. Она также уча­ствует в формировании кариолеммы при делении клеток.

Две ядерные мембраны в отдельных участках переходят одна в другую. Эти места являются порами кариолеммы (рис. 4.3). В порах находятся гра­нулярные и фибриллярные структуры, которые вместе образуюткомплекс поры. По краю поры лежат 8 гранул, а в центре находится центральная гранула. К ней от периферических гранул идут фибриллы. Формируется структура, похожая на колесо со спицами. В комплексе поры имеется три таких структуры, которые лежат на разных уровнях, формируя три этажа. Гранулы пор связаны с белками ламины, участвующей в их организации. В комплексе поры содержатся особые рецепторы, распознающие поступаю­щие в ядро белки и осуществляющие их активный перенос.

Число пор зависит от метаболической активности клеток: чем выше синтетические процессы, тем выше содержание пор. В среднем в ядерной оболочке содержится 2000-4000 пор. В сперматозоидах ядерные поры пол­ностью отсутствуют.

Функции кариолеммы:

1. Разграничительная.

2. Защитная.

3. Регуляция транспорта веществ, в том числе и рибосом, из ядра в цитоплазму и наоборот. Комплекс пор играет в этом наибольшее значение (роль диафрагмы и активного транспортера).

4. ЯДЕРНЫЙ СОК - КАРИОПЛАЗМА. Это жидкий компонент ядра. Представляет собой коллоидный раствор сложных белков, углеводов, нуклеотидов. В состав кариоплазмы входят также различные ионы и мета­болиты. Среди белков наибольшее значение имеют гистоны, ферменты, структурные белки. Функции кариоплазмы:

1. Создает микросреду для всех структур ядра, в которой может проис­ходить быстрая диффузия метаболитов.

2. Перемещение рибосом, м-РНК и т-РНК к ядерным норам.

ХРОМОСОМЫ. Хромосомы видны полностью только в митозе. Наи­более удобно изучать их в метафазе (метафазн^" хромосомные пластин­ки). Основными химическими элементами хромосимы являются ДНК и белки (рис. 4.4). Комплекс ДНК с белками (в основном с гистонами) фор­мирует фибриллярную структуру -элементарную хромосомную фибриллу, имеющую нуклеосомную организацию. Каждая нуклеосома представляет собой комплекс из 8 молекул гистонов(гистоновый октамер). Вокруг него молекула ДНК образует около 2 оборотов. Участки ДНК, связывающие соседние нуклеосомы, называютсялинкерной ДНК. Следующим уровнем организации хромосомы являетсянуклеомерная организация, или уровень хроматиновой фибриллы. В ней нуклеосомы объединяются внуклеомеры, причем каждый нуклеомер состоит из 8-10 нуклеосом и имеет диаметр около 30 нм. Хромосомы образованы хроматиновыми фибриллами (хрома-тидами) в интерфазе. В ходе последующей упаковки нуклеомер подверга­ется суперспирализации и превращается вхромомер, содержащий петельные домены. Петельный домен имеет диаметр до 300 им и соответствует одному или нескольким генам. Хромомер далее за счет сунерспирализации укорачивается, образуются конденсированные хромосомы, видимые только в митозе клетки.

МОРФОЛОГИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ХРОМОСОМ

Каждая хромосома в световой микроскоп выглядит в виде палочки (рис. 4.5). У большинства хромосом можно увидеть первичную перетяжку - центромер, иликинетохор. Он делит хромосомы на два плеча. Если длина плеч одинакова, такие хромосомы называютсяметацентрическими. Если одно плечо больше, то хромосомы являютсясубметацентрическими. Хромосомы с очень коротким одним плечом называютсяакроцентрически-ми. Иногда на хромосомах естьвторичные перетяжки, отделяющие от хро­мосомы маленький участок -сателлит. В области вторичных перетяжек находятся ядрышковые организаторы.

Согласно Денверской классификации хромосом (Денвер, США, 1960), учитывающей размеры хромосом, расположение первичных, вторичных пе­ретяжек и наличие спутника, все хромосомы делятся на 7 групп (А, В, С,D,E,F,G) (рис. 4.5,б). Существует такжеПарижская (1971) классифика­ция хромосом. В ее основу положенадифференциальная окраска хромосом некоторыми красителями. Эта окраска выявляет в хромосомах чередующи­еся светлые и темные полосы (гетеро- и эухроматиновые районы), уни­кальные для каждой пары хромосом. Дифференциальная окраска позволя­ет достоверно отличить одну пару хромосом от другой.

Все хромосомы вместе образуют кариотип. Среди хромосом естьсома­тические, илиаутосомы (рис. 4.5, б), иполовые хромосомы. Соматические хромосомы образуютгомологические (похожие) пары. У человека таких пар 22. Половые хромосомы различаются в мужском и женском организме. В женском организме есть две Х-хромосомы, в мужском - половые хромо­сомы различные,XиY, причемY-хромосомы определяют пол мужчины.

СПОСОБЫ РЕПРОДУКЦИИ КЛЕТОК

Универсальным механизмом размножения клеток является митоз, илинепрямое деление. Разновидностями митоза являютсямейоз иэндо-митоз. Иногда как самостоятельный способ репродукции рассматриваютамитоз, или прямое деление. Однако в последнее время большинство ци­тологов отрицают существование амитоза у эукариотических клеток.

МИТОЗ. Это непрямое деление клетки, связанное с изменениями ее ядра. В митозе имеется 4 фазы: профаза; метафаза; анафаза; телофаза (рис. 4.6, 4.7).

В ПРОФАЗУ происходят сле­дующие события:

1. В результате спирализации и конденсации хроматина стано­вятся видны хромосомы. Каждая хромосома состоит из двух лежа­щих рядом сестринских хроматид.

2. Исчезает ядрышко, т.к. на ядрышковых организаторах прекра­щается синтез р-РНК и они расхо­дятся в связи с конденсацией хро­мосом.

3. Из микротрубочек цитоплаз­мы формируется веретено деления. Центрами его организации стано­вятся разошедшиеся к полюсам центриоли. Микротрубочки верете­на деления прикрепляются к цент­ромерам хромосом, в области кото­рых из особых белков формируются кинетохоры. В дальнейшемкинето- хоры сами могут служить центрами организации микротрубочек.

4. Распадается на мелкие фраг­менты, превращается в мембранные пузырьки и становится неотличи­мой от ЭПС ядерная оболочка. По-ровый комплекс и ламина распада­ются на субъединицы.

МЕТАФАЗА. Все хромосомы располагаются в экваторе клетки и удерживаются в этом положении микротрубочками веретена деления. Сестринские хроматиды отходят друг от друга, разделяясь щелью, но остаются соединенными в облас­ти центромеры. Хромосомы форми­руют метафазную пластинку, илиматеринскую звезду.

АНАФАЗА. Сестринские хро­матиды, из которых состоят хромо-сомы, отделяются друг от друга и в области центромеры и начинают расхо­диться к полюсам клетки со скоростью до 1 мкм/мин. Анафаза обычно длится несколько минут.

Механизм движения хроматид к полюсам не со­всем ясен. Предполагают, что сигналом к движению является резкое повы­шение в гиалоплазме концентрации ионов кальция. Возможно, причина движения заключается в деполимеризации микротрубочек веретена с кон­ца, прикрепленного к кинетохорам. По другим представлениям, оиа кроет­ся во взаимодействии таких сократимых белков, как актин, миозин и динеин, которые сосредоточиваются вокруг веретена деления. Разошедшиеся к полюсам сестринские хроматиды формируют дочерние звезды.

ТЕЛОФАЗА. Когда разделенные дочерние хроматиды подходят к по­люсам, кинетохорные трубочки исчезают. Вокруг каждой группы дочерних хроматид из мембранных пузырьков и агранулярной ЭПС образуется новая ядерная оболочка, а из имеющихся в цитоплазме субъединиц - норовые комплексы и ламипа. Конденсированный хроматин начинает деспирализо-ваться, разрыхляться. Появляются ядрышки. Происходит распределение органелл между клетками. Затем, благодаря актииовым филаментам, в цент­ре клетки по периметру образуется сократимое кольцо (рис. 4.7, 4.8). Оно постепенно сжимается и образует борозду деления, которая углубляется и в конце концов разделяет материнскую клетку па две клетки. Это явление на­зывается цитотомией.

Наряду с описанным нормальным митозом могут наблюдаться ати­пичные и патологические митозы. При них может иметь место неравно­мерное распределение генетического материала между дочерними клетка­ми -анэуплоидия. Могут наблюдаться также аномалии хромосом -хро­мосомные аберрации, часто возникающие после рентгеновского облучения. Патологические митозы характерны для опухолевых клеток.

ЭНДОМИТОЗ - это вариант митоза, когда редупликация хромосом не заканчивается образованием двух клеток. Есть несколько вариантов эн-домитоза, отражающих степень "продвинутое™" митоза: 1. ПОЛИТЕНИЯ - явление, при котором в результате редупликации ДНК происходит увеличение размеров хромосом во много раз. Имеет мес­то у беспозвоночных животных.

2. ПОЛИПЛОИДИЯ - увеличение количества хромосом, обычно кратное двум. В полиплоидных клетках в последующем может происхо­дить разделение (сегрегация) геномов, и такие клетки распадаются на не­сколько клеток с диплоидным набором хромосом. Эти изменения некото­рые исследователи рассматривают как проявление амитоза.

3. Образование ДВУЯДЕРНЫХ И МНОГОЯДЕРНЫХ КЛЕТОК. Они возникают тогда, когда ядро делится, но цитотомия не происходит. Многоядерные клетки в последующем могут путем цитотомии разделить­ся с образованием одноядерных (вариант амитоза).

Эидомитоз в конечном счете приводит к увеличению размеров клетки и ее функциональных возможностей, поэтому его можно рассматривать как механизм приспособления или адаптации клетки к изменяющимся ус­ловиям внешней среды.

АМИТОЗ, или прямое деление клетки. В последнее время большин­ство исследователей отрицают его существование и значение для организ­ма. Поэтому во многих руководствах амитоз вообще не рассматривается как способ репродукции клеток.

Амитоз - деление клетки без изменений со стороны хромосомного ап­парата. Он проходит путем простой перетяжки ядра и цитоплазмы без вы­явления хромосом и образования веретена деления. Одной из форм амитоза является сегрегация геномов - множественная перешнуровка полиплоидно­го ядра с образованием мелких дочерних ядер с обычным генотипом.

Те исследователи, которые допускают существование амитоза, разли­чают реактивный амитоз (ответная реакция на внешние факторы),патоло­гический амитоз (в условиях патологии),регенераторный амитоз (при ре­генерации поперечно-полосатой мышечной ткани),дегенеративный амитоз (в стареющих клетках).

МЕЙОЗ. Это деление половых клеток, вариант митоза. При помощи мейоза образуются клетки с гаплоидным набором хромосом.

Мейоз состоит из двух последовательных митотических делений: МЕЙОЗ Iи МЕЙОЗ И.

Мейоз Iназываютредукционным делением, т.к. в нем происходит ре­дукция, уменьшение хромосомного набора в два раза. МейозIимеет слож­ную профазу, состоящую из 5 периодов, или фаз:

ЛЕПТОТЕНА - хромосомы приобретают вид длинных тонких нитей;

ЗИГОТЕНА - в ней происходит конъюгация гомологичных хромосом;

ПАХИТЕНА - в эту фазу хромосомы укорачиваются и утолщаются;

ДИПЛОНЕМА - характеризуется расщеплением хромосом на две по­ловинки - хроматиды. Образуются тетрады, состоящие из четырех хроматид; - ДИАКИНЕЗ - хромосомы сильно укорачиваются в результате спи рализации и отходят друг от друга.

Дальнейшие фазы мейоза I(метафаза, анафаза, телофаза) такие же. как в митозе, но к полюсам отходят не хроматиды, а целые хромосомы. Это и приводит к редукции хромосомного набора.

В мейозе IIк полюсам отходят хроматиды, как в митозе. Подробнее о мейозе - в разделе "Эмбриология", см. рис. 5.5.

ЯДЕРНО-ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКОЕ ОТНОШЕНИЕ

КАК ПОКАЗАТЕЛЬ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО

СОСТОЯНИЯ КЛЕТКИ

Отношение площади или объема ядра к площади или объему цитоп­лазмы называется ядерно-цитоплазматическим отношением (ЯЦО). Ядер-но-цитоплазматическое отношение показывает, в каком состоянии нахо­дится клетка. Если это отношение равно или больше 1, это значит, что в клетке большое ядро и мало цитоплазмы. Такое отношение могут иметь стволовые клетки, малые лимфоциты, стареющие клетки. Эти клетки функционально неактивны, однако обладают способностью делиться, на­пример, стволовые клетки. Наоборот, клетки, у которых ЯЦО меньше 1, имеют большой объем цитоплазмы и, следовательно, большое количе­ство органелл. Они высокодифференцированы и способны активно фун­кционировать.

МИТОТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ КЛЕТКИ

Митотическнй цикл - это время от одного до второго деления клетки. Его подразделяют насобственно митоз иинтерфазу. В свою очередь, ин­терфаза делится на 3 периода (рис. 4.9,1):

1. G ,-период. В нем активируются обменные процессы, необходимые для синтеза ДНК. Характеризуется ростом клеток, синтезом белка и РНК. Клетка восстанавливает нужный объем органелл и достигает обычных размеров. Синтезируются также специальныебелки-активаторы S -периода.

2. S -период - период синтеза, удвоения ДНК в ядре, хромосомы пол­ностью реплицируются. Одновременно удваиваются центриоли.

3. С 2 -период - синтез и-РНК, р-РНК, белков тубулинов, из которых синтезируется веретено деления. Полностью созревают дочерние центрио­ли. Запасается энергия. Затем наступает М-период, или собственно митоз.

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ - это время от одного деления до второго или до смерти клетки. Есть три основных вида тканевых клеток, различа­ющихся по жизненному циклу (рис. 4.9):

1. Стволовые клетки. Эти клетки способны к постоянному делению митозом. За счет них поддерживается тканевой гомеостаз. Жизненный цикл таких клеток будет составлять время от одного деления до второго, т.е. совпадает с митотическим циклом. Несмотря на неограниченные спо-собности к делению и дифференпировке, стволовые клетки делятся очень редко и после завершения митоза пребывают в продленном С,-нериодс (иногда его называютGo-периодом). После деления стволовые клетки пре­вращаются вполустволовые клетки, которые, наоборот, интенсивно делят­ся, восполняя клеточные потери. 2.Дифференцированные клетки.

а) Необратимые постмитотические клетки. Такие клетки делятся мито­зом только в эмбриональном периоде, а затем после достижения популя­цией необходимого объема полностью теряют способность к делению. Примером таких клеток являются нейроны, сердечные мышечные клетки. Жизненный цикл этих клеток состоит из следующих периодов:митотичес-кий цикл + детерминация (или определение пути дифференцировки) + диф-ференцировка (появление специфических черт строения клетки для выпол­нения специфической функции) + специализация ("обучение" функции, заключительные этапы дифференцировки) + период активного функциони­рования + старение + смерть клетки.

б) Обратимые постмитотические клетки. Эти клетки (например, клетки печени) характеризуются тем, что могут выходить из митотического цикла и переходить в состояниеG 0 , или покоя. При этом они имеют возмож­ность для двух путей своего развития: или возвратиться в митотический цикл и делиться, или необратимо дифференцироваться и приступить к функции. Такие клетки являются резервом ткани.

ТИПЫ КЛЕТОЧНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ (СООБЩЕСТВ).

МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ ГОМЕОСТАЗА В РАЗЛИЧНЫХ ТИПАХ КЛЕТОЧНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ

В многоклеточном организме численность любой клеточной популя­ции жестко регулируется. Механизмы тканевого гомеостаза сложны и многогранны. На их полюсах находятся митоз и аноптоз (запрограммиро­ванная клеточная гибель, см. ниже).

Как отмечалось, существует три вида соматических клеток в зависимо­сти от их жизненного цикла: стволовые; постмитотически обратимые; по­стмитотически необратимые. Из сочетания этих клеточных типов форми­руются клеточные популяции (например, ткани). По соотношению в кле­точных популяциях клеток с различными клеточными циклами французс­кий ученый К. Лсблоп разделил все клеточные системы (ткани и органы) па три большие группы.

1. Статические (стационарные) клеточные популяции. К этой группе он отнес такие клеточные популяции, в которых в зрелом состоянии имеются только дифференцированные клетки и полностью отсутствуют стволовые клетки. К таким клеточным популяциям относятся нервная и сердечная

мышечная ткани. В них клетки в процессе дифференцировки необратимо к"ряют способность к делению, и общее число клеток не может увеличивать­ся. Напротив, с течением времени определенная часть клеток погибает путем амонтоза, а при старении организма этот процесс усиливается.

2. Растущие (увеличивающиеся в размерах) клеточные популяции. К :>той группе относятся клеточные популяции с очень низким в норме тем­пом пролиферативных процессов. Одновременно и потеря клеток очень низка. Такие популяции содержат: 1) очень незначительное количество стволовых клеток (по мнению некоторых авторов, они вообще отсутству­ют); 2) дифференцированные клетки; 3) покоящиеся клетки.

Примером такого типа популяций может служить паренхима печени, почек, щитовидной железы. В эмбриогенезе популяция гепатоцитов раз­множается с большой скоростью, в начале постнаталыгого развития число активно размножающихся гепатоцитов снижается, а продолжительность митотического цикла возрастает. У взрослых животных количество их па­дает до очень незначительных величин. Вместе с тем, при определенных ситуациях (удаление части органа) покоящиеся клетки быстро возвраща­ются в митотический цикл и, размножаясь, восстанавливают численность клеточной популяции.

3. Обновляющиеся популяции клеток. В этих популяциях достаточно интенсивное воспроизводство клеток уравновешивается такой же интен­сивной их потерей за счет апоптоза. Такие популяции состоят из: 1) отно­сительно небольшой фракции стволовых клеток, которые, делясь и диф­ференцируясь в зрелые клетки, поддерживают численность клеточной по­пуляции. Эти клетки большую часть своего жизненного цикла проводят в состоянии продленного С,-периода. 2) постмитотически необратимых кле­ток, выполняющих основные функции популяции.

В зависимости от типа клеточной популяции различны и механизмы поддержания ее гомеостаза.

1. В статических клеточных популяциях регуляторные механизмы на­правлены на регуляцию апоптоза.

2. В растущих клеточных популяциях регуляторные механизмы могут быть направлены на:

1) изменение процесса входа или выхода клеток в(из) состояние(я) по­коя; 3) изменение длительности митотического цикла клеток; 2) измене­ние скорости дифференцировки клеток; 4) изменение интенсивности апоп­тоза клеток.

3. В обновляющихся клеточных популяциях регуляция может быть при­ложена к: 1) выходу или входу стволовой клетки из(в) продленного(ый) Go-период; 2) изменению длительности митотического цикла стволовых клеток; 3) изменению интенсивности апоптотической гибели клеток, кото­рая в нормальных условиях достаточно высока.

В последнем случае численность клеточной популяции будет зависеть от соотношения митотической активности и апоптотической гибели кле­ток: а) при уравновешивании их популяция находится в стационарном со­стоянии; б) при преобладании пролиферативных процессов отмечается при­рост клеток, гипертрофия ткани, адаптация к вредным факторам; в) при преобладании апоптотической гибели наблюдается убыль клеточной популя­ции, что может иметь место при возвращении ткани после гипертрофии к исходному состоянию, атрофии ткани (малокровие, язвы и т.д.).

ОБЩИЕ ЧЕРТЫ ПОКОЯЩИХСЯ КЛЕТОК (G 0 - W 1 ETOK )

В покоящихся клетках существует ряд механизмов, поддерживающих макромолекулы в состоянии равновесия, необходимого для жизнедеятельно­сти, и предотвращающих их гибель в неблагоприятных условиях. Благодаря этому покоящиеся клетки могут пребывать в состоянии покоя неограничен­но долго, при этом в определенной мере выполняя некоторые специфичес­кие функции (в первую очередь это относится к клеткам, вышедшим в со­стояние покоя после С 2 -периода). В состоянии покоя может происходить репарация поврежденной ДНК.

Для покоящихся клеток характерны следующие признаки:

1. По размерам они меньше пролиферирующих клеток.

2. В них более, чем в делящихся клетках, конденсирован хроматин.

3. В этих клетках низкий уровень синтеза ДНК.

4. Снижено содержание РНК при одновременном повышении процес­сов ее синтеза и распада.

5. Снижена проницаемость цитолеммы.

6. Снижена интенсивность метаболизма и дыхательная активность.

ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ, МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ

И ОРГАНИЗМЕННЫЕ МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ

ДЕЛЕНИЯ КЛЕТОК.

ВЛИЯНИЕ РАДИАЦИИ НА ДЕЛЕНИЕ КЛЕТОК

Регуляция деления клеток осуществляется на разных уровнях.

1. ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЙ УРОВЕНЬ.

а) ГЕНОМНО-ЯДЕРНЫЙ УРОВЕНЬ. Осуществляется путем дей­ствия генов, ответственных за митоз. В клеточном геноме имеются "ранние" и "поздние" гены пролиферативного ответа. "Ранними" генами являются гены fosи туе, "поздними" -ras,myb-гены. Продуцируемые этими генами белки стимулируют вступление клетки в митоз и увеличивают его скорость.

б) Цитоплазма может влиять на ядро с помощью различных раствори­мых факторов, так называемых триггерных белков, которые подавляют или активируют митоз.

в) Компоненты цитолеммы (белки и гликопротеины) клетки могут ока­зывать регулирующее влияние на ее митотическую активность. Очевидно, они участвуют в таком феномене, как контактное торможение размножения, но могут выступать в роли самостоятельного регуляторного механизма.

2. МЕЖКЛЕТОЧНЫЙ УРОВЕНЬ регуляции митоза:

а) Эффект контактного торможения размножения. Заключается в том, что при тесном контакте мембран двух клеток их деление подавляется. Это влияние опосредуется через плазмолемму, цитоскелет и передается на ядро. Эффект контактного торможения размножения объясняет, почему в культуре ткани клетки растут только в виде монослоя. Раковые же клетки не обладают этим эффектом, они растут беспорядочно, нарушая монослой. Аналогичным образом они ведут себяinvivo.

б) Кейлонная регуляция. Кейлоны - вещества белковой природы. Они вырабатываются дифференцированными клетками, но способны действо­вать на стволовые клетки, подавляя их митоз. Кроме кейлонов, клетки выделяют еще специфические факторы роста,индукторы, которые стиму­лируют митоз. За счет кейлонов и индукторов регулируется постоянство клеточного состава тканей.

3. На ОРГАНИЗМЕННОМ УРОВНЕ регуляция деления идет за счет нервной, эндокринной, иммунной систем. Нервная система может как подав­лять, так и стимулировать деление клеток в тканях-мишенях. Клетками эндокринной и иммунной системы вырабатывается большое количестворостовых факторов, которые стимулируют клеточное деление:эпидер-мальный, тромбоцитарный факторы роста, фактор роста нервов, фибробластов, инсулиноподобные факторы и др. Некоторые гормоны стимулируют, другие - подавляют размножение клеток. К гормонам-сти­муляторам митотической активности клеток относят гормон роста, инсу­лин, тиреоидные гормоны и др. Подавляют размножение клеток глюкокор-тикоиды (гормоны коры надпочечников). Один и тот же гормон может оказывать на клетки разных органов различное влияние. Например, поло­вые гормоны стимулируют деление клеток в половых органах, но подавля­ют его в зонах роста костей. Глюкокортикоиды подавляют деление клеток в большинстве органов, но могут стимулировать его в печени.

Митоз является достаточно чувствительным к действию вредных вне­шних факторов процессом. Он может подавляться действием различных химических веществ, в том числе и лекарственных препаратов. Вещества, деполимеризующие микротрубочки веретена деления (например, колхи­цин), останавливают митоз в метафазе. Это используется для получения препаратов так называемых метафазных хромосом, которые наиболее удобны для изучения их строения. Эти же вещества используются для лече­ния опухолей. Радиация оказывает повреждающее влияние на митоз. Мито-тические хромосомы изменяют форму, возникают их разрывы, иногда с пос­ледующим неправильным соединением фрагментов. Порой отдельные хро­мосомы исчезают вообще. Наблюдаются аномалии веретена деления. Оно может иметь не два, а три полюса. В некоторых случаях хромосомы делятся, а деления ядра не происходит. В результате возникают большие ядра с поли­плоидным набором хромосом. Если поражение радиацией сильное, то клет­ка теряет способность к делению.

МЕХАНИЗМЫ КЛЕТОЧНОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ

Способность клетки или ткани восстанавливать утраченные части назы­вается регенерацией. В зависимости от уровня ее реализации регенерация подразделяется навнутриклеточную регенерацию ирегенерацию на клеточном уровне. Внутриклеточная регенерация - восстановление ста­рых, разрушившихся органелл клетки, например, митохондрий, а также поврежденных частей клетки.

В зависимости от назначения регенераторного процесса регенерация подразделяется на физиологическую ирепаративную (посттравматическую) регенерацию. Физиологическая регенерация - это восстановление старых, подлежащих замене компонентов клетки или целых клеток. Репаративная регенерация - восстановление клеток после повреждения. После поврежде­ния наряду с регенераторным процессом, как правило, происходят икомпен­саторные, адаптивные изменения в клетке, направленные на уменьшение по­следствий возможного повторного повреждения. Если в результате количе­ство органелл увеличивается, то это явление называетсягиперплазией орга­нелл. Если количество органелл остается тем же, но увеличиваются их раз­меры, то это явление называетсягипертрофией органелл. Может наблюдать­ся сочетание гипертрофии и гиперплазии органелл. В результате указанных изменений клетка увеличивается в размерах(гипертрофия клетки) и стано­вится менее чувствительной к действию вредных факторов.

Клеточная регенерация - это регенерация ткани за счет увеличения чис­ла клеток путем митоза. Подробнее о регенерации - в общей гистологии.

РЕАКТИВНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛЕТОК.

ПОНЯТИЕ О ГИПЕРПЛАЗИИ И ГИПЕРТРОФИИ КЛЕТОК.

СМЕРТЬ КЛЕТОК. НЕКРОЗ

Реактивные изменения клеток - изменения структуры и функции кле­ток под воздействием внешних факторов. Если внешний фактор не вызы-иает гибели клеток, то в клетках происходят компенсаторные изменения, на­правленные на уменьшение последствий вредного воздействия внешнего фактора. Эти изменения могут быть следующими:

1. Внешний фактор активирует деление клеток. При этом клеток ста­новится больше, и в результате распределения фактора на большее коли­чество клеток они легче переносят его воздействие.

2. Внешний фактор воздействует на клетку, которая не может делиться. При этом в клетке активируется синтез белка, органелл, происходит их ги­перплазия и гипертрофия. В результате клетка увеличивается в размерах и становится менее чувствительной к действию фактора. В первом случае мы имеем дело с гиперплазией клеток, во втором - с их гипертрофией.

3. Внешний фактор может привести к образованию полиплоидных и двуядерных клеток. Такие клетки больше по размерам, функционально бо­лее активны и менее чувствительны к повреждающему фактору.

4. Внешний фактор может вызвать усиление метаболизма и функцио­нальной активности клеток. Это один из вариантов реакции клеток на внешний раздражитель. Может происходить увеличение клеточной повер­хности и усложнение ее формы, что в определенной степени ведет к сни­жению интенсивности внешнего воздействия на единицу площади клетки. Как проявление реакции на внешние стимулы может активироваться фа­гоцитоз клеток, особенно тех, у которых он является основной функцией. Может возрастать двигательная активность клеток. Мышечные клетки на стимуляцию ответят сокращением, нервные - нервным импульсом, секре­торные - усилением выработки и выделения секрета и т.д.

5. Любые достаточно сильные внешние воздействия вызывают в клет­ках стрессорные реакции, протекающие стереотипно. При этом происходит активация определенных генов, обеспечивающих синтез специальных за­щитных белков при одновременной блокаде других синтетических процес­сов. Эти защитные белки названыбелками теплового шока (БТШ), по­скольку первоначально были обнаружены в клетках при воздействии на них высокой температуры. БТШ носят универсальный характер, обладают собственной повышенной устойчивостью и одновременно предотвращают повреждение (агрегацию, коагуляцию) других клеточных белков, способ­ствуют расщеплению возникших патологических белковых конгломератов.

6. При воздействии на клетку запредельных факторов она подвергает­ся разрушению - некрозу. Обычно некроз захватывает целые группы кле­ток. Морфологические изменения при этом касаются и ядра, и цитоплаз­мы. В ядре могут происходить такие изменения. Под действием активиро­ванного лизосомалыгаго фермента ДНКазы ядерная ДНК расщепляется на фрагменты различной длины, что ведет к изменению расположения хроматина: он скапливается в виде крупных глыбок под кариолеммой. В дальнейшем с ядром могут происходить следующие изменения: - КАРИОПИКНОЗ - сморщивание ядра, уменьшение его в размерах до полного исчезновения;

КАРИОЛИЗИС - растворение ядра с постепенным исчезновением в нем всех структур. Ядро приобретает вид бесструктурного пузырька;

КАРИОРЕКСИС - разрыв ядра на отдельные фрагменты, которые затем разрушаются.

Лишенная в результате одного из этих трех процессов ядра клетка становится нежизнеспособной и постепенно гибнет.

В цитоплазме происходит дегенерация органелл. Цистерны ЭПС рас­ширяются, гранулярная ЭПС полностью лишается рибосом. Матрикс ми­тохондрий просветляется, расширяется межмембранное пространство, в дальнейшем разрушаются кристы; в конечном итоге мембраны митохонд­рий разрываются и митохондрии разрушаются. Повреждаются мембраны лизосом, ферменты которых выходят в цитозоль и участвуют в разруше­нии структур.цитоплазмы. Повреждение клеточных мембран связано с на­коплением в гиалоплазме клетки кальция, который активирует связанные с мембранами ферментыфосфолипазы. В цитоплазме идет образование вакуолей -вакуольная дистрофия, накопление нетипичных белковых или жировых включений -белковая, жировая дистрофия. Активация лизосом приводит к аутолизу клетки и фагоцитозу ее макрофагами.

ГЕНЕТИЧЕСКИ ЗАПРОГРАММИРОВАННАЯ КЛЕТОЧНАЯ ГИБЕЛЬ (АПОПТОЗ)

Апоптоз часто называют физиологической, альтруистической гибелью клетки (в отличие от некроза, представляющего собой патологическую ги­бель клетки, смерть клетки от "несчастного случая"). Термин "апоптоз" (от греч.apoptosis- листопад) предложил в 1971 году Г. Керр, основываясь на внешнем сходстве апоптозных клеток с опадающими листьями: апоптозная клетка сморщивается и как бы выпадает из общего контекста ткани.

Апоптоз является противоположностью митоза и генетически опосре­дован. В геноме каждой клетки наряду с генами пролиферации имеются гены апоптоза. Один из наиболее изученных механизмов индукции апоп-тоза - экспрессия гена Fas/Apo-1 (CD95). Находясь на противоположиых полюсах жизненного цикла клеток, митоз и апоптоз осуществляют регу­ляцию тканевого гомеостаза. Интересно, что одни и те же факторы в зави­симости от конкретной ситуации могут выступать индукторами (ингиби­торами) как митоза, так и апоптоза.

МЕХАНИЗМ АПОПТОЗА

Апоптоз индуцируется через рецепторы клеточной оболочки. Общую схему опосредования апоптоза можно представить следующим образом:

МОРФОЛОГИЯ АПОПТОЗА

Изменения ядра. В результате правильной межнуклеосомной фраг­ментации ДНК происходит закономерная "упаковка" хроматина в ядре в виде своеобразных полулуний под кариолеммой. Ядро сильно уплотняет­ся, иногда с зазубринами (рис. 4.10а). В дальнейшем ядро распадается на несколько частей, окруженных мембраной (проявления кариопикноза и ка-риорексиса, но не кариолизиса).

Изменения в цитоплазме. В результате прогрессивного активного рас­пада клеточных органелл цитоплазма сжимается и уплотняется. В ней по­являются оксифильные включения. Из-за сжатия цитоплазмы клетка ока­зывается окруженной своеобразным светлым бесструктурным ободком.

Изменения клеточной поверхности. На поверхности клетки появляют­ся многочисленные выпячивания и углубления (блеббинг). Выпячивания могут содержать неразрушенные органеллы и остатки ядра. В последую­щем эти выпячивания отшнуровываются, и клетка распадается на окру­женные мембраной фрагменты -апоптозные тела, которые фагоцитиру­ются местными макрофагами.

РЕГУЛЯЦИЯ АПОПТОЗА

Апоптоз, являясь одним и.ч важнейших факторов регуля­ции тканевого гомсостаза, так же, как и митоз, подвергается жесткой регуляции на разных уровнях. " 3

1 Геномно-ядерный уровень. Наиболее изученным механиз­мом индукции апоптоза являет-ся экспрессия генаFas / APO -1. Этот ген продуцирует специаль­ный рецептор на клеточной по­верхности, АРО-1, возбуждение которого запускает программу клеточного суицида. Одним из специфически связывающихся с рецептором АРО-1 факторов, за­пускающим апоптоз, являетсяфактор некроза опухолей, продуцируемый макрофагами. На молекулярном уровне задей­ствованы различные цитокины, ростовые и апоптозиндуцирую-щие факторы.

2. На межклеточном и тка­невом уровне регуляция апоп­тоза осуществляется различны­ми популяциями клеток. Например, клетки Лангерганса эпидермиса могут запускать апоптоз кератиноцитов. Подобная роль, во всяком случае, установлена для клеток Лагерганса многослойного эпите­лия шейки матки. Индуциро­вать апоптоз могут лимфоциты и, возможно, другие клетки.

Ядро

Ядро (nucleus ) клетки - система генетической детерминации и регуляции белкового синтеза.

Ядро обеспечивает две группы общих функций: одну, связанную собственно с хранением и передачей генетической информации, другую - с ее реализацией, с обеспечением синтеза белка.

Хранение и поддержание наследственной информации в виде неизменной структуры ДНК связаны с наличием так называемых репарационных ферментов, ликвидирующих спонтанные повреждения молекул ДНК. В ядре происходит воспроизведение или редупликация молекул ДНК, что дает возможность при митозе двум дочерним клеткам получить совершенно одинаковые в качественном и количественном отношении объемы генетической информации.

Другой группой клеточных процессов, обеспечиваемых активностью ядра, является создание собственно аппарата белкового синтеза (рис. 16). Это не только синтез, транскрипция на молекулах ДНК разных информационных РНК, но и транскрипция всех видов транспортных и рибосомных РНК. В ядре происходит также образование субъединиц рибосом путем комплексирования синтезированных в ядрышке рибосомных РНК с рибосомными белками, которые синтезируются в цитоплазме и переносятся в ядро.

Таким образом, ядро является не только вместилищем генетического материала, но и местом, где этот материал функционирует и воспроизводится. Вот почему выпадание или нарушение любой из перечисленных выше функций гибельно для клетки в целом. Все это указывает на ведущее значение ядерных структур в процессах синтеза нуклеиновых кислот и белков.

Структура и химический состав клеточного ядра

Ядро неделящейся, интерфазной клетки обычно одно на клетку (хотя встречаются и многоядерные клетки). Ядро состоит из хроматина, ядрышка, кариоплазмы (нуклеоплазмы) и ядерной оболочки, отделяющей его от цитоплазмы (рис. 17).

Хроматин

При наблюдении живых или фиксированных клеток внутри ядра выявляются зоны плотного вещества, которые хорошо воспринимают разные красители, особенно основные. Благодаря такой способности хорошо окрашиваться этот компонент ядра и получил название «хроматин» (от греч. chroma - цвет, краска). В состав хроматина входит ДНК в комплексе с белком. Такими же свойствами обладают и хромосомы, которые отчетливо видны во время митотического деления клеток. В неделящихся (интерфазных) клетках хроматин, выявляемый в световом микроскопе, может более или менее равномерно заполнять объем ядра или же располагаться отдельными глыбками.

Хроматин интерфазных ядер представляет собой хромосомы, которые, однако, теряют в это время свою компактную форму, разрыхляются, деконденсируются. Степень такой деконденсации хромосом может быть различной. Зоны полной деконденсации их участков морфологи называют эухроматином (euchromatinum ). При неполном разрыхлении хромосом в интерфазном ядре видны участки конденсированного хроматина, иногда называемого гетерохроматином (heterochromatinum). Степень деконденсации хромосомного материала - хроматина в интерфазе может отражать функциональную нагрузку этой структуры. Чем «диффузнее» распределен хроматин в интерфазном ядре (т.е. чем больше эухроматина), тем интенсивнее в нем синтетические процессы.

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

Рис. 17. Ультрамикроскопическое строение ядра интерфазной клетки. А - схема; Б - электронная микрофотография участка ядра; 1 - ядерная оболочка (две мембраны, перинуклеарное пространство); 2 - комплекс поры; 3 - конденсированный хроматин; 4 - диффузный хроматин; 5 - ядрышко (гранулярная и фибриллярная части); 6 - межхроматиновые гранулы РНК; 7 - перихроматиновые гранулы; 8 - кариоплазма.

Таким образом, хромосомы клеток могут находиться в двух структурно-функциональных состояниях: в активном, 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 конденсированности, когда они выполняют функцию распределения и переноса генетического материала в дочерние клетки.

Наблюдения за структурой хроматина с помощью электронного микроскопа показали, что как в препаратах выделенного интерфазного хроматина или выделенных митотических хромосом, так и в составе ядра на ультратонких срезах всегда видны элементарные хромосомные фибриллы толщиной 20-25 нм.

В химическом отношении фибриллы хроматина представляют собой сложные комплексы дезоксирибонуклеопротеидов (ДНП), в состав которых входят ДНК и специальные хромосомные белки - гистоновые и негистоновые. В составе хроматина обнаруживается также РНК. Количественные отношения ДНК, белка и РНК составляют 1:1,3:0,2. Обнаружено, что длина индивидуальных линейных молекул ДНК может достигнуть сотен микрометров и даже сантиметров. Среди хромосом человека самая большая первая хромосома содержит ДНК с общей длиной до 7 см. Суммарная длина молекул ДНК во всех хромосомах одной клетки человека составляет около 170 см, что соответствует 6 10^12 г.

В хромосомах существует множество мест независимой репликации ДНК - репликонов . ДНК эукариотических хромосом представляют собой линейные молекулы, состоящие из тандемно (друг за другом) расположенных репликонов разного размера. Средний размер репликона около 30 мкм. В составе генома человека должно встречаться более 50 000 репликонов, участков ДНК, которые синтезируются как независимые единицы. Синтез ДНК как на участках отдельной хромосомы, так и среди разных хромосом идет неодновременно, асинхронно. Так, например, в некоторых хромосомах человека (1, 3, 16) репликация наиболее интенсивно начинается на концах хромосом и заканчивается (при высокой интенсивности включения метки) в центромерном районе (см. ниже). Наиболее поздно репликация заканчивается в хромосомах или в их участках, находящихся в компактном, конденсированном состоянии. Таким примером может являться поздняя репликация генетически инактивированной Х-хромосомы у женщин, формирующей в клеточном ядре компактное тельце полового хроматина.

Белки хроматина составляют 60-70% от его сухой массы. К ним относятся так называемые гистоны и негистоновые белки. Негистоновые белки составляют 20% от количества гистонов. Гистоны - щелочные белки, обогащенные основными аминокислотами (главным образом лизином и аргинином). Очевидна структурная роль гистонов, которые не только обеспечивают специфическую укладку хромосомной ДНК, но и имеют значение в регуляции транскрипции. Гистоны расположены по длине молекулы ДНК не равномерно, а в виде блоков. В один такой блок входят 8 молекул гистонов, образуя так называемую нуклеосому. Размер нуклеосомы около 10 нм. При образовании нуклеосом происходит компактизация, сверхспирализация ДНК, что приводит к укорачиванию длины хромосомной фибриллы примерно в 5 раз. Сама же хромосомная фибрилла имеет вид нитки бус или четок, где каждая бусина - нуклеосома (см. рис. 17). Такие фибриллы толщиной 10 нм дополнительно продольно конденсируются и образуют основную элементарную фибриллу хроматина толщиной 25 нм.

Негистоновые белки интерфазных ядер образуют внутри ядра структурную сеть, которая носит название ядерный белковый матрикс , представляющий собой основу, определяющую морфологию и метаболизм ядра.

В ядрах, кроме хроматиновых участков и матрикса, встречаются перихроматиновые фибриллы, перихроматиновые и интерхроматиновые гранулы. Они содержат РНК и встречаются практически во всех активных ядрах, представляют собой информационные РНК, связанные с белками, - рибонуклеопротеиды (информосомы). Матрицами для синтеза этих РНК являются разные гены, разбросанные по деконденсированным участкам хромосомных (точнее, хроматиновых) фибрилл.

Особый тип матричной ДНК, а именно ДНК для синтеза рибосомной РНК, собран обычно в нескольких компактных участках, входящих в состав ядрышек интерфазных ядер.

Ядрышко

Практически во всех живых клетках эукариотических организмов в ядре видно одно или несколько обычно округлой формы телец величиной 1-5 мкм, сильно преломляющих свет - это ядрышко, или нуклеола (nucleolus ). К общим свойствам ядрышка относится способность хорошо окрашиваться различными красителями, особенно основными. Такая базофилия определяется тем, что ядрышки богаты РНК. Ядрышко - самая плотная структура ядра - является производным хромосомы, одним из ее локусов с наиболее высокой концентрацией и активностью синтеза РНК в интерфазе. Оно не является самостоятельной структурой или органеллой.

В настоящее время известно, что ядрышко - это место образования рибосомных РНК (рРНК) и рибосом, на которых происходит синтез полипептидных цепей уже в цитоплазме.

Образование ядрышек и их число связаны с активностью и числом определенных участков хромосом - ядрышковых организаторов , которые расположены большей частью в зонах вторичных перетяжек; количество ядрышек в клетках данного типа может изменяться за счет слияния ядрышек или за счет изменения числа хромосом с ядрышковыми организаторами. При исследовании фиксированных клеток вокруг ядрышка всегда выявляется зона конденсированного хроматина, часто отождествляемая с хроматином ядрышкового организатора. Этот околоядрышковый хроматин, по данным электронной микроскопии, представляет собой интегральную часть сложной структуры ядрышка. ДНК ядрышкового организатора представлена множественными (несколько сотен) копиями генов рРНК: на каждом из этих генов синтезируется высокомолекулярный предшественник РНК, который превращается в более короткие молекулы РНК, входящие в состав субъединиц рибосомы.

Схему участия ядрышек в синтезе цитоплазматических белков можно представить следующим образом: на ДНК ядрышкового организатора образуется предшественник рРНК, который в зоне ядрышка одевается белком, здесь происходит сборка рибонуклеопротеидных частиц - субъединиц рибосом; субъединицы, выходя из ядрышка в цитоплазму, участвуют в процессе синтеза белка.

Ядрышко неоднородно по своему строению: в световом микроскопе можно видеть его тонковолокнистую организацию. В электронном микроскопе выявляются два основных компонента: гранулярный и фибриллярный. Диаметр гранул около 15-20 нм, толщина фибрилл - 6-8 нм.

Фибриллярный компонент может быть сосредоточен в виде центральной части ядрышка, а гранулярный - по периферии. Часто гранулярный компонент образует нитчатые структуры - нуклеолонемы толщиной около 0,2 мкм. Фибриллярный компонент ядрышек представляет собой рибонуклеопротеидные тяжи предшественников рибосом, а гранулы - созревающие субъединицы рибосом. В зоне фибрилл можно выявить участки ДНК ядрышковых организаторов.

Ультраструктура ядрышек зависит от активности синтеза РНК: при высоком уровне синтеза рРНК в ядрышке выявляется большое число гранул, при прекращении синтеза количество гранул снижается, ядрышки превращаются в плотные фибриллярные тельца базофильной природы.

Действие многих веществ (актиномицин, митомицин, ряд канцерогенных углеводородов, циклогексимид, гидрооксимочевина и др.) вызывает в клетках падение интенсивности ряда синтезов и в первую очередь активности ядрышек. При этом возникают изменения в структуре ядрышек: их сжатие, обособление фибриллярных и гранулярных зон, потеря гранулярного компонента, распад всей структуры. Эти изменения отражают степень повреждения ядрышковых структур, связанных главным образом с подавлением синтеза рРНК.

Ядерная оболочка

Ядерная оболочка (nucleolemma ) состоит из внешней ядерной мембраны (m. nuclearis externa ) и внутренней мембраны оболочки (m. nuclearis interna ), разделенных перинуклеарным пространством, или цистерной ядерной оболочки (cisterna nucleolemmae ). Ядерная оболочка содержит ядерные поры (pori nucleares ).

Мембраны ядерной оболочки в морфологическом отношении не отличаются от остальных внутриклеточных мембран. В общем виде ядерная оболочка может быть представлена как полый двухслойный мешок, отделяющий содержимое ядра от цитоплазмы.

Рис. 18. Строение комплекса поры (схема). 1 - перинуклеарное пространство; 2 - внутренняя ядерная мембрана; 3 - наружная ядерная мембрана; 4 - периферические гранулы; 5 - центральная гранула; 6 - фибриллы, отходящие от гранул; 7 диафрагма поры; 8 - фибриллы хроматина.

Внешняя мембрана ядерной оболочки, непосредственно контактирующая с цитоплазмой клетки, имеет ряд структурных особенностей, позволяющих отнести ее к собственно мембранной системе эндоплазматической сети: на ней со стороны гиалоплазмы расположены многочисленные рибосомы, а сама внешняя ядерная мембрана может прямо переходить в мембраны эндоплазматической сети. Внутренняя мембрана связана с хромосомным материалом ядра.

Наиболее характерными структурами ядерной оболочки являются ядерные поры . Они образуются за счет слияния двух ядерных мембран. Формирующиеся при этом округлые сквозные отверстия поры (annulus pori ) имеют диаметр около 80-90 нм. Эти отверстия в ядерной оболочке заполнены сложноорганизованными глобулярными и фибриллярными структурами. Совокупность мембранных перфораций и этих структур называют комплексом поры (complexus pori ) (рис. 18). Такой сложный комплекс поры имеет октагональную симметрию. По границе округлого отверстия в ядерной оболочке располагается три ряда гранул по 8 в каждом: один ряд лежит со стороны ядра, другой - со стороны цитоплазмы, третий расположен между ними в центральной части поры. Размер гранул около 25 нм. От этих гранул отходят фибриллярные отростки. Фибриллы, отходящие от периферических гранул, могут сходиться в центре и создавать как бы перегородку, диафрагму поперек поры (diaphragma pori ). Размеры пор у данной клетки обычно стабильны, так же как относительно стабилен размер ядерных пор клеток разных организмов.

Число ядерных пор зависит от метаболической активности клеток: чем интенсивнее синтетические процессы в клетках, тем больше пор на единицу поверхности клеточного ядра. Так, у эритробластов (клеток-предшественников ядерных эритроцитов) низших позвоночных животных во время интенсивного синтеза и накопления гемоглобина обнаруживается в ядре около 30 ядерных пор на 1 мкм2. После того как эти процессы заканчиваются, в ядрах зрелых клеток - эритроцитов прекращается синтез ДНК и РНК и количество пор снижается до 5 на 1 мкм2. В ядерных оболочках полностью зрелых сперматозоидов поры не обнаруживаются.

Из многочисленных свойств и функциональных нагрузок ядерной оболочки следует подчеркнуть ее роль как барьера, отделяющего содержимое ядра от цитоплазмы, ограничивающего свободный доступ в ядро крупных агрегатов биополимеров, регулирующего транспорт макромолекул между ядром и цитоплазмой. Одной из важных функций ядерной оболочки следует считать ее участие в создании внутриядерного порядка - в фиксации хромосомного материала в трехмерном пространстве ядра. В интерфазе часть хроматина структурно связана с внутренней ядерной мембраной. Описаны случаи примембранной локализации центромерных и теломерных участков интерфазных хромосом.

Клеточное ядро состоит из оболочки, ядерного сока, ядрышка и хроматина. Функциональная роль ядерной оболочки заключается в обособлении генетического материала клетки от цитоплазмы, а также регуляции взаимодействий ядра и цитоплазмы. Пронизана ядерная оболочка порами, обеспечивающими связь с цитоплазмой. Ядерная оболочка состоит из 2 мембран, разделенных перинуклеарным пространством. Это пространство может сообщаться с канальцами цитоплазматической сети. Основу ядерного сока, или матрикса, составляют белка. Ядерный сок образует внутреннюю среду ядра, в связи с чем он играет важную роль обеспечении нормального функционирования генетического материала. В составе ядерного сока присутствуют нитчатые белки, с которыми связано выполнение опорной функции, в матриксе также находятся первичный продукты транскрипции ген информации. Ядро имеет одно или несколько ядрышек. Оно состоит из РНК и белка. Формируется оно на определенных участках некоторых хромосом. Ядрышко – это структура, которая участвует в синтезе и созревании рРНК Хроматиновые структуры в виде глыбок, рассеянных в нуклеоплазме, являются интерфазной формой существования хромосом клетки. Различают эухроматин и гетерохроматин Главная функция ядра - хранение и передача наследственной информации - связана с хромосомами. Кроме того, ядро участвует в реализации этой информации с помощью синтеза белка.

16. Хромосомы – структурные компоненты ядра. Строение, состав, функции. Понятие о кариотипе, кариограмма

Хромосомы неделящейся клетки имеют вид длинных тонких нитей. Каждая хромосома перед делением клетки состоит из двух одинаковых нитей - хроматид, которые соединяются между в области перетяжки – центромеры. Хромосомы состоят из ДНК и белков. Поскольку нуклеотидный состав ДНК различается у разных видов, состав хромосом уникален для каждого вида. Молекулы ДНК обеспечивают хранение и передачу наследственной информации от клетки к клетке и от организма к организму. Основные функции ядра – хранение и передача наследственной информации осуществляется хромосомами Диплоидный набор хромосом клетки, характеризующийся их числом, величиной и формой, называется кариотипом. Нормальный кариотип человека включает 46 хромосом, или 23 пары: из них 22 пары аутосом и одна пара – половых хромосом Для того, чтобы легче разобраться в сложном комплексе хромосом, составляющем кариотип, их располагают в виде идиограммы. В идиограмме хромосомы располагаются попарно в порядке убывающей величины, исключение делается для половых хромосом. Самой крупной паре присвоен №1, самой мелкой - №22. Идентификация хромосом только по величине встречает большие затруднения: ряд хромосом имеет сходные размеры. Однако в последнее время путем использования разного рода красителей установлена четкая дифференцировка хромосом человека по их длине на красящиеся специальными методами и не красящиеся полосы. Постоянство числа, индивидуальность и сложность строения, авторепродукция и непрерывность в последовательных генерациях клеток говорят о большой биологической роли хромосом. Хромосомы действительно являются хранителями информации.

Форма ядра различных клеток неодинакова: встречаются клетки с округлым, овальным, бобовидным, палочковидным, многолопастным, сегментированным ядром. Чаще всего форма ядра в целом соответствует форме клетки: оно обычно сферическое в клетках округлой или кубической формы, вытянутое или эллипсоидное в призматических клетках, уплощенное в плоских. Расположение ядра варьирует в разных клетках, оно может лежать в центре (в клетках округлой, плоской, кубической или вытянутой формы), у ее базального полюса (в клетках призматической формы) или на периферии (жировые клетки). Величина ядра в среднем 5-10 мкм, и она относительно постоянна для каждого типа клеток, однако может меняться в определенных пределах, увеличиваясь при увеличении функциональной активности клетки и уменьшаясь при ее угнетении. В разных видах клеток наблюдается неодинаковое соотношение ядра и цитоплазмы . Так, например, в клетках ядерного типа - крупное ядро и узкий ободок цитоплазмы (лимфоцит), в клетках цитоплазматического типа объем цитоплазмы превосходит объем ядра (н-р, бокаловидные клетки).

Компоненты ядра. Кариолемма - или ядерная оболочка, хроматин, ядрышко и кариоплазма (ядерный матрикс или ядерный сок).

Функции ядра:

1. хранение генетической информации (в молекулах ДНК, находящихся в хромосомах)

2. реализация генетической информации, контролирующей осуществление разнообразных процессов в клетке - от синтетических до запрограммированной гибели (апоптоз)

3. воспроизведение и передачу генетической информации (при делении клетки)

Ядерная оболочка - на светооптическом уровне практически не определяется, под электронным микроскопом обнаруживается, что она состоит из двух мембран - наружной и внутренней разделенных полостью шириной 15-40 нм (перинуклеарным пространством). Наружная - покрыта рибосомами и тесно связана с гр. ЭПС. Нередко можно видеть, как наружная мембрана продолжается в канальцы гр. ЭПС. Внутренняя мембрана является местом прикрепления хромосом. В нуклеолемме имеются ядерные поры. В их состав входят поровые комплексы, в составе которых имеются: отверстие поры диаметром около 90 нм, гранулы поры и мембрана поры. Отверстие поры образуется в результате слияния наружной и внутренней мембран. Гранулы поры располагаются в 3 ряда, по 8 гранул в каждом ряду. Размеры гранул около 25 нм. От гранул к центру сходятся фибриллы, формирующие диафрагму, в середине которой лежит центральная гранула (по некоторым представлениям - это транспортируемая через пору субъединица рибосомы.

Функции комплекса ядерной поры:

1. Обеспечение регуляции избирательного транспорта веществ между цитоплазмой и ядром.

2. Активный перенос в ядро некоторых белков, имеющих особую маркировку и распознаваемой рецепторами в комплексе поры.

3. Перенос в цитоплазму субъединиц рибосом.

Чем больше пор в нуклеолемме, тем активнее ядро, если активность снижена, то количество пор уменьшается, если синтетическая активность ядра близка к нулю, то поры в ядре отсутствуют (н-р, в кариолемме ядра сперматозоида).

Хроматин занимает основную часть объёма ядра. Он представлен тёмными (электроноплотными) глыбками - т.н. гетерохроматином (функционально неактивные отделы и целые хромосомы, которые конденсированы, образуя глыбки) и светлыми (электронопрозрачными) областями -эухроматином это функционально активные, участвующие в транскрипции части хромосом, которые находятся в деконденсированном (диффузном) состоянии. Причём, глыбки гетерохроматина находятся, главным образом, на периферии ядра
и прилежат к ядерной оболочке. При изменении состояния клетки или в процессе дифференцировки возможен переход части гетерохроматина в эухроматин и обратно. Таким образом, чем больше в ядре доля гетерохроматина, тем ниже функциональная активность ядра, т.е. тем меньше скорость синтеза РНК. Так, в ядре нервной клетки гетерохроматина очень мало - ядро и клетка в целом функционально очень активны. Напротив, в лимфоците наблюдается преобладание гетерохроматина. Это вполне коррелирует с очень малым объёмом цитоплазмы, которая к тому же бедна органеллами. Данная клетка циркулирует в крови, и процессы синтеза РНК и белков идут в ней с небольшой скоростью. Хроматин дает положительную реакцию на ДНК (реакция Фельгена) - ДНК окрашивается в вишневый цвет, а все прочие структуры в зеленый, также по методу Браше хроматин окрашивается метиловым зеленым в соответствующий цвет красителя. Весь хроматин в целом - это совокупность 46 хромосом. Каждая из них представляет собой нуклеопротеидный комплекс - двуцепочечную молекулу ДНК, которая определённым образом связана с ядерными белками. Содержание белков в хромосоме по массе в 1,3-1,7 раза больше, чем ДНК. Кроме того, в хромосоме обнаруживается и РНК, являющаяся продуктом транскрипции. Тарнскрипция сопровождается экспрессией рибосомных и нерибосомных генов. Ген - единица наследственной информации, состоящий из нуклеотидов.

Экспрессия нерибосомных генов:

1. Сопровождается синтезом гигантской молекулы гетерогенной и-РНК при участии катализатора ДНК-полимеразы

2. Гигантская и-РНК подвергается сплайсингу, в результате длина гигантской и-РНК укорачивается в 10-30 раз и она превращается в и-РНК.

3. и-РНК взаимодействует с белками и образует РНК-азную гранулу (интерхроматиновая гранула диаметром 30 нм).

4. Перемещаясь на перпиферию ядра интерхроматиновая гранула перезревает в перихроматиновую гранулу диаметром 45 нм.

5. Перихроматиновая гранула покидает ядро в форме информосом.

Одним из компонентов гетерохроматина может быть т.н. половой хроматин .

У мужчин в наборе хромосом каждой клетки содержатся, как известно, по одной Х- и Y-половой хромосоме. Обе они находятся в деконденсированном состоянии, т.е. входят во фракцию эухроматина. У женщин в клетках содержатся по две Х-хромосомы. Одна из них деконденсирована. Вторая же Х-хромосома всегда находится в конденсированном состоянии , образуя в ядре компактное тельце - половой хроматин. Для обнаружения полового хроматина обычно исследуют мазок крови. В нейтрофильных лейкоцитах женщин половой хроматин выявляется в виде барабанной палочки, находящейся в одном из сегментов ядра. По этому признаку в судебной медицине отличают кровь женщин от крови мужчин. В деконденсированном состоянии длина одной молекулы ДНК равна в среднем около 5 см, а общая длина молекулы ДНК всех хромосом в ядре более 2м. В этой связи очевидна необходимость компактной упаковки молекул ДНК.

Выделяют 4 уровня компактизации ДНК:

1. Нуклеосомный (длина уменьшается в 6-7 раз). Нуклеосома - это белковая частица, состоящая из основных белков - гистонов. Основа каждойнуклеосомы- глобула из 8 молекул гистонов (октамер). Двуцепочечная молекула ДНК последовательно "намотана" на огромное количество таких глобул, делая вокруг каждой из них почти по 2 оборота (1,75 раз). В участках между глобулами с ДНК связано ещё по 1 молекуле гистона. В итоге, совокупность нуклеосом выглядит как цепь бусин, а деконденсированный хроматин имеет гранулярную структуру.

2. Нуклеомерный (компактизация в 40 раз). Формируется суперспираль. Ее витки образуют нуклеосомы обвитые ДНК. Каждый виток суперспирали образован 6-ю нуклеосомами и называется нуклеомерой, ее диаметр 25-30 нм. Суперспираль - это элементарная нить эухроматина. Гетерохроматин и полностью конденсированные хромосомы тоже имеют нуклеосомную организацию. Однако здесь добавляются и следующие уровни укладки хромосомы , что приводит к резкому сокращению её длины.

3. Хромомерный (компактизация в 680 раз). Негистоновые белки сшивают

суперспираль в боковые петельные домены, с образованием хромомеры.

4. Хромонемный - связывают со сближением хромомеров, боковые петли переплетаются и образуют кластеры, которые формируют хромонему. Их диаметр от 300 нм. Кластер рассматривают, как компонент гетерохроматина, видимый в световой микроскоп, как глыбка.

5. Хроматидный у ровень компактизации образуется только при делении клетки, в результате образуются митотические хромосомы, видимые в световой микроскоп. Во время деления ДНК редуплицируется, каждая дочерняя хромосома, называемая хроматидой связана в области первичной перетяжки (центромеры), она делит хроматиду на два плеча. Каждая хроматида образуется путем закручивания в спираль хромонемы. Виток спирали имеет диаметр 700 нм и содержит 18-20 хромомер.

Совокупность числа, размеров и особенностей строения хромосом называется кариотипом . Оценка кариотипа производится путем изучения хромосом в метафазной пластинке. Для кариотипирования получают культуру клеток, в которую вводят колхицин, блокирующий формирование веретена. Из таких клеток извлекают хромосомы, которые далее окрашивают и идентифицируют. Нормальный кариотип человека представлен 46 хромосомами - 22 пары аутосом и двумя половыми хромосомами. Кариотипорование позволяет диагносцировать ряд заболеваний, связанных с хромосомными аномалиями, в частности синдром Дауна - трисомия 21 хромосомы.

Ядрышко - это место образования рибосом в клетке. Оно образовано специализированными участками хромосом, которые называются ядрышковыми организаторами. У человека такие участки имеются в пяти хромосомах - 13, 14, 15, 21 и 22, где находятся многочисленные копии генов, кодирующих рибосомальные РНК. Ядрышко выявляется в интерфазном ядре на светооптическом уровне как мелкая плотная гранула, интенсивно окрашивающаяся основными красителями. При окраске по методу Браше дает + реакцию на РНК - окрашивается пиронином в розовый цвет. Оно располагается в центре ядра или эксцентрично. Размеры и число ядрышек увеличиваются при повышении функциональной активности клетки. Особенно крупные ядрышки характерны для эмбриональных и активно синтезирующих белки клеток, а также клеток быстро растущих злокачественных опухолей. Под электронным микроскопом в ядрышке обнаруживают 3 компонента.

1. центральный фибриллярный светлый компонент - окрашивается бледно, где находится ДНК ядрышкового организатора, содержащей информацию о р-РНК.

2. периферический фибриллярный компонент - в виде тонких нитей и представляет собой транскрипты р-РНК.

3 гранулярный компонент - субъединицы рибосом.

Кариоплазма - жидкий компонент ядра, в котором располагаются хроматин и ядрышко. Содержит воду и ряд растворенных и взвешенных в ней веществ: РНК, гликопротеины, ионы, ферменты, метаболиты. Некоторые авторы разделяют понятие кариоплазмы и ядерного матрикса, к последнему помимо кариоплазмы относят также и кариоскелет, состоящий из ядерной ламины и фибриллярной сети, пронизывающей ядро. Ламина это пластинка белковой природы, которая связана с внутренней мембраной. К ядерной ламине и внутриядерной фибриллярной сети крепятся хромосомы, а также
разнообразные белковые комплексы с ферментативной или регуляторной функцией.

Клеточный цикл - это время существования клетки от одного деления до другого, или от деления до гибели. Клеточный цикл включает собственно митотическое деление и интерфазу - промежуток между делениями. Интерфаза значительно более длительна, чем митоз (обычно занимает не менее 90% клеточного цикла) и подразделяется на 3 периода: пресинтетический или постмитотический (G1), синтетический (S) и постсинтетический или премитотический (G2).

G1 - наступает сразу после митоза и характеризуется активным ростом клетки и синтезом белка и РНК, благодаря чему клетка достигает нормальных размеров и восстанавливает необходимый набор органелл (продолжительность от неск часов до неск дней)

S - характеризуется удвоением (репликацией) ДНК и синтезом белков, в частности гистонов, которые поступают в ядро и обеспечивают нуклеосомную упаковку ДНК. Одновременно удваивается число центриолей. Этот период у большинства клеток длится 8-12 часов.

G2 - В течение этого периода клетка осуществляет непосредственную подготовку к делению. Происходит созревание центриолей, запасается энергия, синтезируется РНК и белки (в частности тубулины, необходимые для образования веретена деления). Продолжительность 2-4 часа. Некоторые клетки могут выходить из клеточного цикла, это обозначается буквой G0. Клетка, вошедшая в этот период, утрачивает способность к митозу. В том случае, если клетка временно утрачивает способность к делению, она подвергается начальной дифференцировке. При этом дифференцированная клетка специализируется для выполнения определенной функции, после чего она способна вновь возвратиться в клеточный цикл. Н-р, при повреждении печени гепатоциты, подвергшиеся начальной дифференцировке, возвращаются в клеточный цикл, и за счет их деления происходит быстрое восстановление ткани. Те клетки, которые окончательно утрачивают способность к делению, не могут возвратиться в клеточный цикл и погибают. Н-р, гранулоциты крови, подвергшиеся дифференцировке, функционируют в течение 8 суток, а затем погибают. Также высокоспециализированные клетки - кардиомиоциты или нервные клетки не способны делиться.

Митоз - непрямое деление. В процессе, которого происходит равномерное распределение хромосомного материала между дочерними клетками. Выделяют 4 фазы, общая продолжительность которых 2 часа. Профаза - 30-60 мин, метафаза 10-20 мин, анафаза - 2-3 мин, телофаза - 30-40 мин.

Мейоз - это такое деление, при котором в дочерних клетках оказывается половинный (гаплоидный) набор хромосом. Такое деление имеет место при образовании половых клеток. Особенности мейоза: состоит из 2-х делений, второе деление без S-периода в интерфазе, 80% времени занимает профаза первого деления. В ней выделяют периоды: 1. Лептотена - х ромосомы спирализуются и приобретают вид тонких нитей. 2. Зиготена - г омологичные хромосомы конъюгируют друг с другом.Пахитена - пары хромосом ещё больше спирализуются и, утолщаясь, укорачиваются. Хромосомы обмениваются гомологичными участками (кроссинговер ).Вместе с тем активируются синтезы РНК и белка. Благодаря этому, сильно увеличивается объём ядра и клетки. Диплотена - г омологичные хромосомы начинают расходиться. Но между ними сохраняются хиазмы - перекрёсты в местах происшедшего кроссинговера. Из-за ещё большей спирализации хромосомы утолщаются и подразделяются на хроматиды. Поэтому каждая пара гомологичных хромосом выглядит как тетрада. Диакинез - х иазмы исчезают из-за ещё большего расхождения гомологичных хромосом.

Амитоз - этот тип деления характеризуется тем, что хромосомный материал ядра материнской клетки может распределяться неравномерно между дочерними клетками. Такой тип деления считается ненормальным.

Полиплоидия - это процесс увеличения количества хромосом в ядре клетки. В результате образуются полиплоидные клетки. Это может происходить в результате блокирования одной из фаз митоза, либо нарушения цитотомии во время телофазы. Н-р, гепатоциты, мегакариоциты красного костного мозга, гландулоциты ацинусов слюнных желез.

Эндорепродукция - это последовательное многократное удвоение ДНК, в результате увеличивается набор хромосом, при этом хромосомы связаны тонкими нитями, эти структуры называются политенами. Характерными для клеток плаценты.

Ядро клетки - центральный органоид, один из самых важных. Наличие его в клетке является признаком высокой организации организма. Клетка, имеющая оформленное ядро, называется эукариотической. Прокариоты - это организмы, состоящие из клетки, не имеющей оформленного ядра. Если подробно рассмотреть все его составляющие, то можно понять, какую функцию выполняет ядро клетки.

Структура ядра

1. Ядерная оболочка.
2. Хроматин.
3. Ядрышки.
4. Ядерный матрикс и ядерный сок.

Структура и функции ядра клетки зависят от типа клеток и их предназначения.

Ядерная оболочка

Ядерная оболочка имеет две мембраны - внешнюю и внутреннюю. Они разделены между собой перинуклеарным пространством. Оболочка имеет поры. Ядерные поры необходимы для того, чтобы различные крупные частицы и молекулы могли перемещаться из цитоплазмы в ядро и обратно.

Ядерные поры образуются в результате слияния внутренней и наружной мембраны. Поры представляют собой округлые отверстия, имеющие комплексы, в которые входят:

1. Тонкая диафрагма, закрывающая отверстие. Она пронизана цилиндрическими каналами.
2. Белковые гранулы. Они находятся с двух сторон от диафрагмы.
3. Центральная белковая гранула. Она связана с периферическими гранулами фибриллами.

Количество пор в ядерной оболочке зависит от того, насколько интенсивно в клетке проходят синтетические процессы.

Ядерная оболочка состоит из внешней и внутренней мембран. Внешняя переходит в шероховатый ЭПР (эндоплазматический ретикулум).

Хроматин

Хроматин - важнейшее вещество, входящее в ядро клетки. Функции его - это хранение генетической информации. Он представлен эухроматином и гетерохроматином. Весь хроматин - это совокупность хромосом.

Эухроматин - это части хромосом, которые активно принимают участие в транскрипции. Такие хромосомы находятся в диффузном состоянии.

Неактивные отделы и целые хромосомы представляют собой конденсированные глыбки. Это и есть гетерохроматин. При изменении состояния клетки гетерохроматин может переходить в эухроматин, и наоборот. Чем больше в ядре гетерохроматина, тем ниже скорость синтеза рибонуклеиновой кислоты (РНК) и тем меньше функциональная активность ядра.

Хромосомы

Хромосомы - это особые образования, которые возникают в ядре только во время деления. Хромосома состоит из двух плеч и центромеры. По форме их делят на:

• Палочкообразные. Такие хромосомы имеют одно большое плечо, а другое маленькое.
• Равноплечные. Имеют относительно одинаковые плечи.
• Разноплечные. Плечи хромосомы зрительно отличаются между собой.
• С вторичными перетяжками. У такой хромосомы имеется нецентромерная перетяжка, которая отделяет спутничный элемент от основной части.

У каждого вида количество хромосом всегда одинаково, но стоит отметить, что от их количества не зависит уровень организации организма. Так, у человека имеется 46 хромосом, у курицы - 78, у ежа - 96, а у березы - 84. Наибольшее число хромосом имеет папоротник Ophioglossum reticulatum. У него 1260 хромосом на каждую клетку. Наименьшее число хромосом имеет самец-муравей вида Myrmecia pilosula. У него только 1 хромосома.

Именно изучив хромосомы, ученые поняли, каковы функции ядра клетки.

В состав хромосом входят гены.

Ген

Гены - это участки молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), в которых закодированы определенные составы молекул белка. В результате этого у организма проявляется тот или иной признак. Ген передается по наследству. Так, ядро в клетке выполняет функцию передачи генетического материала следующим поколениям клеток.

Ядрышки

Нуклеола - это самая плотная часть, которая входит в ядро клетки. Функции, которые она выполняет, очень важны для всей клетки. Обычно имеет округлую форму. Количество ядрышек варьируется в разных клетках - их может быть два, три либо вооще не быть. Так, в клетках дробящихся яиц нуклеолы нет.

Структура ядрышка:

1. Гранулярный компонент. Это гранулы, которые находятся на периферии ядрышка. Их размер варьируется от 15 нм до 20 нм. В некоторых клетках ГК может быть равномерно распределен по всему ядрышку.
2. Фибриллярный компонент (ФК). Это тонкие фибриллы, размером от 3 нм до 5 нм. Фк представляет собой диффузную часть ядрышка.

Фибриллярные центры (ФЦ) - это участки фибрилл, имеющие низкую плотность, которые, в свою очередь, окружены фибриллами с высокой плотностью. Химический состав и строение ФЦ почти такие же, как и у ядрышковых организаторов митотических хромосом. В их состав входят фибриллы толщиной до 10 нм, в которых есть РНК-полимераза I. Это подтверждается тем, что фибриллы окрашиваются солями серебра.

Структурные типы ядрышек

1. Нуклеолонемный или ретикулярный тип. Характеризуется большим количеством гранул и плотного фибриллярного материала. Данный тип структуры ядрышка характерен для большинства клеток. Его можно наблюдать как в животных клетках, так в растительных.
2. Компактный тип. Характеризуется небольшой выраженностью нуклеономы, большим количеством фибриллярных центров. Встречается в растительных и животных клетках, в которых активно происходит процесс синтеза белка и РНК. Этот тип ядрышек характерен для клеток, активно размножающихся (клетки культуры ткани, клетки растительных меристем и др.).
3. Кольцевидный тип. В световой микроскоп данный тип виден как кольцо со светлым центром - фибриллярный центр. Размер таких ядрышек в среднем 1 мкм. Данный тип характерен только для животных клеток (эндотелиоциты, лимфоциты и др.). В клетках с таким типом ядрышек довольно низкий уровень транскрипции.
4. Остаточный тип. В клетках этого типа ядрышек не происходит синтез РНК. При определенных условиях данный тип может переходить в ретикулярный или компактный, т. е. активироваться. Такие ядрышки характерны для клеток шиповатого слоя кожного эпителия, нормобласта и др.
5. Сегрегированный тип. В клетках с этим типом ядрышек не происходит синтез рРНК (рибосомной рибонуклеиновой кислоты). Это происходит, если клетка обработана каким-либо антибиотиком или химическим веществом. Слово «сегрегация» в данном случае обозначает «разделение» или «обособление», так как все компоненты ядрышек разделяются, что приводит к его уменьшению.

Почти 60% сухого веса ядрышек приходится на белки. Их количество очень велико и может достигать нескольких сотен.

Главная функция ядрышек - это синтез рРНК. Зародыши рибосом попадают в кариоплазму, затем через поры ядра просачиваются в цитоплазму и на ЭПС.

Ядерный матрикс и ядерный сок

Ядерный матрикс занимает почти все ядро клетки. Функции его специфичны. Он растворяет и равномерно распределяет все нуклеиновые кислоты в состоянии интерфазы.

Ядерный матрикс, или кариоплазма, - это раствор, в состав которого входят углеводы, соли, белки и другие неорганические и органические вещества. В нем содержатся нуклеиновые кислоты: ДНК, тРНК, рРНК, иРНК.

В состоянии деления клетки ядерная оболочка растворяется, образуются хромосомы, а кариоплазма смешивается с цитоплазмой.

Основные функции ядра в клетке

1. Информативная функция. Именно в ядре находится вся информация о наследственности организма.
2. Функция наследования. Благодаря генам, которые расположены в хромосомах, организм может передавать свои признаки из поколения в поколение.
3. Функция объединения. Все органоиды клетки объединены в одно целое именно в ядре.
4. Функция регуляции. Все биохимические реакции в клетке, физиологические процессы регулируются и согласуются ядром.

Один из самых важных органоидов - ядро клетки. Функции его важны для нормальной жизнедеятельности всего организма.