Ядро обеспечивает важнейшие метаболические и генетические функции клетки. Большинство клеток содержит одно ядро, изредка встречаются многоядерные клетки (некоторые грибы, простейшие, водоросли, поперечно-полосатые мышечные волокна и др.). Лишенная ядра клетка быстро погибает. Однако некоторые клетки в зрелом (дифференцированном) состоянии утрачивают ядро. Такие клетки либо живут недолго и заменяются новыми (например, эритроциты), либо поддерживают свою жизнедеятельность за счет притока метаболитов из тесно примыкающих к ним клеток – "кормилец" (например, клетки флоэмы у растений). По форме ядро может быть шаровидным, овальным, лопастным, линзовидным и т.д. Размер, форма и структура ядер изменяются в зависимости от функционального состояния клеток, быстро реагируя на изменение внешних условий. Ядро обычно перемещается по клетке пассивно с током окружающей его цитоплазмы, но иногда оно способно самостоятельно передвигаться, совершая движения амебоидного типа.
Ядро – самая крупная органелла клетки, ее важнейший регулирующий центр. Как правило, клетка имеет одно ядро, но существуют клетки двухядерные и многоядерные. В некоторых организмах могут встречаться клетки, лишенные ядер. К таким безъядерным клеткам относятся, например, эритроциты млекопитающих, тромбоциты, клетки ситовидных трубок растений и некоторые другие типы клеток. Обычно безъядерными бывают высокоспециализированные клетки, утратившие ядра на ранних стадиях развития.
Ядро содержит ядрышко, а иногда и несколько ядрышек. Ядрышко – компактная структура в ядре интерфазных клеток.
Ядрышко – структура, составленная из расположенных рядом участков
нескольких различных хромосом. Эти участки представляют собой большие
петли ДНК, содержащие гены рибосомальной РНК (рРНК). Такие петли
называются ядрышковым организатором.
Ядрышко является центром образования рибосом, т.к. здесь осуществляется
синтез рРНК и соединение этих молекул с белками, т.е. происходит
формирование субъединиц рибосом, которые затем поступают в цитоплазму,
где и завершается сборка рибосом.
первые ядрышки были обнаружены Фонтана в 1774 г. В живых клетках они выделяются на фоне диффузной организации хроматина из-за своей светопреломляемости. Последнее свойство связано с тем, что ядрышки являются наиболее плотными структурами в клетке. Они обнаруживаются практически во всех ядрах эукариотических клеток за редким исключением. Это говорит об обязательном присутствии этого компонента в клеточном ядре.
В клеточном цикле ядрышко присутствует в течение всей интерфазы, в профазе по мере компактизации хромосом во время митоза оно постепенно исчезает и отсутствует в мета- и анафазе, вновь появляется в середине телофазы, чтобы сохраняться вплоть до следующего митоза, или до гибели клетки.
Долгое время функциональное значение ядрышка было непонятно. Вплоть до 1950-х годов исследователи считали, что вещество ядрышка представляет собой своего рода запас, который используется и исчезает в момент деления ядра.
Еще в 1930-х годах рядом исследователей (МакКлинток, Хейтц, С.Г. Навашин) было показано, что возникновение ядрышек связано топографически с определенными зонами на особых, ядрышкообразующих хромосомах. Эти зоны были названы ядрышковыми организаторами, а сами ядрышки представлялись как структурное выражение хромосомной активности. Позднее, в 1940-х годах, когда было найдено, что ядрышки содержат РНК, стала понятна их «базофилия», сродство к основным (щелочным) красителям вследствие кислой природы РНК. По данным цитохимических и биохимических исследований, основным компонентом ядрышка является белок: на его долю приходится до 70-80% от сухой массы. Такое большое содержание белка и определяет высокую плотность ядрышек. Кроме белка в составе ядрышка обнаружены нуклеиновые кислоты: РНК (5-14%) и ДНК (2-12%).
Уже в 1950-х годах при изучении ультраструктуры ядрышек в их составе были выявлены гранулы, сходные по своим свойствам с цитоплазматическими гранулами рибонуклеопротеидной природы - с рибосомами. Следующим этапом в изучении ядрышка было открытие принципиального факта - «ядрышковый организатор» является вместилищем генов рибосомных РНК.
В ядрышке различают:
фибриллярный центр – слабоокрашенный компонент (ДНК, кодирующая РНК),
фибриллярный компонент, где протекают ранние стадии образования предшественников рРНК; состоит из тонких (5 нм) рибонуклеопотеиновых фибрилл и транскрипционно активных участков ДНК;
гранулярный компонент – содержит зрелые предшественники рибосомных СЕ, имеющих диаметр 15 нм.
Основные функции ядрышка – синтез рРНК (транскрипция и процессинг рРНК) и образование СЕ рибосом.
Транскрипция рРНК происходит в хромосомах 13, 14, 15, 21 и 22. Петли ДНК этих хромосом, содержащие соответствующие гены, формируют ядрышковый организатор, получивший название в связи с тем, что восстановление ядрышка в фазу G 1 клеточного цикла начинается с этой структуры.
Микрофотография ядрышка
Ядрышко
- хромосомные участки, определяющие синтез рРНК и образование клеточных рибосом. В растущих ооцитах неск сот ядрышек - амплификация ядрышек. Ядрышки отсутствуют в клетках дробящихся яиц и в дифф. кл - клетки крови
Число ядрышек зависит от числа ядрышковых организаторов - участки, на кот в телофазе происх образование ядрышек интерфазного ядра - образуют вторичные перетяжки х-м. У человека яо расп в коротких плечах 13, 14, 15, 21 и 22 хромосом (10 на диплоидный набор). 82). У кошки - 2; у свиньи - 2; у мыши - 4; у коровы - 8. У хладнокр. позвоночных и птиц обычно 1пара яо х-м
Локализация яо определяется на митотических х-мах окраской солями серебра, связ с яо белками, более точно определение яо методом FISH. Ядрышки могут сливаться др с другом.
Множественность рибосомных генов
при разрыве х-мы на месте вторичной перетяжки ядрышки могут
возникать на каждом из фрагментов х-м – множество копий рибосомных генов - полицистроны - умеренные повторы. У E. coli 6-7 рассеянных по геному идентичных оперонов рРНК- ~1% всей ДНК. Число генов рРНК постоянно в клетке
Амплифицированные ядрышки - гены рРНК мб избыточно реплицированы. При этом дополнительная репликация генов рРНК происходит в целях обеспечения продукции большого количества рибосом. В результате такого сверхсинтеза генов рРНК их копии могут становиться свободными, экстрахромосомными. Эти внехромосомные копии генов рРНК могут функционировать независимо, в результате чего возникает масса свободных дополнительных ядрышек, но уже не связанных структурно с ядрышкообразующими хромосомами. Это явление получило название амплификации генов рРНК. подробно изучено на растущих ооцитах амфибий.
У X. laevis амплификация рДНК, происходит в профазеI. В этом случае количество амплифицированной рДНК (или генов рРНК) становится в 3000 раз больше того, что приходится
на гаплоидное количество рДНК, и соответствует 1,5х106 генов рРНК. Эти сверхчисленные внехромосомные копии и образуют сотни дополнительных ядрышек в растущих ооцитах. В среднем же на одно дополнительное ядрышко приходится несколько сот или тысяч генов рРНК.
Амплифицированные ядрышки встречаются также в ооцитах насекомых. У окаймленного плавунца в ооцитах обнаружено 3х106 экстрахромосомных копий генов рРНК.
После периода созревания ооцита при его двух последовательных делениях дополнит ядрышки в состав митотических хромосом не входят, они отделяются от новых ядер и деградируют.
У Tetrachymena pyriformis в гаплоидном геноме микронуклеуса единственный ген рРНК. В макронуклеусе ~200 копий.
У дрожжей экстрахромосомные копии генов рРНК - циклические ДНК l~3 мкм, сод один ген рРНК.
СТРУКТУРА ЯДРЫШКА
В ядрышке различаютгранулярный компанент (гк) и фибриллярный компанент (фк).
Гранулярный компанент
представляет собой
гранулы 15-20 нм, обычно расположенные на периферии ядрышка, хотя гк и фк могут быть распределены равномерно.
Фк и гк способны образовывать нитчатые структуры - нуклеолонемы
- ядрышковые нити ~100-200 нм, которые могут образовывать отдельные сгущения.
Фибриллярный компанент
- представляет собой тонкие (3-5 нм) фибриллы - диффузная часть ядрышек, в центре ядрышка – 1 или 3-5 отдельных зон: фибриллярные центры - частки скопления фибрилл с низкой е лотностью, окруженные зоной фибрилл высокой е плотности - плотный фибриллярный компонент
хроматин – примыкает или окружает ядрышко. 30нм фибриллы хроматина по периферии ядрышка могут заходить в лакуны, м-у нуклеолонемными участками.
белковый сетчатый матрикс –
метод регрессивного окрашивания нк - ионы уранила, связанные с ДНК легко вымываются хелатоном ЭДТА, чем с РНК?окрашенные структуры сод РНК: гранулы (сильно), пфк (слабее), хроматин (не окрашен)
Импульсное мечение (3H-уридин), первые следы мечения обнаруживались сначала (через 1-15 мин) в пфк, а затем (до 30 мин) меченым оказывался гк. в фц метка не обнаруживалась?45S пре-рРНК синтезируется в области пфк, а гранулярный компонент ядрышка соответствует прерибосомным частицам (55S-, 40S РНП).
окрашивание осмий-амином, ДНКазы, меченной золотом, связыванием меченого актиномицина, прямой молекулярной гибридизацией с меченой рДНК - что в составе фибриллярных центров находится ДНК, ответственная за синтез рРНК. Зоны фибриллярных центров отличаются от остального хроматина тем, что состоят из тонких хроматиновых фибрилл, значительно обедненных гистоном H1 (что показано с помощью меченных коллоидным золотом антител).
фц: неактивные рибосомные гены, спейсерные участки.
Транскрипция пре-рРНК происходит по периферии фц, где пфк и представляет собой 45S пре-рРНК, располагающиеся в виде “елочек” на деконденсированных участках рДНК После завершения
транскрипции 45S РНК теряет связь с транскрипционной единицей на ДНК в зоне плотного фибриллярного компонента, каким-то еще непонятным образом переходит в гранулярную зону, где и происходит процессинг рРНК, образование и созревание рибосомных субъединиц.
Фибриллярный центр и ядрышковый организатор
Строение и химические характеристики ФЦ оказались практически одинаковыми с таковыми ядрышковых организаторов митотических хромосом. И те и другие построены из тесно ассоциированных фибрилл, толщиной 6-10 нм; и те и другие обладают характерной особенностью - окрашиваться солями серебра, что зависит от наличия особых ядрышковых белков, содержат РНК-полимеразу I.
число ФЦ в интерфазных ядрышках, не соответствует числу ядрышковых организаторов в митозе. Так в клетках культуры СПЭВ число ФЦ может быть в 2-4 раза выше, чем число ядрышковых организаторов.
Более того, количество ФЦ возрастает по мере увеличения плоидности клетки (G2, 4n) и транскрипционной ее активности.
При этом уменьшается величина каждого отдельного фибриллярного центра. Однако суммарные объемы ФЦ при пересчете на гаплоидный хромосомный набор остаются постоянными в интерфазе, но превышают это число вдвое по сравнению метафазой. Другими словами при активации синтеза рРНК наблюдается такое изменение числа ФЦ и их размеров, которое может говорить о какой-то фрагментации исходных ФЦ в относительно мало активных ядрышках.
Противоположная картина наблюдается при затухании синтетических процессов в дифференцирующихся клетках эритроидного ряда мышей (табл. 12). При этом видно, что в размножающихся и активно синтезирующих гемоглобин проэритробластах количество фибриллярных центров зависит от плоидности клетки (88 в G1-фазе, 118 в G2-фазе клеточного цикла), размер индивидуальных ФЦ изменяется мало. После прекращения размножения этих клеток и падении их синтетической активности резко меняются параметры ядрышка. Их объем, уже начиная со стадии базофильного эритробласта
уменьшается в 4-5 раз, а на конечной стадии дифференцировки (нормобласт) - в сотню раз. При этом резко падает число ФЦ (10-40 раз) и возрастает объем почти в 10 раз величины отдельного фибриллярного центра.
Исходя из этих наблюдений можно так представить общую схему активации и инактивации ядрышка (рис. 90) на примере одного ядрышкового организатора.
В неактивной форме ядрышковый организатор представлен в виде одного крупного фибриллярного центра, включающего в себя компактно уложенную часть цепи хромосомной ДНК, несущей тандемно расположенные рибосомные гены (транскрипционные единицы). В начале активации ядрышка происходит деконденсация р-генов на периферии такого фибриллярного центра, эти р-гены начинают транскрибироваться, на них образуются РНП-транскрипты, которые при созревании дают начало появлению гранул - предшественников рибосом по периферии активированного ядрышка. По мере усиления транскрипции единый фибриллярный центр как бы распадается
на ряд более мелких фибриллярных центров, связанных друг с другом полностью декомпактизованными участками рДНК. Чем выше транскрипционная активность ядрышка, тем больше число мелких, связанных друг с другом фибриллярных центров, окруженных плотным фибриллярным компонентом (ПФК), содержащим 45S рРНК. При полной активации ядрышка все мелкие фибриллярные центры деконденсируются; в этом случае зоны плотного фибриллярного компонента содержат всю рДНК, находящуюся в активном состоянии. Такая структура наблюдается у амплифицированных ядрышек растущих ооцитов. В случае инактивации ядрышка происходит постепенная конденсация рДНК, снова образуются фибриллярные центры, они объединяются друг с другом, величина их растет параллельно уменьшению доли ПФК. При полной инактивации, как в случае нормобластов, ядрышко представлено одним крупным (4-5 мкм) сферическим ФЦ, без сопутствующего транскрипции ПФК: оно окружено зоной конденсированного хроматина. Такое инактивированное ядрышко сходно по своим структурным особенностям
с ядрышковым организатором в составе митотических хромосом.
Структурные типы ядрышек
Приведенные выше описания дают основу для понимания разнообразия строения ядрышек в клетках с соответствующим уровнем синтеза рРНК. Однако кроме различной степени выраженности гранулярного и фибриллярных компонентов существуют и иные варианты структурной организации ядрышек. Обычно различают несколько структурных типов ядрышек: ретикулярный или нуклеолонемный, компактный, кольцевидный, остаточный (покоящийся), сегрегированный (рис. 91).
Ретикулярный тип ядрышка наиболее характерен для большинства клеток, для него свойственно нуклеолонемное строение, обилие гранул и фибриллярного плотного материала. Во многих случаях фибриллярные центры выявляются плохо, вероятно из-за высокого уровня транскрипции. Этот тип ядрышек встречается в клетках животных и растений. Так, например, ретикулярный тип ядрышка, свойственный гигантским политенным хромосомам двукрылых насекомых, очень сходен с таковым на гигантских хромосомах
антиподиальных клеток ячменя.
Компактный тип ядрышка отличается от предыдущего меньшей выраженностью нуклеолонемы, большей частотой встречаемости фибриллярных центров. Такие ядрышки характерны для активно размножающихся клеток (клетки растительных меристем, клетки культуры ткани и др.). Вероятно, что оба эти типа могут переходить друг в друга, во всяком случае, они чаще всего встречаются в клетках с высоким уровнем синтеза РНК и белка.
Кольцевидные ядрышки встречаются в клетках животных. В световом микроскопе они имеют форму кольца с оптически светлой центральной зоной - это фибриллярный центр, окруженный РНП-фибриллами и гранулами. Размер этих ядрышек составляет около 1 мкм. Типичные кольцевидные ядрышки характерны для лимфоцитов, эндотелиоцитов,т.е. для клеток с относительно низким уровнем транскрипции.
Остаточные ядрышки характерны для клеток полностью потерявших способность к синтезу рРНК (нормобласты, дифференцированные энтероциты, клетки шиповатого слоя кожного эпителия и др.).
Часто они настолько малы и так окружены конденсированным хроматином, что с трудом обнаруживаются в световом микроскопе. В ряде случаев они могут снова активироваться и переходить в компактную или ретикулярную форму.
Сегрегированные ядрышки характерны для клеток, обработанных различными антибиотиками или химическими веществами, вызывающими прекращение синтеза рРНК (актиномицин Д, амфотерицин и др.), а также антибиотиками, влияющими на синтез ДНК и белков (митомицин, пуромицин, многие канцерогены и т.д.). Термин “сегрегация” используется в данном случае в связи с тем, что происходит как бы разделение, обособление разных компонентов ядрышек, сопровождающиеся прогрессивным уменьшением его объема. При этом обособляются друг от друга крупные фибриллярные центры и гранулярно-фибриллярный компонент.
Белки ядрышек
До 60% сухого веса выделенных ядрышек приходится на белки, число которых может составлять несколько сот разных видов. Помимо белков ассоциированного с ядрышками хроматина в состав
ядрышек входят белки рибосом и специфические ядрышковые белки, связанные с транскрипцией рибосомных генов, с процессингом 45S рРНК, такие как РНК-полимераза I, факторы транскрипции, топоизомеразы, метилазы, нуклеазы, протеинкиназы, фосфатазы. Часть ядрышковых белков имеет сродство к серебру, - аргентофильные белки: РНК-полимераза I, фактор транскрипциии UBF, нуклеолин (С-23), нуклеофозмин (ньюматрин или В-23).
Аргентофилия характерна для белков, обогащенных сульфгидрильными, дисульфидными связями. Как уже указывалось, четкой аргентофилией обладают интерфазные ядрышки и зоны ядрышковых организаторов на митотических хромосомах.
Собственно ядрышковые белки расположены в специфических местах их активности. Так РНК-полимераза I и фактор транскрипции рРНК UBF располагаются в фибриллярных центрах (ФЦ) и/или в плотном фибриллярном компоненте (ПФК).
Ag-фильным является также белок с мол. весом 195 кДа, представляющий собой большую субъединицу РНК-полимеразы I, участвующую
в синтезе рРНК. Этот белок локализуется в зоне фибриллярных центров, по их периферии. На плоскостных препаратах ядрышек аргентофилией обладают участки над осевой частью «елочек», непосредственно над расположением гранул РНК-полимеразы I. Кроме того, с помощью иммуноморфологических методов РНК-полимераза I обнаруживается в зоне ядрышковых организаторов митотических хромосом. Это обстоятельство не противоречит данным о том, что во время митоза транскрипция полностью прекращается. Вероятно, что во время митоза гены, нагруженные неактивной РНК-полимеразой I, переносятся весте с нею в области ядрышковых организаторов из одной клеточной генерации в другую.
Специфический для ядрышек белок фибрилларин (В-36, м.в. 34 кДа) располагается в ПФК, где он осуществляет процессинг пре-рРНК в комплексе другими РНП, в состав которых входит U3 мяРНК, необходимая для начального этапа процессинга 45S рРНК. Фибрилларин обнаруживается также в остаточных ядрышках – в «ядрышковом матриксе».
Белок С23 (110 кДа) или «нуклеолин» локализуется в зоне плотного фибриллярного компонента и в фибриллярных центрах ядрышек, но также и в зонах ядрышковых организаторов митотических хромосом. Следовательно он обнаруживается как на транскрибируемых, так и на неактивных участках рибосомных генов. В препаратах распластанных ядрышек он обнаруживается над транскрипционными единицами («елочками»), он обнаружен во фракциях, содержащих предшественники рибосом. Функции его до конца не ясны, хотя стало известно, что белок С23 может играть важную структурную роль в процессе транскрипции: он своим N-концом, на котором находятся лизиновые группы, связывается с ядрышковым хроматином, а C-концом с транскрибируемым спейсером (tsi) на 45S рРНК.
Обнаружено, что этот белок связывается не с ДНК транскрипционной единицы, а с ДНК, имеющей нуклеосомное строение (вероятно со спейсерными участками).
Белок В-23 (нуклеофозин, м.в. 37 кДа) с помощью иммуноцитохимических методов локализован в области ПФК и, главным образом, в
зоне гранулярного компонента. Считается, что В-23 участвует в промежуточных и терминальных стадиях биогенеза рибосом, и в транспорте пре-рибосом.
Общая схема работы ядрышка как специального локуса синтеза рибосом
При становлении синтеза рРНК в ядрышках на поверхности ФЦ происходит активация транскрипционных единиц, - связывание с факторами транскрипции и РНК_полимеразой I, которая начинает считывать первичный транскрипт рРНК. По мере прохождения первой РНК-полимеразы I, на освобождающемся участке транскрипционной единицы садится следующая РНК-полимераза и начинается синтез новой рРНК. Одновременно и последовательно на одном р-гене могут находиться до сотни РНК-полимераз I, от которых отходят транскрипты разной степени завершенности. Конечным продуктом является пре-рРНК или 45S рРНК. По мере синтеза растущие цепи рРНК одеваются рибосомными белками, поступающими в ядро из цитоплазмы, так что сразу образуются цепи РНП-предшественников. Совокупность продуктов транскрипции нескольких транскрипционных
единиц образует вокруг ФЦ зону ПФК. Конечным продуктом такого синтеза является рибонуклеопротеидный тяж, или глобула, имеющая константу седиментации около 80S, содержащая одну молекулу 45S рРНК. После отделения 45S рРНК в терминальной точке транскрипционной единицы происходит расщепление – процессинг 45S рРНК, в конце которого образуются 40S и 60S рибосомные субъединицы. Синтез малых субъединиц в ядрышке занимает примерно 30 мин, а больших – около 1 ч. В ядрышке незрелая 60S рибосомная субъединица, коме двух фрагментов рРНК (28S и 5,8S) связывается с третьим (5S), который синтезировался независимо от хромосом с ядрышковыми организаторами на других хромосомах. Такие новообразованные рибосомные субъединицы особым образом выходят из ядра в цитоплазму через ядерные поры. В цитоплазме такие незрелые рибосомы могут связаться с дополнительными белками. 40S субъединица сначала связывается с иРНК, и только затем с большой 60S субъединицей, образуя полную 80S функционирующую рибосому (рис. 92).
Новые, неканонические функции ядрышек
Последние данные показывают, что кроме синтеза рРНК, ядрышко участвует во многих других аспектах экспрессии генов.
Первые намеки (1965) на признаки полифункциональности ядрышек были получены при изучении гетерокарионов. Так при слиянии человеческих клеток HeLa с эритроцитами кур были получены гетерокарионы с первоначально совершенно разными ядрами. Ядра клеток HeLa были функционально активны, в них шел синтез разнообразных РНК. Исходные ядра эритроцитов кур содержали сверхконденсированный хроматин, не содержали ядрышек и не транскрибировались. В гетерокарионе после слияния с HeLa клетками в ядрах эритроцитов кур хроматин начинал деконденсироваться, активировалась транскрипция, появлялись ядрышки. Иммуноцитохимическими методами изучалось появление в гетерокарионах белков, характерных для куриных клеток. Несмотря на то, что в клетках HeLa была готовая система функционирования рибосом и были сформированы ядрышки, появление куриных белков было отложено до тех пор
пока не возникнут ядрышки в ядрах эритроцитов. Это означало, что ядрышко куриного эритроцита как-то должно вовлекаться в образование куриных иРНК, т.е. ядрышко должно играть какую-то роль в продукции куриных иРНК.
Позднее были накоплены данные в поддержку этой возможности. Было обнаружено, что созревание (сплайсирование, см. ниже) c-myc иРНК в клетках млекопитающих происходит в ядрышках. В ядрышках обнаружены сплайсосомные малые РНК (sn РНК), факторы сплайсинга пре-иРНК.
Далее в ядрышках обнаруживаются РНК, входящие в SRP-частицы, участвующие в синтезе белков в эндоплазматическом ретикулуме. С ядрышком оказалась ассоциирована РНК теломеразы – рибонуклеопротеида (обратная транскриптаза). Много есть данных о локализации в ядрышках прцессинга малых ядерных РНК, входящих в состав сплайсосом, и даже о процессинге тРНК.
Ядрышко во время митоза: периферический хромосомный материал
В световом микроскопе ядрышко выявляется во время интерфазы,
в митотических клетках оно исчезает. При использовании цейтраферной микрокиносъемки можно наблюдать в живых клетках как по мере конденсации хромосом в интерфазе происходит исчезновение ядрышка. Сначала оно слегка уплотняется, но затем ко времени разрыва ядерной оболочки начинает быстро терять плотность, становится рыхлым и на глазах быстро исчезает, как бы тает. При этом видно, что часть ядрышкового материала растекается между хромосомами. В метафазе и анафазе ядрышки как таковые отсутствуют. Первые признаки новых ядрышек появляются после средней телофазы, когда уже достаточно разрыхлились хромосомы дочерних ядер, имеющие новую ядерную оболочку. В это время вблизи деконденсирующихся хромосом появляются плотные тельца – предъядрышки. Обычно их число выше, чем число ядрышка в интерфазе. Позднее уже в G1-периоде клеточного цикла предъядрышки растут, начинают объединяться друг с другом, их общее число падает, но суммарный объем возрастает. Общий объем ядрышка удваивается в S-G2-фазах. В некоторых случаях в профазе
(культуры клеток человека) при конденсации хромосом крупные ядрышки распадаются на более мелкие, которые в митозе исчезают.
На самом деле никакого полного исчезновения, или «растворения» ядрышка нет: происходит изменение его структуры, редукция одной части его компонентов при сохранении другой. Так было показано, что аргентофильные гранулы в интерфазных ядрышках, обнаруживаемые в световом микроскопе начинают в профазе сливаться друг с другом, одновременно уменьшаясь в объеме, минимальный размер они занимают в метафазе, локализуясь в зонах ядрышковых организаторов хромосом. В таком виде они существуют до средней телофазы, когда выявляются в виде отдельных множественных «предъядрышек», разбросанных среди деконденсированных хромосом. Уже в конце телофазы такие аргентофильные предъядрышки начинают расти. Таким образом можно видеть, что во время митоза исчезновению подвергается только часть ядрышкового компонента, в то время как аргентофильный компонент сохраняется, постоянно существует во время митоза
и переносится на хромосомах в дочерние ядра.
Радиоавтографическими исследованиями было показано, что исчезновение ядрышек совпадает с прекращением синтеза клеточной (в основном рибосомной) РНК, который возобновляется в поздней телофазе, совпадая по времени с появлением новых ядрышек.
Кроме того было обнаружено, что активность РНК-полимеразы I также исчезает на средних стадиях митоза. Это давало основание считать, что новообразование ядрышек связано с восстановление синтеза рРНК в дочерних клетках.
Но с другой стороны существуют факты, указывающие на перманентное, постоянное присутствие ядрышковых компонентов течение всего клеточного цикла. Это относится к Ag-фильному материалу ядрышек в первую очередь.
Во время митоза у животных и растений хромосомы окружены матриксом, представляющем собой скопление рыхло расположенных фибрилл и гранул рибонуклеопротеидов, сходных по составу с компонентами, входящими в состав интерфазных ядрышек.
При конденсации хромосом часть ядрышек диссоциирует и уходит в цитоплазму (большая часть РНП-частиц), в то время как другие тесно связываются с поверхностью хромосом, образуя основу «матрикса», или периферического хромосомного материала (ПХМ).
Этот фибриллярно-гранулярный материал, синтезированный до митоза, переносится хромосомами в дочерние клетки. В ранней телофазе еще в отсутствие синтеза РНК по мере деконденсации хромосом происходит структурное перераспределение компонентов ПХМ. Его фибриллярные компоненты начинают собираться в мелкие ассоциаты – предъядрышки, которые могут сливаться друг с другом, собираться в зоне ядрышкового организатора хромосом в поздней телофазе, где возобновляется транскрипция рРНК.
Ядрышковые белки, участвующие в транскрипции рРНК (РНК-полимераза I, топоизомераза I, фактор инициации транскрипции UBFи др.), аккумулируются в зоне ядрышкового организатора, в то время как белки, связанные с процессингом пре-рРНК (фибрилларин,
нуклеолин, В-23), а также некоторая часть пре-рРНК и малые ядрышковые РНП переносятся поверхностью хромосом в составе периферического хромосомного материала.
Кроме того в состав ПХМ могут входить некоторые негистоновые белки из состава ядерного интерфазного остова.
Ядрышко (одно или несколько) – обязательный компонент ядра и обнаруживается в интерфазных ядрах.
Ядрышко имеет компактную структуру, представляет собой мелкие тельца шаровидной формы. Состоит из белковых молекул и созревающих рибосомальных РНК (рРНК). Гены рРНК занимают определенные участки хромосом, у человека — это короткие (13 — 15 и 21 — 22) и длинные плечи (1 — 9 и 16), которые являются ядрышковыми организаторами.
В этих участках синтезируются ядрышки. В метафазных хромосомах они выглядят как сужения и называются вторичными перетяжками. В ядрышках происходит синтез рРНК и образование субъединиц рибосом. Если в живой клетке инактивировать ядрышко с помощью сверхузкого ультрафиолетового луча, то произойдет прекращение синтеза рРНК. Под электронным микроскопом в ядрышке выявляют нитчатый и зернистый компоненты. Нитчатый или фибриллярный компонент представлен гигантскими молекулами РНК-предшественниц, из них затем образуются мелкие молекулы зрелых рРНК. При созревании фибриллы преобразуются в рибонуклеопротеиновые зерна (гранулы) и образуют зернистый компонент.
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
- Ядерная оболочка.
- Хроматин.
- Ядрышки.
- 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:
- Тонкая диафрагма, закрывающая отверстие. Она пронизана цилиндрическими каналами.
- Белковые гранулы. Они находятся с двух сторон от диафрагмы.
- 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:
- 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.
- 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
- 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.
- 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.).
- 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.
- 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.
- 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
- Информативная функция. Именно в ядре находится вся информация о наследственности организма.
- Функция наследования. Благодаря генам, которые расположены в хромосомах, организм может передавать свои признаки из поколения в поколение.
- Функция объединения. Все органоиды клетки объединены в одно целое именно в ядре.
- 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.
Клетка является элементарной единицей живых организмов на Земле и имеет сложную химическую организацию структур, называемых органеллами. К ним относится ядрышко, строение и функции которого мы изучим в данной статье.
Особенности эукариотических ядер
Ядросодержащие клетки в своем составе содержат немембранные органеллы округлой формы, более плотные, чем кариоплазма, и называемые ядрышками или нуклеолами. Они были обнаружены ещё в 19 веке. Сейчас нуклеолы достаточно полно изучены благодаря электронной микроскопии. Практически до 50-х годов 20 века функции ядрышек не были определены, и ученые рассматривали эту органеллу, скорее, как резервуар запасных веществ, используемых во время митоза.
Современными исследованиями установлено, что органоид включает в себя гранулы нуклеопротеидной природы. Более того, биохимические опыты подтвердили, что органелла содержит большое количество белков. Именно они и обуславливают её высокую плотность. Кроме протеидов, в составе ядрышек присутствует РНК и небольшое количество ДНК.
Клеточный цикл
Интересно, что в жизни клетки, которая состоит из периода покоя (интерфазы) и деления (мейоза - у половых, митоза - у ядрышки сохраняются непостоянно. Так, в интерфазе ядро с ядрышком, функции которых - сохранение генома и образование белоксинтезирующих органелл, присутствуют обязательно. В начале клеточного деления, а именно в профазе, они исчезают и заново образуются лишь в конце телофазы, сохраняясь в клетке до следующего деления или до апоптоза - её гибели.
Ядрышковый организатор
В 30-х годах прошлого века учеными было установлено, что образование ядрышек контролируется определенными участками некоторых хромосом. Они содержат гены, хранящие информацию о том, какое строение и каковы функции ядрышка в клетке. Существует корреляция между количеством ядрышковых организаторов и самих органелл. Например, содержит в своем кариотипе две ядрышкообразующие хромосомы и, соответственно, в ядрах её соматических клеток находится две нуклеолы.
Так как функции ядрышка, а также его наличие тесно связаны с и образованием рибосом, сами органеллы отсутствуют в высокоспециализированных тканях головного мозга, крови, а также в бластомерах дробящейся зиготы.
Амплификация нуклеол
В синтетической стадии интерфазы наряду с самоудвоением ДНК происходит избыточная репликация числа генов рРНК. Так как основные функции ядрышка - продуцирование рибосом, то в связи со сверхсинтезом локусов ДНК, несущих информацию о РНК, резко возрастает количество этих органелл. Нуклеопротеиды, не связанные с хромосомами, начинают функционировать автономно. Как результат - в ядре образуется множество нуклеол, дистанцирующихся от ядрышкообразующих хромосом. Это явление называется амплификацией генов рРНК. Продолжая изучать функции ядрышка в клетке, отметим, что наиболее активный их синтез происходит в профазе редукционного деления мейоза, вследствие чего овоциты первого порядка могут содержать несколько сотен ядрышек.
Биологическое значение этого явления становится понятным, если учесть, что на ранних этапах эмбриогенеза: дроблении и бластуляции, необходимо огромное количество рибосом, синтезирующих главный строительный материал - белок. Амплификация - достаточно распространенный процесс, он происходит в овогенезе растений, насекомых, земноводных, дрожжей, а также у некоторых протист.
Гистохимический состав органеллы
Продолжим изучение и их структур, и рассмотрим ядрышко, строение и функции которого взаимосвязаны. Установлено, что оно содержит три вида элементов:
- Нуклеонемы (нитевидные образования). Они неоднородны и содержат фибриллы и глыбки. Входя в состав как растительных, так и нуклеонемы образуют фибриллярные центры. Цитохимическое строение и функции ядрышка зависят также от присутствия в нем матрикса - сети опорных белковых молекул третичной структуры.
- Вакуоли (светлые участки).
- Зернистые гранулы (нуклеолины).
С точки зрения химического анализа, этот органоид почти полностью состоит из РНК и белка, а ДНК находится только на его периферии, образуя кольцеобразную структуру - околоядрышковый хроматин.
Итак, мы установили, что в состав ядрышка входят пять образований: фибриллярный и гранулярный центры, хроматин, белковый ретикулум и плотный фибриллярный компонент.
Виды ядрышек
Биохимическое строение этих органоидов зависит от в которых они присутствуют, а также от особенностей их метаболизма. Различают 5 основных структурных типов нуклеол. Первый - ретикулярный, наиболее распространен и характеризуется изобилием плотного фибриллярного материала, глыбок нуклеопротеидов и нуклеонем. Процесс переписывания информации с ядрышковых организаторов происходит очень активно, поэтому фибриллярные центры плохо видны в поле зрения микроскопа.
Так как главные функции ядрышка в клетке - синтез рибосомных субъединиц, из которых образуются белоксинтезирующие органеллы, то ретикулярный тип организации присущ как растительным, так и животным клеткам. Кольцевидный тип ядрышек встречается в клетках соединительной ткани: лимфоцитах и эндотелиоцитах, у которых гены рРНК практически не транскрибируются. Остаточные ядрышки встречаются в клетках, полностью утративших способность к транскрипции, например, у нормобластов и энтероцитов.
Сегрегированный вид присущ клеткам, испытавшим интоксикацию канцерогенами, антибиотиками. И, наконец, компактный тип ядрышка характеризуется множеством фибриллярных центров и небольшим количеством нуклеонем.
Белковый ядрышковый матрикс
Продолжим изучение внутреннего строения структур ядра и определим, каковы функции ядрышка в метаболизме клетки. Известно, что около 60% сухой массы этого органоида приходится на белки, входящие в состав хроматина, рибосомных частиц, а также на собственно ядрышковые белки. Остановимся на них подробнее. Часть протеидов задействована в процессинге - формировании зрелых рибосомных РНК. К ним относятся РНК-полимераза 1 и нуклеаза, которые удаляют лишние триплеты с концов молекулы рРНК. Белок фибрилларин находится в плотном фибриллярном компоненте и, так же, как и нуклеаза, осуществляет процессинг. Еще один белок - нуклеолин. Вместе с фибрилларином он находится в ПФК и ФЦ ядрышек и в ядрышковых организаторах хромосом профазы митоза.
Такой полипептид, как нуклеофозин располагается в гранулярной зоне и плотном фибриллярном компоненте, он участвует в формировании рибосом из 40 S и 60 S субъединиц.
Какую функцию выполняет ядрышко
Синтез рибосомной РНК - главное задание, которое должна выполнить нуклеола. В это время на её поверхности (а именно в фибриллярных центрах) происходит транскрипция при участии фермента РНК-полимеразы. На данном ядрышковом организаторе синтезируются сотни пре-рибосом, называемых рибонуклеопротеидными глобулами. Из них образуются рибосомные субъединицы, которые через покидают кариоплазму и оказываются в цитоплазме клетки. Малая субъединица 40S соединяется с информационной РНК и только после этого к ним прикрепляется большая субъединица 40S. Образуется зрелая рибосома, способная осуществлять трансляцию - синтез клеточных белков.
В данной статье нами было изучено строение и функции ядрышка в растительных и животных клетках.
