МЕТАБОЛИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ЯДРА (РАБОЧЕЕ ЯДРО КЛЕТКИ)

ЯДРО

Ядро - обязательная составная часть клетки у многих одноклеточных и всех многоклеточных организмов. По наличию или отсутствию в клет­ках оформленного ядра все организмы делятся соответственно на эукариот и прокариот.

Клеточное ядро было открыто Робертом Броуном в 1833 г. Изучая под микроскопом тычи­ночные нити Tradescantia, он обнаружил в них, помимо хаотического движения чрезвычайно мелких частиц, известного в настоящее время как «броуновское движение», медленно перемещаю­щиеся с током цитоплазмы небольшие участки округленной формы, которым Р. Броун дал на­звание nuclei (ядра). Синонимом латинского сло­ва nucleus (ядро) служит греческий термин karуоп. После открытия ядро стало предметом интенсив­ного исследования. В конце 19 в. даже возникает относительно самостоятельная ветвь цитологии - кариология, которая изучает ядро клетки и свя­занные с ним явления.

Ядро - важнейший органоид эукариотной клетки. Оно несет наследственную генетическую информацию, определяющую свойства данной клетки и всего организма в целом, и передает ее во времени и в пространстве. Ядро является так­же центром управления всеми метаболическими процессами клетки, контролирующим деятель­ность всех других органоидов. Поэтому при уда­лении ядра из клетки (классические опыты И. И. Герасимова, 1867-1920) она быстро поги­бает. Единственным типом клеток растений, ко­торые функционируют, потеряв ядро, являются ситовидные элементы флоэмы, но живут эти клетки обычно не дольше одного вегетационного периода.

Ядро - самый крупный органоид клетки, хотя размеры его очень изменчивы, видоспецифичны и зависят от возраста и состояния клетки. У веге­тативных клеток высших растений размеры ядра в среднем колеблются от 5 до 25 мкм, причем у однодольных ядра крупнее, чем у двудольных, а у голосеменных крупнее, чем у покрытосеменных. Самые крупные ядра (до 500 мкм) наблюда­ются в половых клетках голосеменных растений.

Форма ядра в молодых клетках в основном округло-шаровидная, а затем при дифференциа­ции часто зависит от формы клетки и состояния цитоплазмы. Так, в длинных узких клетках ядра чаще всего вытянутые, веретенообразные, сплюс­нутые или чечевицевидные. В паренхимных клет­ках ядра имеют все разновидности округлой фор­мы. Движение цитоплазмы часто деформирует форму ядра, делает ее сплюснутой, неправильной. Под электронным микроскопом ядро имеет амебовидную форму, образуя лопасти, углубле­ния, в которых скапливаются митохондрии. Та­кая распростертость ядра увеличивает его рабо­чую поверхность и повышает интенсивность взаимодействия между ядром и цитоплазмой (рис. 38).

Рис. 38.Электронная микрофотография ультраструктуры ядра в меристеме корешка лука - Allium сера (увел. 10 000). В ядре хорошо видна оболочка (1), ядрышко (2) и хроматиновая сеть (3). В углублениях ядра видны митохондрии (4)

Живая клетка имеет, как правило, одно ядро в отличие от многочисленности других органоидов. Реже бывают многоядерные клетки: клетки гриб­ницы многих высших грибов двуядерные, много­ядерные клетки некоторых водорослей и низших грибов, сильно вытянутые лубяные клетки выс­ших растений тоже имеют по нескольку ядер, двуядерными часто бывают клетки тапетума пыльников.

В молодых клетках ядро обычно занимает цен­тральное положение. При дифференциации клет­ки и образовании в ней крупной вакуоли ядро отодвигается к клеточной оболочке, но всегда отделено от оболочки слоем цитоплазмы и нико­гда не соприкасается с вакуолью.

Иногда ядро остается в центре клетки, окру­женное цитоплазмой (так называемый ядерный кармашек), которая связана с постенным слоем цитоплазмы тяжами. В некоторых клетках ядро активно передвигается в наиболее жизнедеятель­ные участки клетки. И наконец, в ряде случаев с помощью микрокиносъемки было зафиксировано беспрерывное вращательное или маятникообразное движение ядра. По мнению В. Г. Александ­рова (1966), это, вероятно, связано с периодическим выталкиванием веществ, синтезируемых в ядре, в цитоплазму.

В световом микроскопце с фазово-контрастным устройством ядро имеет вид эластичного запол­ненного пузырька, отделенного от цитоплазмы ядерной оболочкой с небольшим темным пятныш­ком (иногда их бывает два, три) - ядрышком. Помимо ядрышка, в жизнедеятельном ядре раз­граничивают более темные участки, которые ок­рашиваются основными красителями, дают реак­цию Фёльгина (фуксинсернистая кислота + НСL и красно-фиолетовая окраска) и вследствие этого именуются хроматином (греч. chroma, род. п. chromatos - цвет), и неокрашивающееся основ­ное вещество, или ахроматин. В живом ядре это основное вещество может представлять собой коллоидную жидкость, в связи с чем его называ­ют ядерным соком или кариолимфой. Но оно мо­жет быть и гелеобразным, в таком случае его на­зывают кариоплазмой. Пока не выяснено, в каком взаимодействии находятся более плотная и более жидкая фаза ядра, поэтому все основное вещество ядра называют нуклеоплазмой.

По химическому составу ядро резко отличает­ся от остальных органоидов высоким содержани­ем ДНК (14-28 %) - несущего наследственную информацию. До 99 % ДНК клетки находится в ядре, где она образует комплексы с основными белками (протамины и гистоны, богатые основ­ными аминокислотами - лизином, гистидином и особенно аргинином) - солеобразные соедине­ния, или дезоксирибонуклеопротеиды.

Белки, не обладающие основными свойства­ми, по-видимому, не связаны с нуклеиновыми кислотами и могут содержаться в ядре в качест­ве самостоятельной фазы или же входить в со­став ануклеальных (не содержащих ДНК) участ­ков хромосом в качестве их структурного компо­нента.

В ядре содержится также РНК (в основном иРНК и рРНК), но распределение ее с ДНК по ядру неодинаково. Ядрышко богато РНК, тогда как хроматин содержит только ДНК. Способ­ность хроматина окрашиваться обусловлена именно присутствием в хроматиновых структурах ДНК. Таким образом, основное отличие ядра за­ключается в том, что это особая структурно-функциональная единица клетки, отграничиваю­щая генетический материал (ДНК) от цитоплаз­мы и образующая у эукариот сложные ДНК-содержащие структуры - хромосомы (см. даль­ше).

Общее строение ядра одинаково у всех клеток растений и животных. Структурная организация ядра в то же время существенно меняется на раз­ных этапах жизненного цикла клетки, что обу­словлено различием выполняемых ядром функ­ций. В связи с этим различают три состояния яд­ра:

1) рабочее (метаболическое) ядро, выполняющее функцию управления жизнедеятельностью всех органоидов клетки;

2) делящееся (митотическое) ядро, выполняющее функцию передачи наследственной информации в ряде клеточных генераций (митоз) или от материнского организма к дочерним (мейоз);

3) интерфазное ядро с основной функцией синтеза ДНК.

МЕТАБОЛИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ЯДРА (РАБОЧЕЕ ЯДРО КЛЕТКИ)

Уже в световой микроскоп в сравнительно го­могенном ядерном содержимом заметны много­численные точки, придающие его структуре зер­нистость. При наблюдении в фазовом контрасте или в ультрафиолетовом освещении видна сеть, образуемая этими зернышками. Вещества, обра­зующие зернышки, - хроматин, а сама сеть - хроматиновая.

Хроматин. Это основной структурный компо­нент рабочего ядра. Термин введен В. Флеммингом в 1880 г. Распределение хроматина в ядре не­одинаково у различных растений и может быть сведено к четырем основным типам. В некоторых клетках он равномерно распределен по ядру и представляет тончайшую сеточку, в других - со­бран отдельными комочками - хромоцентрами, прикрепленными к участкам более слабо окра­шенной сети. В клетках третьего типа ядерная сеть почти незаметна, а хромоцентры - крупные и структурно усложнены. И наконец, в некоторых клетках сеть совсем незаметна и хроматин пред­ставлен немногочисленными довольно крупными тельцами (рис. 39).

	Рис. 39. Типы структуры рабочего ядра после фиксации и окра­ски (по Дейсону, 1962): а - сетчатая структура без хромоцентров (лук); б - сетчатая структура с хромоцентрами (бобы); в - полусетчатая структура со сложными хромоцен­трами (бриония); г - несетчатая структура с прохромосомами; 1- ядрышко
а	б	в	г

Изучение ядра или изолированного хроматина под электронным микроскопом показало, что основу хроматиновой сети составляют фибриллы диаметром до 1 нм и неопределенной длины, спирально закрученные. Они являются частицами дезоксирибонуклеопротеидов, в которых белки образуют поверхностный футляр, стабилизирую­щий ДНК и регулирующий ее активность. Часть фибрилл образует беспорядочные массы, находя­щиеся в конденсированном (плотно упакован­ном) состоянии, интенсивно окрашенные ядер­ными красителями (гетерохроматин). Они веро­ятно, соответствуют хромоцентрам светового микроскопа. Другая часть фибрилл располагается в деспирализованном состоянии, рыхло (диффуз­ный хроматин, или эухроматин) и, вероятно, представляет хроматиновую сеть световой микро­скопии.

Хроматин является особым дисперсным со­стоянием хромосом, функционирующей формой.

Так как в рабочем ядре хромосомы разрыхлены, сильно гидратированы, их рабочая поверхность увеличивается многократно. Разрыхленные струк­туры хромосом - необходимое условие выполне­ния их контролирующей роли в обменных про­цессах клетки, т. е. в передаче информации, со­держащейся в ДНК. Уплотненный хроматин в этом отношении неактивный, тогда как разрых­ленный может быть неактивным или активным в зависимости от процессов регуляции.

Таким образом, хромосомы являются посто­янными непрерывными структурами ядра, но в рабочем ядре они находятся в сильно гидратированном, набухшем, разрыхленном состоянии. По­казатель преломления этих веществ и содержимо­го ядра оказывается одинаковым, вследствие чего хроматин слабо различим. При фиксации, вызы­вающей обезвоживание и свертывание ядерных белков, и последующей окраске основными ядерными красителями структуры ядра клеток выявляются.

Нуклеоплазма. Основная масса клеточного яд­ра, содержит жидкую неокрашиваемую часть, ядерный матрикс (нечто вроде опорной сети) и различные включения. Жидкая часть сходна по составу с соответствующим компонентом цито­плазмы - гиалоплазмой. Здесь содержатся фер­менты и промежуточные продукты метаболизма, в частности гликолиза.

Ядерный матрикс представляет собой с трудом выявляемый трехмерный «каркас», который со­стоит из кислых белков и пронизывает всю нуклеоплазму и ядрышки.

Видимые в электронный микроскоп включе­ния - прежде всего гранулярные, нитевидные или спиральные рибонуклеопротеидные частицы различной величины; нередко встречаются также округлые ядерные тельца диаметром около 1 мкм, состоящие из углеводов или белков, а иногда и палочковидные пучки белковых нитей (рис. 40).

Рис. 40. Клеточное ядро в рабочем состоянии (по Э. Либберту, 1982): Тх - гетерохроматин; Риб - рибосомы; РНП - рибонуклеопротеиновые частицы; ЭР - эндоплазматический ретикулум; Эх - эухроматин; Я - ядрышко; ЯО - ядерная оболочка; ЯП - ядерные поры; ЯТ - ядерные тельца

Ядрышко, нуклеола (nucleolus). Ядрышки - это округлые, более уплотненные участки кле­точного ядра диаметром до 1 мкм. Обычно в ядре имеется одно ядрышко, реже несколько (2-3) или много (до 7). Как и хроматин, ядрышко не окружено мембраной и свободно лежит в нуклеоплазме.

Ядрышки осуществляют синтез рРНК (рибосомальная РНК). В соответствии с этим главной составной частью ядрышка является ядрышковая ДНК, которая принадлежит организатору ядры­шек, т. е. участку хромосомы, ответственному за формирование ядрышка после завершения ядер­ного деления.

Ядрышки содержат более 80 % белка и около 15 % РНК. В электронном микроскопе можно различить основные структурные компоненты ядрышка:

1) ядрышковый хроматин;

2) рибонуклеопротеидные (РНП) фибриллы диаметром 5-10 нм и длиной 20-40 нм. Это ранние промежуточные продукты в процессе образования рРНК из пре-рРНК;

3) РНП гранулы диаметром 15-20 нм - более поздние промежуточные продукты;

4) основную массу из белков и РНК, которую пронизывает сеть ядерного матрикса;

5) мелкие вакуоли;

6) гетерохроматш, который прилегает к ядрышку снаружи и проникает в него.

С помощью электронного микроскопа в неко­торых ядрышках можно видеть нитчатую структу­ру - нуклеолонему, содержащую рибонуклеопро-теид и состоящую, несомненно, из хроматина, обернутого РНП фибриллами. Другие ядрышки кажутся кольцеобразными, с РНП-содержащей оболочкой и хроматинсодержащей центральной частью.

Как уже говорилось, основная функция яд­рышка - синтез рРНК (возможно, и других форм РНК). В нем образуются рибонуклеопротеиды (соединение РНК с белком), т. е. происходит формирование и накопление предшественников рибосом, которые попадают в нуклеоплазму, за­тем через поры ядерный оболочки в цитоплазму, где и заканчивается их дифференциация. Поэто­му ядрышки играют существенную роль в био­синтезе белка. Интенсивность этого процесса сказывается на структуре ядрышка.

Ядерная оболочка, кариолемма. Факт сущест­вования ядерной оболочки долгое время был предметом споров, так как в световой микроскоп она не видна, а то, что принимают за оболочку ядра, является границей раздела двух фаз - нуклеоплазмы и гиалоплазмы.

Электронно-микроскопические исследования подтвердили наличие в живой клетке структурно-организованной ядерной оболочки. Состоит она из двух мембран (каждая толщиной 6-8 нм), ме­жду которыми находится перинуклеарное (греч. peri - вокруг, около; лат. nucleos - ядро) про­странство шириной 10-40 нм (см. рис. 40). По строению и химическому составу ядерная обо­лочка сходна с цистернами ЭР, и многие авторы считают ее частью ретикулума. Сходство усилива­ется тем, что наружная мембрана ядерной обо­лочки часто является гранулярной, т. е. несет прикрепленные рибосомы. Внутренняя мембрана часто выстлана изнутри слоем волокнистого ве­щества (ядерная пластинка, или ламина).

Наружная мембрана нередко образует вырос­ты, сливающиеся с ЭР; при этом содержимое перинуклеарного пространства сообщается с содержимым ретикулярных цистерн (см. рис. 40, ЭР).

По мнению некоторых ученых (К. Мюлеталер, X. Гей), в зависимости от того, образует ли выросты только наружная мембрана ядерной оболочки или вся оболочка в целом, возникают либо тяжи ЭР, либо зачатки органоидов, окруженные двойной мембраной и содержащие строму, которая происходит от нуклеоплазмы. Этот факт (правда, признается не всеми авторами) подчеркивает важное значение ядра как центрального органоида клетки. При делении ядра его оболочка распадается на отдельные небольшие цистерны, которые трудно отличить от цистерн ретикулума (К. Портер, Р. Мачадо, I960). Ядерная оболочка дочерних клеток формируется из цистерн ретикулума и старой оболочки.

В отличие от мембран других органоидов ядерная оболочка пронизана порами диаметром 60-100 нм, которые иногда занимают около 5 % поверхности ядра (в общем число их колеблется от единиц до 200 на 1 мкм² поверхности ядра) (рис. 40, 41). На краях пор наружная мембрана оболочки переходит во внутреннюю. Каждая пора с наружной и внутренней стороны окружена кольцевым валиком плотного вещества (аннулус) а в ее просвете часто виден центральный элемент

Рис. 41. Ядерная оболочка лука (Allium сера) с открытый и замкнутыми порами. Вид с поверхности.

диаметром 15-20 нм, соединенный с аннулусой радиальными фибриллами; эти структуры составляют поровый комплекс, который регулирует прохождение веществ через поры. Предполагают, что центральный элемент порового комплекса - рибонуклеопротеидная частица, активно транспортируемая в цитоплазму (рис. 42).

Через ядерные поры в ядро из цитоплазмы где они синтезируются, попадают рибосомальные белки и все белки ядра (ферменты, белки, нуклеоплазмы и др.); в цитоплазму из ядра - предшественники рибосом; при этом ядерные поры вероятно, функционируют как своего рода шлюзовые ворота (открываясь в одних участках оболочки и закрываясь в других). Мелкие молекулы и ионы просто просачиваются сквозь ядерную оболочку; из внутреннего пространства ЭР они могут переходить в перинуклеарное пространство, а далее активно транспортироваться через внутреннюю мембрану ядра.

Рис. 42. Модель строения ядерных пор: 1 - наружная и 2 - внутренняя мембраны ядерной оболочки; 3 - перинуклеарное пространство; 4 - аннулус, 5 - рибонуклеопротеидные частицы; 6 - фибрилла норового комплекса

Размеры и количество пор довольно изменчи­вы (например, у физиологически активных ядер их больше); более многочисленны и крупнее они в молодых клетках.

Оболочка ядра содержит многочисленные ферменты, способна к синтезу белков и липидов (как и элементы ЭР), которые временно способ­ны накапливаться в перинуклеарном пространст­ве. Ядерная оболочка позволяет отграничить осо­бую среду, в которой «работают» хромосомы.

Основная функция рабочего ядра в целом — управление процессами обмена веществ, роста и развития клетки. Все признаки и свойства клетки и ее структур определяются ядром. Оно контро­лирует синтез белков, прежде всего ферментов, который происходит в цитоплазме. Ферменты обеспечивают скорость всех обменных химиче­ских реакций.

Рассмотрим, как происходит синтез белка, контролируемый рабочим ядром клетки.

ДНК. РНК. Высокомолекулярные органиче­ские соединения - нуклеиновые кислоты - со­стоят из цепочек, содержащих от десятков до миллиарда нуклеотидов. В состав каждого нуклео-тида входят гетероциклические основания - аденин (А) или гуанин (Г), производные пурина; цитозин (Ц), урацин (У) или тимин (Т), производные пи­римидина; углевод (рибоза или дезоксирибоза) и фосфорная кислота. В природе существуют нуклеи­новые кислоты двух типов - ДНК и РНК, разли­чающиеся по составу, строению и функциям.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) содер­жит углевод дезоксирибозу, азотистые основания А, Г, Ц, Т, остатки фосфорной кислоты (рис. 43, А); РНК (рибонуклеиновая кислота) - углевод, рибозу, азотистые основания А, Г, Ц, У, остатки фосфорной кислоты. Цепочки ДНК во много раз длиннее, чем цепочки РНК. Гетероциклическое основание, углевод и фосфорная кислота образу­ют нуклеотид-мономер. Нуклеотиды соединяются в полимерные молекулы РНК и ДНК фосфодиэфирными мостиками. Число нуклеотидных звеньев, связанных в единую полинуклеотидную цепь, варьирует в широких пределах. Наиболь­шей молекулярной массой обладает ДНК (десятки миллионов и миллиарды дальтон). На­пример, молекулярная масса ДНК кишечной па­лочки 2,5 • 10⁹ дальтон, число нуклеотидов в ней 4,5 • 10⁶. Основная масса ДНК клеток эукариот находится в ядре, но она обнаружена также в ми­тохондриях и хлоропластах.

РНК - обязательный компонент всех живых клеток, многих вирусов. Пространственная струк­тура РНК представлена в основном однонитчатой полинуклеотидной цепью (содержит от 75 до 10 000 нуклеотидов), образующей в отдельных местах двухспиральные участки по принципу комплементарности оснований.

В соответствии с функцией, молекулярной массой и структурными признаками различают несколько классов клеточных РНК: рибосомальные (рРНК), транспортные (тРНК), информацион­ные, или матричные (иРНК, или мРНК).

Поиск по сайту: