Ядро в эукариотической клетке - центральная органелла, от которой зависит жизнедеятельность и синтетические процессы. Значимая часть содержимого ядра представлена нитевидными молекулами ДНК различной степени компактизации в сочетании с белками. Это эухроматин (деконденсированные ДНК) и гетерохроматин (плотно упакованные части ДНК).
В жизнедеятельности клетки эухроматин играет важную роль. С него считывается "инструкция" по сборке рибонуклеиновой кислоты (РНК), которая становится основой для синтеза молекул полипептидов.
У всех ли есть ядро?
Все живые существа, от самых мелких до гигантских, снабжены генетической информацией в виде дезоксирибонуклеиновой кислоты. Существуют две принципиально отличные формы представления ее в клетках:
- Прокариотические организмы (доядерные) имеют не разделенные на компартменты клетки. Хранилище их единственной кольцевой ДНК, не соединенной с белками, это просто участок цитоплазмы, называемый нуклеоидом. Репликация нуклеиновой кислоты и синтез белков проходят у прокариот в едином пространстве клеток. Мы не увидим их невооруженным глазом, ведь представителями этой группы организмов являются микроскопические, размером до 3 мкм, бактерии.
- Эукариотические организмы характеризуются более сложным устройством клетки, где наследственная информация защищена двойной мембраной ядра. Линейные молекулы ДНК совместно с белками-гистонами образуют хроматин, активно продуцирующий РНК при помощи полиферментных комплексов. Синтез белка происходит в цитоплазме на рибосомах.
Оформленное ядро в клетках эукариот можно увидеть в период интерфазы. В кариоплазме содержится белковый остов (матрикс), ядрышки и нуклеопротеиновые комплексы, состоящие из участков гетерохроматина и эухроматина. Это состояние ядра сохраняется до момента начала деления клетки, когда оболочка и ядрышки исчезают, а хромосомы приобретают компактную палочковидную форму.
Главный в ядре
Основной компонент содержимого ядра, хроматин, является его смысловой частью. Его функции включают хранение, реализацию и передачу генетической информации о клетке или организме. Непосредственно реплицируемая часть хроматина - это эухроматин, несущий данные о структуре белков и различных типов РНК.
Остальные части ядра выполняют вспомогательные функции, обеспечивают надлежащие условия для реализации генетической информации:
- ядрышки - уплотненные участки ядерного содержимого, определяющие места синтеза рибонуклеиновых кислот для рибосом;
- белковый матрикс упорядочивает расположение хромосом и всего содержимого ядра, поддерживает его форму;
- полужидкая внутренняя среда ядра, кариоплазма, обеспечивает транспорт молекул и протекание различных биохимических процессов;
- двухслойная оболочка ядра, кариолемма, защищает генетический материал, обеспечивает избирательное двустороннее проведение молекул и молекулярных комплексов за счет сложно устроенных ядерных пор.
Что значит хроматин
Свое название хроматин получил в 1880 году благодаря опытам Флемминга по наблюдению клеток. Дело в том, что во время фиксации и окрашивания некоторые части клетки особенно хорошо проявляются ("хроматин" значит "окрашиваемый"). Позже выяснилось, что этот компонент представлен ДНК с белками, которая, благодаря кислотным свойствам, активно воспринимает щелочные красители.
В центральной части клетки на фото видны окрашенные хромосомы, образующие метафазную пластинку.
Формы существования ДНК
В клетках эукариотических организмов нуклеопротеиновые комплексы хроматина могут находиться в двух состояниях.
- В процессе деления клетки ДНК достигает максимальной скрученности и представлена митотическими хромосомами. Каждая нить образует отдельную хромосому.
- В период интерфазы, когда ДНК клеток наиболее деконденсирована, хроматин равномерно заполняет пространство ядра или образует видимые в световой микроскоп сгустки. Такие хромоцентры чаще выявляются близ ядерной мембраны.
Данные состояния альтернативны друг другу, в интерфазе не сохраняется полностью компактизированных хромосом.
Эухроматин и гетерохроматин
Интерфазный хроматин представляет собой хромосомы, утратившие компактную форму. Их петли разрыхляются, заполняя объем ядра. Существует прямая зависимость между степенью деконденсации и функциональной активностью хроматина.
Его участки, полностью "распутанные", называются диффузным или активным хроматином. Он практически не виден в световой микроскоп после окрашивания. Это объясняется тем, что толщина спирали ДНК составляет всего 2 нм. Другое его название - эухроматин.
Это состояние обеспечивает доступ ферментных комплексов к смысловым фрагментам ДНК, их свободное присоединение и функционирование. С диффузных участков считывается РНК-полимеразами структура информационных РНК (транскрибирование) либо происходит копирование самой ДНК (репликация). Чем выше синтетическая активность клетки в данный момент, тем больше доля эухроматина в ядре.
Диффузные участки хроматина чередуются с компактными, скрученными в разной степени зонами гетерохроматина. Из-за большей плотности, окрашенный гетерохроматин хорошо заметен в интерфазных ядрах.
На рисунке изображен хроматин различной степени компактизации:
- 1 - двухцепочечная молекула ДНК;
- 2 - гистоновые белки;
- 3 - ДНК, обернутая вокруг гистонного комплекса на 1,67 оборота, формирует нуклеосому;
- 4 - соленоид;
- 5 - интерфазная хромосома.
Тонкости определения
Эухроматин в конкретный момент времени может быть не задействован в синтетических процессах. В таком случае он временно находится в более компактном состоянии и может быть принят за гетерохроматин.
Настоящий гетерохроматин, его еще называют конститутивным, не несет смысловой нагрузки и деконденсируется только в процессе репликации. ДНК в этих местах содержит короткие повторяющиеся последовательности, не кодирующие аминокислот. В митотических хромосомах они оказываются в области первичной перетяжки и теломерных окончаний. Также они разделяют участки танскрибируемой ДНК, образуя вставочные (интеркалярные) фрагменты.
Как "работает" эухроматин
В состав эухроматина входят гены, определяющие в конечном счете структуру белков (структурные гены). Дешифровка нуклеотидной последовательности в белок происходит при помощи посредника, способного, в отличие от хромосом, покинуть ядро - информационной РНК.
В процессе транскрипции РНК синтезируется на матрице ДНК из свободных адениловых, уридиловых, цитидиловых и гуаниловых нуклеотидов. Транскрипцию осуществляет ферментный комплекс РНК-полимераза.
Некоторые гены определяют последовательность других видов РНК (транспортной и рибосомной), необходимых для завершения в цитоплазме процессов синтеза белка из аминокислот.
Гетерохроматин отдельной хромосомы часто бывает собран в хорошо заметный хромоценр. Вокруг него располагаются петли деспирализованного эухроматина. Благодаря такой конфигурации ДНК ядра, к смысловым частям легко подходят ферментные комплексы и свободные нуклеотиды, необходимые для реализации функций эухроматина.
