Жгутики эукариотических клеток имеют толщину до 200 нм и длину до 100 мкм и больше. Более короткие (обычно 10–20 мкм) жгутики, которых бывает много на одной клетке, называются ресничками. По всей длине жгутика или реснички проходят 20 микротрубочек: 9 периферических дублетов + 2 центральные одиночные. Дублет состоит из 23 протофиламентов – по 10 на каждую микротрубочку + 3 общих в области их соприкосновения. Дублеты имеют парные отростки (разделенные по длине трубочки расстояниями около 17 нм) из удлиненных молекул белка динеина. Эти отростки, похожие на руки (толщиной 2–5 нм и длиной до 10–40 нм), подходят к соседним дублетам.
Динеин, подобно миозину , обладает АТФазной активностью. Освобождаемая энергия используется для активного скольжения отростков из динеина вдоль соседних дублетов из тубулина (аналогичного скольжению миозиновых нитей по актиновым в мышцах). Это приводит к изгибанию жгутиков, так как микротрубочки прочно закреплены у основания.
3.
Образование жгутиков и ресничек
Образование жгутика (или реснички) начинается от базального тельца. Две внутренние микротрубочки каждого триплета удлиняются и образуют дублеты жгутика. Дублеты готовой органеллы оканчиваются в базальном тельце или (что бывает нередко у ресничек) продолжаются в глубь клетки. Обе центральные трубочки заканчиваются или в маленьком аксиальном зерне (аксосоме), или в базальной пластинке.
4.
Роль жгутиков в прокариотической клетке
Жгутики прокариот (бактериальные жгутики) не гомологичны жгутикам эукариотических клеток. Они меньше (диаметр 10–20 нм, длина около 12 мкм) и не имеют трубчатых структур. Они состоят из длинной жгутиковой нити, жгутикового крючка и 2–4 базальных дисков. Нить построена из белка флагеллина (молекулярная масса 40000).
Яйцевидные или клиновидные молекулы этого белка образуют 3-11 субнитей, которые скручиваются в нить.
Внутренний диск встроен в плазматическую мембрану. Он, по-видимому, вращается и приводит во вращение весь жгутик, тогда как наружные диски прочно закреплены в клеточной стенке и служат своего рода подшипниками – единственный пример такого конструктивного принципа у живых организмов.
Вопрос 35. Веретено деления
1.
Образование веретена
При делении ядра между двумя противоположными полюсами клетки образуется так называемое веретено. Оно состоит из нитей (волокон), которые представляют собой пучки из большого числа (иногда более 100) микротрубочек. На каждом полюсе находится центриоль либо с перицентриолярным центром-организатором микротрубочек (у животных), либо аморфным ("полярная шапочка" у большинства растений), либо пластинчатым или слоистым ("веретенные полярные тельца" у многих грибов и некоторых водорослей). Дополнительный центр-организатор – кинетохор – лежит у центромеры каждой хроматиды.
2.
Виды нитей веретена
Различают следующие виды нитей веретена:
• хромосомные (кинетохорные, или тянущие) нити, которые образуются из кинетохора и связывают его с одним из полюсов;
• центральные нити, образующиеся из полярных центров-организаторов и связывающие между собой оба полюса;
• полярные нити, которые образуются только при наличии центриолей в перицентриолярных центрах-организаторах и оканчиваются в цитоплазме.
3.
Механизмы движений нитей
Веретено обеспечивает расхождение хроматид или хромосом к полюсам. Хромосомные нити укорачиваются и тянут центромеры в сторону полюсов; кроме того, у животных центральные нити обычно удлиняются и отодвигают полюса друг от друга. Толщина нитей веретена при этом не изменяется.
Обсуждаются следующие механизмы описанных движений . Активное скольжение нитей веретена при взаимодействии с динеином (сходное с механизмом движения жгутиков).
Есть указания на то, что в аппарате веретена имеется динеиноподобный белок.
Активную роль играют микрофиламенты, которые прикрепляются к нитям веретена и подтягивают с их помощью хроматиды или хромосомы. В аппарате веретена найдены активные нити и миозин. Цитоханазин, дестабилизирующий актиновые нити, способен блокировать действие веретена.
Вопрос 36. Строение клеточного ядра. Нуклеоплазма
1.
Информационный центр клетки
В клеточном ядре – информационном центре клетки – находятся хромосомы, содержащие наследственные задатки в форме ДНК, т. е. генетическую информацию для обмена веществ и развития. Другие носители информации имеют меньшее значение.
Клеточные ядра образуются только из ядер . Репликация ДНК, т. е. удвоение генетической информации, гарантирует идентичность ядер, несмотря на всю сложность их деления.
2.
Функции клетки
Главные функции клеточного ядра следующие :
• хранение информации;
• передача информации в цитоплазму с помощью транскрипции, т. е. синтеза переносящей информацию и-РНК;
• передача информации дочерним клеткам при репликации – делении клеток и ядер.
3.
Расположение и состав ядра
Ядро чаще всего расположено в центре клетки и только у растительных клеток с центральной вакуолью – в пристеночной протоплазме. Оно может быть сферическим, яйцевидным, чечевицеобразным, реже – сегментированным, вытянутым в длину или веретеновидным, а также иной формы. Диаметр ядра варьирует в пределах от 0,5 мкм (у грибов) до 500 мкм (в некоторых яйцеклетках), в большинстве случаев он меньше 5 мкм. Положение, форма и размеры ядра могут изменяться, часто параллельно с изменениями интенсивности метаболизма.
Ядро состоит из нуклеоплазмы, хромосом (хроматина), ядрышек и ядерной оболочки (представляющей собой часть эндоплазматического ретикулума).
4.
Нуклеоплазма
Основная масса клеточного ядра – нуклеоплазма – содержит жидкую часть, ядерный матрикс (нечто вроде опорной сети) и различные включения.
Жидкая часть сходна по составу с соответствующим компонентом цитоплазмы: здесь тоже 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.
Вопрос 37. Хромосомы и их химический состав
1.
Характеристика хромосом
Хромосомы – это вытянутые в длину нуклеопротеидные структуры . Они удваиваются в результате идентичной репродукции перед каждым клеточным делением, а затем распределяются поровну между дочерними клетками. Поэтому каждая отдельная хромосома встречается во всех клетках данного индивидуума в одной и той же форме и несет идентичную информацию.
На протяжении клеточного цикла происходит лишь смена двух физиологических форм:
• транспортной (во время деления ядер; хромосомы компактные, палочковидные или колбасовидные, ясно различимые);
• функциональной (в промежутках между делениями; хромосомы разрыхленные, нитевидные, длинные и неразличимые по отдельности).
2.
Состав хромосом
Хромосомы состоят из хроматина , который содержит около 40 % ДНК, 40 % гистонов, почти 20 % негистоновых хромосомных белков и РНК. Он специфически окрашивается (отсюда и названия – "хромосома, хроматин") реактивами, выявляющими ДНК.
Хромосомы во время деления ядер имеют длину 0,2-20 мкм и вначале состоят из двух лежащих рядом идентичных хроматид, которые потом отделяются друг от друга, причем каждая становится одной из дочерних хромосом. В период между делениями ядра из каждой дочерней хромосомы в результате идентичного удвоения (репликации ДНК) снова образуются две лежащие вместе хроматиды.
3.
Нуклеопротеидная структура
Главный элемент каждой хроматиды – нуклеопротеидная структура, которая, помимо белков, содержит единственную очень длинную двойную спираль ДНК. Эта структура имеет вид закругленной и толстой (15–25 нм) нити – хромонемы, на которой расположены многочисленные округлые (вследствие плотной упаковки ДНК) сильно окрашивающиеся и хорошо видимые хромомеры. Число, положение и величина отдельных хромомер в обеих хроматидах одинаковы и для каждой хромосомы относительно постоянны; это позволяет идентифицировать ту или иную хромосому и отличить ее от других.
В месте первичной перетяжки хромосомы – центромере – обе хроматиды прочно связаны и в определенных фазах ядерного деления согнуты. Во время деления ядра центромера становится местом прикрепления нитей веретена, приводящих хроматиды в движение.
4.
Ядрышковая перетяжка
У некоторых хромосом имеется еще ядрышковая перетяжка . В этом месте хромосома имеет толщину всего 7 нм и мало закруглена, поэтому SAT-зоны не окрашиваются (SAT означает sine acido thymonucleinico, т. е. "без ДНК"). Отделяемый такой зоной короткий участок хромосомы называют сателлитом, а всю хромосому – SAT-хромосомой. Тесно примыкая к ядрышковой перетяжке, часто напротив сателлита, находится организатор ядрышка; это та часть нуклеопротеидной структуры, которая образует ядрышко после разделения ядра.
Между актами деления ядер – в интерфазе – чаще всего нельзя различить отдельных хромосом. Разрыхленный волокнистый хроматин распределен по всему объему ядра. Вероятно, каждая хромосома связана с ядерной оболочкой.
Разрыхление структуры хромосом – необходимое условие для транскрипции, т. е. передачи информации, содержащейся в ДНК, путем образования и-РНК.
Вопрос 38. Эухроматин и гетерохроматин. Хромосомная ДНК
1.
Факультативный гетерохроматин
Во время покоя между актами деления определенные участки хромосом и целые хромосомы остаются компактными. Эти сильно окрашивающиеся участки хроматина называют гетерохроматином, в отличие от эухроматина, который после деления ядра разрыхляется. Гетерохроматин в отношении транскрипции неактивен, а в отношении репликации ДНК ведет себя иначе, чем эухроматин.
Факультативный гетерохроматин бывает гетерохроматичным только временами. Он информативен, т. е. содержит гены; когда он переходит в эухроматическое состояние, эти гены могут становиться доступными для транскрипции. Из двух гомологичных хромосом одна может быть гетерохроматической. Эта факультативная гетерохроматизация тканеспецифична, и в определенных тканях ее не происходит.
2.
Констутивный гетерохроматин
Конститутивный гетерохроматин всегда гетерохроматичен. Он состоит из многократно повторяющихся последовательностей оснований, не информативен (не содержит генов) и поэтому всегда неактивен в отношении транскрипции. Его можно видеть и во время деления ядер; он встречается чаще всего у центромеры, на концах хромосом (включая сателлиты), а также вблизи организатора ядрышка или гена 5S-РНК. Гетерохроматин, прежде всего факультативный , во время интерфазы может объединяться в интенсивно окрашивающийся хромоцентр, который находится в большинстве случаев у края клеточного ядра или ядрышка.
3.
Функциональная единица ДНК
По всей длине каждой хромосомы (или после репликации каждой хроматиды ) проходит непрерывная двойная спираль ДНК, которая у высших организмов состоит более чем из 108 пар оснований. Гены линейно распределены вдоль этой двойной спирали и составляют вместе до 25 % ДНК.
Ген – это функциональная единица ДНК , содержащая информацию для синтеза полипептида или РНК. Средняя длина гена – около 1000 пар оснований. Последовательность оснований в каждом гене уникальна.
4.
Спейсеры
Между генами находятся спейсеры – неинформативные отрезки ДНК различной длины (иногда более 20000 пар оснований), которые имеют значение для регулирования транскрипции соседнего гена.
Транскрибируемые спейсеры купируются при транскрипции вместе с геном, и их комплементарные копии появляются в пре-и-РНК по обе стороны от копии гена. Даже внутри самого гена имеются (только у эукариот и их вирусов) неинформативные последовательности, так называемые интроны, которые тоже транскрибируются. При процессинге все копии интронов и большинство копий спейсеров вырезаются с помощью ферментов.
Нетранскрибируемые спейсеры встречаются между генами для гистонов, а также между генами для r РНК.
Избыточные гены представлены большим числом (до 104 и более) идентичных копий; таковы, например, гены для tРНК, rРНК, 5S-РНК и гистонов, а также для продуктов, синтезируемых в больших количествах. Копии расположены непосредственно друг за другом и разрешены идентичными спейсерами. У морского ежа гены для гистонов Н4, Н2в, Н2а и Н1 лежат друг за другом, и эта генная последовательность повторяется в ДНК больше 100 раз.
5.
Последовательность нуклеотодов в ДНК
Повторяющиеся последовательности – это последовательности нуклеотидов, многократно представленные в ДНК. Умеренно повторяющиеся последовательности – более длинные последовательности длиной в среднем 300 пар нуклеотидов с 102-104 повторениями. К ним относятся избыточные гены, а также большинство спейсеров.
Высокоповторяющиеся последовательности с 105-106 повторениями образуют конститутивный гетерохроматин. Они всегда неинформативны . Это в основном короткие последовательности, в них часто обнаруживается только 2 (например, АТ), чаще всего – 7-10 и лишь редко – свыше 300 пар нуклеотидов. Они группируются вместе, одна повторяющаяся последовательность идет непосредственно за другой. ДНК высокоповторяющегося хроматина называют "сателлитными ДНК" по их поведению при аналитических процедурах фракционирования. Около 75 % всего хроматина не участвует в транскрипции: это высокоповторяющиеся последовательности и нетраснкрибируемые спейсеры.
Вопрос 39. Молекулярная структура хромосом. Набор хромосом
1.
Хроматин
В хромосомах высших растений и животных каждая двойная спираль ДНК (диаметром 2 нм) имеет длину от одного до нескольких сантиметров. В результате многократного закручивания она упакована в хроматиду длиной несколько микрометров.
В изолированном хроматине участки двойной спирали обвиваются вокруг молекул гистонов, так что здесь возникает суперспираль первого порядка. Комплексы ДНК с гистоном называют нуклеосомами; они имеют форму диска или линзы и размеры около 10х10х5 нм. В одну нуклеосому входят 8 молекул гистонов (центральный тетрамер из двух молекул Н3 и двух Н4 и отдельно по два Н2а и Н2в) и участок ДНК (около 140 пар оснований), который образует примерно 1 1/4 витка спирали и прочно связан с центральным тетрамером. Между нуклеосомами лежат участки спирали из 30-100 пар оснований без суперспиральной структуры; здесь связывается гистон Н1.
В нативном хроматине ДНК еще больше укорочена в результате малоизученной дальнейшей спирализации (суперспирали высших порядков), которая, очевидно, фиксируется благодаря гистону Н1 (и некоторым негистоновым белкам).
При разрыхлении эухроматина (переход к интерфазе) некоторые из суперспиралей более высокого порядка раскручиваются, вероятно, в результате конформационных изменений гистонов и ослабления взаимодействий между молекулами Н1. Хроматиновые структуры толщиной 10–25 нм (основные хроматиновые нити или спирали) видны и во время интерфазы.
2.
Транскрибционно-активный хроматин
Транскрипционно-активный хроматин (гены, передающие свою информацию путем синтеза РНК) в результате дальнейшей деспирализации еще больше разрыхляется. По некоторым данным, в соответствующих участках спирали ДНК гистон Н1 или отсутствует, или химически изменен (например, фосфорилирован), Структура нуклеосом также изменяется или полностью разрушается (в генах для rРНК в ядрышке). Двойная спираль в отдельных местах раскручивается. В этих процессах, по-видимому, участвуют определенные негистоновые белки, скапливающиеся в транскрибируемых участках ДНК.
3.
Гаплоидные клетки
Весь фонд генетической информации каждого клеточного ядра – геном – распределен между некоторым постоянным числом хромосом. Это число (n) специфично для данного вида (или подвида). У лошадиной аскариды оно равно 1, у кукурузы – 10, у человека – 23, у водоросли Netrium digitus – около 600. Хромосомы одного набора различаются по величине, картине хромомер, положению перетяжек и содержанию информации.
Гаплоидные клетки содержат одинарный набор хромосом (n), а диплоидные – двойной (2n), так что генетическая информация в последних представлена дважды. В полиплоидных клетках имеется несколько наборов хромосом (4n, 8n, 16n и т. д .). Половые клетки гаплоидны . У высших растений и животных соматические клетки диплоидны и содержат один отцовский и один материнский набор хромосом. Однако в определенных тканях клетки могут быть полипоидными. Последние часто особенно активны в метаболическом отношении; таковы, например, многие клетки печени у млекопитающих. Гаплоидные клетки образуются из диплоидных в результате мейоза, а диплоидные из гаплоидных – в результате оплодотворения.
4.
Полиплоидные клетки
Полиплоидные клетки возникают из диплоидных путем эндомитоза – преждевременно прерванного деления ядра: после полной репликации и разделения хроматид дочерние хромосомы остаются в одном клеточном ядре, вместо того чтобы распределиться между двумя ядрами. Этот процесс может повторяться многократно. Аномалии при образовании половых клеток могут приводить к полиплоидии всего организма. При неполной репликации некоторые части генома, например гетерохроматин, не реплицируются и остаются после эндомитоза диплоидными в отличие от других частей, которые становятся полиплоидными.
Амплификация генов – это многократная сверхрепликация, когда реплицируются только определенные гены, которые становятся полиплоидными (гены для rРНК в ядрышке).
Хромосомы диплоидного ядра могут быть сгруппированы попарно, по две гомологичные хромосомы. Большинство из них (так называемые аутосомы) попарно идентичны. Только две половые хромосомы (гетерохромосомы), определяющие пол особи, у самцов неодинаковы – это хромосомы Х и Y; большую часть последней занимает конститутивный гетерохроматин; у самок имеются две Х-хромосомы (у бабочек, птиц и ряда других животных дело обстоит наоборот: самцы имеют набор ХХ, самки – ХY).
5.
Гиганские хромосомы
Политенные хромосомы (гигантские хромосомы) содержат во много раз больше ДНК, чем обычные. Они не изменяют своей формы на протяжении цикла деления и достигают длины до 0,5 мм и толщины 25 мкм. Они встречаются, например, в слюнных железах двукрылых (мух и комаров), в макронуклеусе инфузорий и в тканях завязи бобов. Чаще всего они видны в гаплоидном числе, так как гомологичные хромосомы тесно спарены.