Общая схема строения ядерных пор. Ядерные поровые комплексы. Уровни компаюпизации хроматина

ПОРЫ

В последнее время достигнуты большие успехи в определении строения пор на молекулярном уровне. Особенно ценным в исследованиях оказался метод реконструкции изображения; с его помощью удалось не только визуализировать отверстия в мембране, создаваемые большими порами, но и выявить симметричную организацию субъединиц вокруг центрального отверстия (табл.2).

Таблица 2. Псевдосимметрия некоторых пор.

Важным исключением из б-спирального семейства являются порины, поскольку они формируют поры из в-слоев, а не с помощью б-спиралей. Поры могут образовываться с помощью эндо- и экзогенных веществ.

ЯДЕРНЫЕ ПОРОВЫЕ КОМПЛЕКСЫ

Ядерная оболочка клеток млекопитающих содержит 3-4 тысячи пор (примерно 10 пор на 1 квадратный мкм). Через ядерные поры происходит обмен веществами между ядром и цитоплазмой. Действительно, РНК, синтезируемые в ядре, а также рибосомные субъединицы и белки, содержащие сигналы ядерного экспорта, транспортируются через ядерные поры в цитоплазму, а гистоны, компоненты репликативной системы, многие другие белки импортируются через ядерные поры из цитоплазмы в ядро. Поры окружены большими кольцевыми структурами, называемыми поровыми комплексами (их внутренний диаметр составляет приблизительно 80 нм, а мол. масса -50-100 млн. Каждый комплекс образован набором больших белковых гранул, сгруппированных в октагональную структуру. Поровой комплекс пронизывает двойную мембрану, связывая по окружности поры липидный бислой внутренней и внешней мембран в единое целое. "Дыра" в центре каждого комплекса (ядерная пора) представляет собой водный канал, сквозь который водорастворимые молекулы курсируют между ядром и цитоплазмой. Ядерный поровой комплекс содержит заполненный водой цилиндрический канал диаметром около 9 нм. Большие ядерные белки взаимодействуют с белками-рецепторами, расположенными на границе ядерных пор, и эти рецепторы активно переносят белки в ядро, увеличивая канал поры.

Количество ядерных пор зависит от типа клетки, стадии клеточного цикла и конкретной гормональной ситуации. Для ядерной поры характерна симметрия восьмого порядка, поэтому многие белки ядерной поры представлены в ее составе в количестве, кратном восьми. В электронный микроскоп видны выпуклые кольца. Кольцо, находящееся с ядерной стороны, несет структуру, называемую корзиной (basket). Это образование состоит из обращенных в нуклеоплазму фибрилл и прикрепленного к ним терминального кольца. К просвету канала обращены восемь симметричных образований (spoke complex). В центре комплекса виден вход в канал ядерной поры. Иногда в канале оказывается видна электронноплотная гранула. Некоторые исследователи полагают, что это какой-то транспортирующийся комплекс в момент пересечения ядерной мембраны. Другие считают, что эта структура является функциональной деталью ядерной поры. На основании этого последнего предположения была даже выдвинута не подтвердившаяся впоследствии гипотеза, согласно которой ядерная пора содержит не один, а восемь проницаемых каналов. Молекулы массой менее 5 кДа, проходят через ядерную пору свободно, и равновесие между ядерной и цитоплазматической концентрацией устанавливается за секунды. Для белков массой 17 кДа этот процесс занимает 2 минуты, белков массой 44 кДа (приблизительно 6 нм) - 30 минут. Белки массой более 60 кДа, по-видимому, вообще не могут пассивно проходить через ядерные поры. Проницаемый для гидрофильных макромолекул канал, через который происходит как активный, так и пассивный транспорт, в ядерной поре один, и он, по всей видимости, расположен в центре комплекса. Существуют специальные механизмы транспорта макромолекул внутрь ядра и из ядра в цитоплазму, однако до сих пор о них мало что известно.

Ядерные поровые комплексы (ЯПК) представляют собой симметричные структуры, расположенные в местах слияния внешней и внутренней ядерной мембран

В клетках человека каждый ЯПК обладает массой около 120 х 10 6 Да, что в 40 раз больше массы рибосомы, и состоит из множества копий молекул, включающих 30 белков

ЯПК содержит филаменты, простирающиеся в цитоплазму, и напоминающие корзину структуры, проникающие в ядро

Ядерный поровой комплекс (ЯПК) ядерной мембраны представляют собой единственные каналы, которые связывают ядро и цитоплазму. В клетках человека ЯПК имеют молекулярную массу около 120 х 106 Да и наружный диаметр порядка 120 нм. Общая масса ЯПК в 40 раз превышает массу эукариотической рибосомы. Комплекс ядерной поры состоит из многих копий примерно 30 разных полипептидов, нуклеопоринов. В противоположность ЯПК, рибосомы содержат по одной копии четырех типов РНК, и около 80 различных полипептидов.

Ядерный поровой комплекс (ЯПК) представляют собой бочкообразные структуры, проходящие через ядерную оболочку и несколько выступающие за пределы обеих мембран, образуя структуры кольцеобразной формы. Как показано на рисунке ниже, для большинства ЯПК характерна симметрия восьмого порядка. Со стороны ядра и цитоплазмы пора выглядит по-разному. Части ЯПК, выступающие в нуклеоплазму и цитоплазму, называются терминальными структурами.

С цитоплазматической стороны ЯПК терминальные структуры представляют собой восемь относительно коротких фибрилл, которые распространяются в цитоплазму на расстояние около 100 нм. Со стороны ядра аналогичные фибриллы образуют кольцо. Эта структура называется ядерная корзина или «верша». У некоторых клеток многоклеточных организмов от ядерной корзины вглубь ядра направляются дополнительные фибриллы. Со стороны цитоплазмы и ядра терминальные структуры являются местами контакта транспортируемых молекул на входе и выходе из ЯПК.

Модели, описывающие строение ядерной поры , были предложены на основании анализа сотен электронных микрофотографий отдельных ЯПК, полученных при высоком разрешении. Для наложения изображений и их анализа использовались математические методы, дающие возможность получить усредненную картину распределения электронной плотности или обобщенную структуру кора ЯПК (этот метод не обеспечивает оптимального разрешения терминальных структур).

На рисунке ниже представлены модели структуры кора ЯПК клеток дрожжей и Xenopus. Размеры клеток S. cerevisiae и других одноклеточных эукариот составляют около 60 х 106 Да - т. е. вполовину меньше, чем размеры ЯПК многоклеточных организмов. Однако, несмотря на разницу в размерах, их общее строение одинаково. Размер центрального канала поры, а также его транспортные свойства у Metazoa и дрожжей также одинаковы. В настоящее время наилучшие изображения ЯПК получены методом криоэлектронной микроскопии.

Как показано на рисунке ниже, при любом расположении ЯПК происходит слияние наружной и внутренней мембран ядра. Мы не знаем, каким образом это происходит, но, скорее всего, слияние является интегральной частью процесса сборки ЯПК в ядерной оболочке. Комплексы закрепляются в оболочке с помощью интегральных мембранных белков, которые являются частью основной структуры. Эти белки проходят в перинуклеарное пространство. ЯПК проникают в ядерную ламину и также скрепляются с ней.

Обобщенная модель ЯПК , построенная по данным многих исследований, предполагает, что ядерная пора состоит из нескольких кольцевых и напоминающих спицы структур. Эти структуры сложным образом соединены между собой. ЯПК состоят из модульных компонентов. С помощью сканирующего электронного микроскопа можно наблюдать различные структуры, которые подтверждают эту точку зрения. Основываясь на полученных данных, предложена модель, описывающая сборку модульных структур. Однако пока мы не можем проверить, действительно ли они соединены таким образом. Мы также очень мало знаем о процессе сборки ЯПК.

Фиксация клеток позволяет наблюдать этапы продвижения материалов по каналу ЯПК . При исследовании препаратов в электронном микроскопе часто видно, что полость центрального канала заполнена плотной средой. Относительно состава этой среды существуют различные точки зрения. Согласно одной из них, среда представляет собой часть ЯПК, которая наиболее прочно связывается с карго, транспортируемым через канал. Поэтому для ее обозначения используют термин транспортер или втулка. Альтернативная точка зрения предполагает, что в действительности электронноплотный материал является комплексом карго с рецептором. На основании исследований, проведенных с помощью электронного микроскопа с высоким разрешением, этот материал, по-видимому, характеризуется различными размерами и переменной локализацией в канале ЯПК, что более совместимо с точкой зрения о том, что он состоит из комплексов карго-рецептор.

В некоторых клетках ЯПК находятся не только в ядерной оболочке, но также в структурах, называемых окончатыми мембранами, которые представляют собой стопки двойных мембран, содержащих ЯПК и расположенных в цитоплазме. Часто ЯПК в слоях окончатых мембран располагаются так, как показано на рисунке ниже. Обычно окончатые мембраны присутствуют в ооцитах беспозвоночных и позвоночных, однако могут наблюдаться также и в других типах клеток. Происхождение и функции их остаются неизвестными.

Ядерный поровой комплекс (ЯПК ) клеток млекопитающих трудно отделить от ядерной оболочки, поскольку они обычно связаны с ламиной, представляющей собой нерастворимую структуру, и поэтому являются неудобным объектом исследования. Поскольку окончатые мембраны не имеют подстилающей ламины, они представляют собой ценный источник выделения ЯПК для последующих биохимических и цитологических исследований. Вероятно, ЯПК окончатых мембран имеют такое же строение и состав, как и комплексы пор ядерной оболочки.

Ядерные поры являются одним из наиболее важных внутриклеточных компонентов, так как они участвуют в молекулярном транспорте. Несмотря на достижения в биологических исследованиях, не все вопросы, касающиеся этих структур, изучены полностью. Некоторые ученые считают, что по значимости функций и сложности строения комплекс ядерных пор можно отнести к органеллам клеток.

Ядерная оболочка

Характерной особенностью является наличие ядра, которое окружено оболочкой, отделяющей его от цитоплазмы. Мембрана состоит из двух слоев - внутреннего и наружного, соединенных между собой с помощью большого количества пор.

Значение ядерной оболочки очень велико - она позволяет отграничить процессы синтеза белка и нуклеиновых кислот, необходимых для регулирования функциональной активности генов. Мембрана управляет процессом транспортировки веществ внутрь, в цитоплазму, и в обратном направлении. Также она является скелетной структурой, поддерживающей форму ядра.

Между наружной и внутренней мембраной находится перинуклеарное пространство, ширина которого составляет 20-40 нм. Внешне ядерная оболочка выглядит как двухслойный мешок. Наличие пор в ее строении является существенным отличием данной структуры от аналогичных, имеющихся у митохондрий и пластид.

Строение ядерных пор

Каналы представляют собой перфорации диаметром около 100 нм, проходящие через всю ядерную оболочку. В поперечном сечении они характеризуются формой многоугольника, обладающего симметрией восьмого порядка. Проницаемый для веществ канал находится в центре. Он заполнен сложно организованными глобулярными (в виде клубка) и фибриллярными (в форме закрученной нити) структурами, образующими центральную гранулу-«пробку» (или транспортер). На рисунке ниже можно наглядно изучить, что представляет собой ядерная пора.

Микроскопическое исследование данных структур показывает, что они имеют кольчатое строение. Фибриллярные выросты простираются как наружу, в цитоплазму, так и внутрь, в сторону ядра (филаменты). Последние образуют своеобразную корзинку (в зарубежной литературе называемую «баскет»). В пассивной поре фибриллы корзины закрывают канал, а в активной - формируют дополнительное образование диаметром порядка 50 нм. Кольцо со стороны цитоплазмы состоит из 8 гранул, соединенных между собой, как бусы на нитке.

Совокупность этих перфораций в оболочке ядра носит название комплекса ядерных пор. Тем самым биологи подчеркивают взаимосвязь между собой отдельных отверстий, работающих как единый слаженный механизм.

Внешнее кольцо связано с центральным транспортером. У низших эукариотов (лишайники и другие) нет цитоплазматического и нуклеоплазматического колец.

Особенности структуры

Строение и функции ядерных пор имеют следующие особенности:

• Каналы представляют собой многочисленные копии порядка 30-50 нуклеопоринов (а всего - около 1000 белков).
• Масса комплексов находится в пределах от 44 МДа у низших эукариотов до 125 МДа у позвоночных животных.
• У всех организмов (человека, птиц, рептилий и других животных) во всех клетках эти структуры устроены аналогичным образом, то есть поровые комплексы являются строго консервативной системой.
• Компоненты ядерных комплексов имеют субъединичное строение, благодаря которому они обладают высокой пластичностью.
• Диаметр центрального канала варьируется в пределах 10-26 нм, а высота порового комплекса - порядка 75 нм.

Удаленные от центра участки ядерных пор несимметричны. Ученые связывают это с различными механизмами регулирования транспортной функции на начальных этапах развития клетки. Предполагается также, что все поры являются универсальными структурами и обеспечивают перемещение молекул как в цитоплазму, так и в обратном направлении. Ядерные поровые комплексы присутствуют и в других компонентах клетки, обладающих мембранами, но в более редких случаях (ретикулум, окончатые мембраны цитоплазмы).

Количество пор

Основным фактором того, от чего зависит количество ядерных пор, является активность обмена веществ в клетке (чем она выше, тем больше число канальцев). Их концентрация в толще мембраны может изменяться в несколько раз в различные периоды функционального состояния клеток. Первое увеличение числа пор происходит после деления - митоза (во время реконструкции ядер), а затем в период роста ДНК.

У разных видов животных их количество отличается. Оно зависит также от места взятия образца. Так, в человека их насчитывается порядка 11 шт./мкм 2 , а в несозревшей яйцеклетке лягушки ксенопус - 51 шт./мкм 2 . В среднем их плотность варьирует в пределах 13-30 шт./мкм 2 .

Распределение ядерных пор по поверхности оболочки является практически равномерным, но в местах сближения вещества хромосом с мембраной их концентрация резко уменьшается. У низших эукариотов под ядерной мембраной нет фибриллярной сети жесткой структуры, поэтому поры могут перемещаться вдоль ядерной оболочки, и их плотность на различных участках значительно варьирует.

Функции

Главной функцией ядерного порового комплекса является пассивная (диффузионная) и активная (требующая энергетических затрат) передача молекул через мембрану, то есть обмен веществ между ядром клетки и цитоплазмой. Этот процесс жизненно важен и регулируется тремя системами, которые находятся в постоянном взаимодействии друг с другом:

• комплекс биологически активных веществ-регуляторов в ядре и цитоплазме - импортин α и β, Ran-белок, гуанозинтрифосфат (пуриновый нуклеотид) и другие ингибиторы и активаторы;
• нуклеопорины;
• структурные компоненты порового ядерного комплекса, которые способны изменять свою форму и обеспечивать перенос веществ в нужном направлении.

Из цитоплазмы через ядерные поры поступают белки, необходимые для функционирования ядра, а в обратном направлении выводятся различные формы РНК. Поровый комплекс не только осуществляет чисто механическую транспортировку, но и служит сортировщиком, «узнающим» определенные молекулы.

Пассивная передача происходит для тех веществ, молекулярная масса которых невысока (не больше 5∙10 3 Да). В ядро свободно поступают такие вещества, как ионы, сахара, гормоны, нуклеотиды, аденозинтрифосфорная кислота, участвующая в обмене энергии. Максимальный размер белков, которые могут проникнуть через поры в ядро, - 3,5 нм.

Во время синтеза дочерней молекулы ДНК транспортировка веществ достигает пика активности - по 100-500 молекул через 1 ядерную пору за 1 мин.

Белки пор

Элементы каналов имеют белковую природу. Белки этого комплекса носят название нуклеопоринов. Они собраны примерно в 12 субкомплексах. Условно их делят на три группы:

• соединения со специфическими повторяющимися последовательностями, узнаваемые биохимическими факторами;
• не обладающие последовательностями;
• которые находятся в участке мембраны, формирующей пору, или в самой поре в пространстве между слоями ядерной оболочки.

Исследованиями установлено, что нуклеопорины способны образовывать довольно сложные комплексы, включающие до 7 белков, а также принимают непосредственное участие в транспорте веществ. Некоторые из них могут непосредственно связываться с перемещаемыми через ядерную пору молекулами.

Экспорт веществ в цитоплазму

Одна и та же пора может принимать участие как в выводе, так и в импорте веществ. Обратного перевода РНК из цитоплазмы в ядро не происходит. Ядерные комплексы узнают сигналы для экспорта (NES), которые несут в себе рибонуклеопротеины.

NES-последовательность сигнальных веществ представляет собой сложный комплекс из аминокислот и белков, которые после выведения из ядра в цитоплазму диссоциируют (распадаются на отдельные составляющие). Поэтому аналогичные частички, введенные в цитоплазму искусственным путем, обратно в ядро не проникают.

Процесс митоза

При делении (митозе) клетки происходит «разборка» ядерного порового комплекса. Так, комплексы с молекулярной массой 120 мДа распадаются на субкомплексы по 1 мДа. После окончания деления они снова собираются. При этом ядерные поры перемещаются не отдельно, а массивами. Это является одним из доказательств того, что ядерный поровый комплекс - слаженная система.

Разрушенная мембрана превращается пузырьковое скопление, которое окружает область ядра в периоде интерфазы. В метафазе, когда хромосомы удерживаются в экваториальной плоскости, эти элементы оттесняются к периферийным зонам клетки. В конце анафазы данное скопление начинает контактировать с хромосомами и запускается рост зачатков ядерной мембраны.

Пузырьки превращаются в вакуоли, которые постепенно обволакивают хромосомы. Затем они сливаются и отгораживают новое интерфазное ядро от цитоплазмы. Поры появляются уже на самой ранней стадии, когда еще не произошло замыкание оболочек.

Поверхностный аппарат : ядерная оболочка с поровым комплексом и ламина.

Ядерная оболочка образована наружной и внутренней ядерными мембранами , между которыми перинуклеарное пространство. Наружная переходит во внутреннюю в области ядерных пор. Наружная мембрана переходит в мембраны ЭПР, а перинуклеарное пространство таким образом оказывается связанным с полостью каналов и цистерн ЭПР.

Поровый комплекс представляет собой 2 кольца из 8 белковых глобул, расположенных по краю порового отверстия- в области слияния наружной и внутренней мембран. В центре поры может быть видна центральная гранула. Поровый комплекс представляет собой надмолекулярную структуру. Они обладают собственными рецепторами, аппаратом, регулирующим направление, способ и интенсивность транспорта через пору.

Ламина - плотная пластинка, примыкающая к внутренней мембране ядерной оболочки. Представляет собой густую сеть белковых фибрилл. Ламина способствует поддержанию формы ядра, выполняет функцию упорядочения расположения интерфазных хромосом, связана с цитоскелетом и играет важную роль в поддержании порового комплекса.

55. Структура ядрышка. Ядрышко – источник рибосом. Строение рибосом. Амплификация ядрышек.

Ядрышко- представляет собой структуру в которой происходит образование рибосомальных единиц. Здесь находятся участки ДНК, содержащие многочисленные одинаковые гены рРНК. В метафазных хромосомах эти участви(ядрышковые организаторы) локализованы в области вторичной перетяжки. У человека они находятся в 13,14,15,21,22 хромосомах. Кроме того, гены рРНК находятся также в 1 паре хромосом.

Различают фибриллярный и гранулярный компоненты ядрышка. Фибриллярная зона содержит ДНК, рРНК, а гранулярная часть-зона со зрелыми субъединицами рибосом.

В клетках эукариот существует 2 разновидности рибосом: рибосомы цитоплазмы (80S) и рибосомы, находящиеся в митохондриях и пластидах (50-80S)

Рибосомы состоят из двух субъединиц большой и малой. Малая субъединица рибосомы удерживает мРНК и тРНК, а большая катализирует образование пептидной связи. В состав субъединиц входят рРНК и белки (преимущественно глобулярные). Большая субъединица рибосомы состоит из 3 молекул рРНК и 50 белков, а малая из 1 молекулы рРнк и 30 белков. Субъединицы рибосом собираются в ядрышке и через ядерные поры выходят в цитоплазму, где находятся в диссоциированном состоянии. 2 субъединицы образуют комплекс- рибосому только при осуществлении синтеза полипептида на иРНК(процесс трансляции). Если к иРНК прикрепляется множество рибосом, то такой комплекс называется полисомой.

Амплификация .

Обычно число генов рРНК постоянно на геном, оно не меняется в зависимости от уровня транскрипции этих генов. Так у клеток с высоким уровнем метаболизма число генов рРНК точно такое же как и число у клеток , полностью прекративших синтез рибосом. При репликации ДНК в S-периоде происходит и удвоение числа генов рРНК, поэтому их количество коррелирует с плоидностью клетки.

Однако существуют случаи, когда гены рРНК подвергаются избыточной репликации. 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 .

56. Ядро – система хранения, воспроизведения и реализации генетический информации.

Клеточное ядро отделено от содержимого клетки оболочкой. Функции ядра состоят в хранении наследственного материала (ДНК), его воспроизводстве (репликация ДНК) с целью передачи в ряду клеточных поколений (митоз), а также в реализации наследственной информации в ходе биосинтеза белка в жизнедеятельности клетки (транскрипция, процессинг пре-РНК транскриптов). В нем образуются структурные элементы - большая и малая субъединицы - цитоплазматических органелл рибосом, на которых в цитоплазме происходит образование полипептидов (простых белков).
В ядре выделяют ядерную оболочку, ядерный матрикс, ядрышко, хромосомы (хроматин), ядерный сок.

В ядре сосредоточена большая часть ДНК эукариотической клетки - 90%. Она распределена между ядерными структурами – хромосомами. Морфология хромосом меняется по стадиям клеточного цикла. При вхождении клетки в митоз материал хромосом приобретает плотную упаковку (митотическая форма),а вне митоза - рыхлую (интерфазная форма). хроматин- вещество хромосомы, а его состав и плотность упаковки различаются по длине хромосомы в зависимости от стадии это го цикла.

Хромосомы во взаимодействии с внехромосомными механизмами обеспечивают:
хранение генетической информации;
использование этой информации для воспроизводства и поддержания клеточной организации и функций;
регуляцию считывания (транскрипция) наследственной информации;
удвоение (репликация, самокопирование) генетического материала материнских клеток перед клеточным делением;
передачу этого материала дочерним клеткам в процессе митоза. Первую из этих функций хромосома выполняет в обеих структурных формах - митотической и интерфазной , следующие три функции - в интерфазной форме, последнюю - в митотической форме.

Хромосомная организация наследственного материала эукариот создает условия для тонкой регуляции генетических функций, репаративных процессов, минимизирующих объем нарушений молекулярной структуры ДНК, а также для рекомбинации ДНК в ходе мейоза при образовании половых клеток (см. кроссинговер, комбинативная геноти-пическая изменчивость).

Рис. 2.8.Структура клеточного ядра (схема): 1 - ядерная оболочка (две мембраны - внешняя и внутренняя, и перинуклеарное пространство); 2 - ядерная пора; 3 - конденсированный хроматин; 4 - диффузный хроматин; 5 - ядрышко (гранулярный и фибриллярный компоненты, в центральных светрых зонах находится р-ДНК); 6 - интерхроматиновые гранулы (РНП); 7 - перихрома-тиновые гранулы (РНП); 8 - перихроматиновые фибриллы (РНП); 9 - кариоплазма, ядерный сок

57. Организация эу- и гетерохроматина. Структура и химия хроматина.

В ядре сосредоточена большая часть ДНК эукариотической клетки - 90%.в составе хромосом. Материал хромосом - совокупность глыбок, зерен и волоконец – хроматина.
Химический состав хроматина (хромосом) эукариотической клетки
Большая часть объема хромосом представлена ДНК и белками. Заметные химические компоненты хромосом - РНК и липиды. Среди белков (65% массы хромосом) выделяют гистоновые (60-80%) и не-гистоновые. Также присутствуют полисахариды, ионы металлов (Ca, Mg) и др. Особое место среди хромосомных белков принадлежит гистонам. В составе нуклеогистонового комплексаДНК менее доступна ферментам нуклеазам, вызывающим ее гидролиз (функция защиты). Гистоны выполняют структурную функцию, участвуя в процессе компактизации хроматина. Гистоновые белки представлены пятью видами (фракциями): Н1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4.
Число ядерных негистоновых белковпревышает несколько сотен. Они удерживают «открытую» конфигурацию хроматина, «разрешающую» доступ к биоинформации ДНК , то есть ее транскрипцию.
К категории «временных» относятся цитозольные белки-рецепторы (функционально-транскрипционные факторы), захватывающие сигнальные молекулы, в комплексе с которыми они проникают в ядро и их активируют.
РНК хромосомпредставлена продуктами транскрипции, еще не покинувшими место синтеза, - непосредственный продукт транскрипции генов или пре-и(м)РНК, пре-рРНК, пре-тРНК транскрипты. Некоторые виды РНК «временного внутриядерного пребывания» создают условия для основного процесса, выполняя сигнальную функцию. Так, репликация ДНК требует для своего начала образуемой «на месте» РНК-затравки (РНК-праймер), которая по завершении процесса разрушается здесь же в ядре.
В зависимости от степени компактизации материал интерфазных хромосом представлен эухроматином и гетерохроматином. Эухроматин - низкая степень компактизации и неплотная «упаковка» хромосомного материала. Эухроматин представлен, в основном, ДНК с уникальными последовательностями нуклеотидов. Гены из эухроматизированного участка хромосомы, оказавшись в гетерохроматизированномучастке или рядом с ним, обычно инактивируются.
Гетерохроматинотличается высокой степенью компактизации, то есть плотной «упаковкой» материала хромосомы. Большая его часть представлена умеренно или многократно повторяющимися нуклеотидными последовательностями ДНК. К первым относятся мультикопийные гены гистонов, рибосомных и транспортных РНК.

58. Уровни структурной организации хроматина. Компактизация хроматина.
На протяжении клеточного цикла хромосома сохраняет структурную целостность благодаря компактизации-декомпактизации (конденсация-деконденсация)хромосомного материала – хроматина. Вследствие компактизации при переходе хромосом из интерфазной формы в митотическую суммарный линейный показатель сокращается примерно в 7-10 тыс. раз.
Таблица 2.1.Последовательные уровни компактизации хроматина.
В образовании нуклеосомной нити ведущая роль принадлежит гистонам Н2А, Н2В, Н3 и Н4. Они образуют белковые тела или коры,состоящие из восьми молекул. Молекула ДНК комплексуется с белковыми корами, спирально накручиваясь на них-биспирали. Свободную от контакта с корами ДНК наз линкерной(связующая).Отрезок ДНК + белк кор = нуклеосома. Благодаря нуклеосомам в промоторных участках ДНК заблокированы области инициации (начала) транскрипции. Для того чтобы инициаторный комплекс возник, нуклеосомы должны быть «вытеснены» из соответствующих фрагментов ДНК.
Образование хроматиновой фибриллы диаметром 30 нм (второй уровень компактизации) происходит с участием гистона Н1, который, связываясь с линкерной ДНК , скручивает нуклеосомную нить в спираль.
На следующем петельно-доменном -укладка фибриллы диаметром 30 нм в петли. В этом процессе активная роль отводится негистоновым белкам. Основания петель «заякорены» в ядерном матриксе. Петля содержит от одного до нескольких генов(петельный домен).
На следующем уровне компактизации «сложенные» фибриллы превращаются в метафазные хроматиды (хромосомы будущих дочерних клеток).
Максимальная степень компактизации достигается на пятом уровне в структурах, известных как метафазные хромосомы с диаметром 1400 нм. Такая структура обеспечивает оптимальное решение задачи транспортировки генетического материала в дочерние клетки в анафазе митоза.
59. Динамика хромосомного материала в клеточном цикле.

60. Механизмы поддержания постоянства кариотипа поколений организмов и клеток.
У организмов, размнож-ся бесполым путем, новое поколение появл в рез-те митоза, обеспеч таким образом сохранение постоянной стр-ры наследственного материала в ряду поколений клеток и орг-мов.

Рис. 3.70. Сравнение первого мейотического (редукционного) деления с митозом Профаза - спирализация хромосом, начало формирования веретена деления ; в мейозе, кроме того, происходит конъюгация гомологичных хромосом с образованием бивалентов; метафаза - в митозе в экваториальной плоскости веретена деления располагаются отдельные хромосомы числом 2n , в мейоэе в плоскости экватора выстраивается п бивалеитов; анафаза -в митозе в результате расщепления центромер дочерние хромосомы (бывшие сестринские хроматиды) расходятся к разным полюсам (по 2n к каждому полюсу), в мейозе разрушаются бивалеиты и гомологи расходятся к разным полюсам (по одному из каждой лары); формируется гаплоидный набор хромосом; телофаза-в митозе формируются ядра дочерних клеток, в мейозе телофаза сокращена во времени, так как не происходит полной деспирализации хромосом и клетки сразу переходят ко второму делению. Результаты митоза - сохранение в дочерних клетках диплоидного набора хромосом (2n 2с ); результаты первого мейотического деления-образование клеток с гаплоидным набором двунитчатых хромосом (п2с )

При половом размножении процесс осущ с помощью гамет, вступающих в оплодотворение. При оплодотворении наследственный материал двух родительских гамет сливается, образуя генотип организма нового поколения - зиготы. Чтобы потомки получили соответствующую программу для развития видовых и индивидуальных характеристик, они должны обладать кариотипом, которым располагало предыдущее поколение. Постоянство кариотипа в ряду поколений достигается уменьшением вдвое набора хромосом в гаметах, кот восстан до диплоидного при их оплодотворении: п + п = 2n.
Образование гаплоидных гамет осущ в ходе гаметогенеза путем мейоза. При мейозе из клеток с диплоидным набором In образуются гаметы с гаплоидным набором хромосом п . Благодаря тому, что после однократного удвоения ДНК клетка делится дважды. В отличие от митоза в первом мейотическом делении в результате конъюгации гомологичные хромосомы объединяются в пары - биваленты. Последующее расхождение гомологов к разным полюсам веретена деления - гаплоидный набор хромосом: 2n 4с → п 2с. В ходе второго мейотического деления сестринские хроматиды каждой хромосомы, как и в митозе, распределяются между дочерними клетками с наследственным материалом пс .
Рис. 3.71. Схема второго (эквационного) деления мейоза:
I - кл, обр в рез-те 1-го мейотического деления=двунитчатых хром (n 2c );
II - кл, обр после 2-го деления мейоза и несущ гаплоидный набор однонитчатых хром (nc )
Благодаря особенностям мейоза образуются клетки, несущ полноценный геном , в кот каждая группа сцепления представлена в единственном экземпляре (гаплоидный набор хромосом).
Сперматозоиды, проникая в яйцеклетку, вводят в нее свой ядерный наследственный материал, заключенный в гаплоидном наборе хромосом. Ядра гамет сливаются = диплоидное ядро зиготы, в кот каждая группа сцепления представлена в двойном экземпляре - отцовской и материнской хромосомами. Таким образом, мейоз и последующее оплодотворение обеспечивают сохранение у нового поколения организмов диплоидного кариотипа, присущего всем особям данного вида.

61. Жизненный цикл клетки и его периоды.

1. Пресинтетический или постмитотический (G1) период наступает сразу же после митотического деления клетки и характеризуется активным ростом клетки и синтезом белка и РНК, благодаря чему клетка достигает нормальных размеров и восстанавливает необходимый набор органелл. G1 -период длится от нескольких часов до нескольких дней. В течение этого периода синтезируются особые "запускающие" белки, или активаторы S-периода. Они обеспечивают достижение клеткой определенного порога (точки R - рестрикции или ограничения), после которого она вступает в S-период.
Контроль, осуществляемый на уровне точки R (при переходе из G1 в S), ограничивает возможность нерегулируемого размножения клеток. Проходя эту точку, клетка переключается на последующую регуляцию внутренними факторами клеточного цикла, которая обеспечивает закономерное завершение ее деления.
Если клетка не достигает точки R, она выходит из цикла и вступает в период репродуктивного покоя (G0) для того, чтобы (в зависимости от причин остановки):

Дифференцироваться и выполнять свои специфической функции

Выжить в условиях недостаточности питательных веществ или факторов роста

Осуществить репарацию поврежденной ДНК. Клетки одних тканей при соответствующей стимуляции вновь способны возвращаться из периода (G0) в клеточный цикл, других - утрачивают эту способность по мере дифференцировки

Реконструкция ядерной поры.

Ядерные поры - это не просто перфорации, а сложно устроенные, многофункциональные регулируемые структуры, организованные приблизительно 30 белками - нуклеопоринами . Белковая составляющая ядерной поры обозначается термином «комплекс ядерной поры» (англ., nuclear pore complex, NPC). Масса комплекса ядерной поры колеблется в пределах от ~44 МДа в клетках дрожжей до ~125 МДа у позвоночных .

По данным электронной микроскопии , ядерные поры в поперечном сечении имеют форму «восьмиспицевого тележного колеса», то есть имеют ось симметрии восьмого порядка. Эти данные подтверждает тот факт, что молекулы нуклеопоринов присутствуют в составе ядерной поры в количестве, кратном восьми. Проницаемый для молекул канал располагается в центре структуры. Комплекс ядерной поры заякорен на ядерной оболочке с помощью трансмембранной части, от которой к просвету канала обращены структуры, получившие название спиц (англ., spokes), по аналогии со спицами тележного колеса. Эта коровая часть поры, построенная из восьми доменов , с цитоплазматической и ядерной сторон ограничена соответственно цитоплазматическим и ядерным кольцами (англ., rings; у низших эукариот они отсутствуют). К ядерному кольцу прикреплены белковые направленные внутрь ядра тяжи (ядерные филаменты , англ., filaments), к концам которых крепится терминальное кольцо (англ., terminal ring). Вся эта структура носит название ядерной корзины (англ., nuclear basket). К цитоплазматическому кольцу также прикреплены направленные в цитоплазму тяжи - цитоплазматические филаменты . В центре ядерной поры видна электрон-плотная частица, «втулка» или транспортер (англ., plug).

Физические размеры ядерной поры высших эукариот. Вид сверху и сбоку.

Свойства ядерных пор

Количество ядерных пор на одно ядро может колебаться от 190 у дрожжей , 3000-5000 в клетках человека , до 50 млн в зрелых ооцитах шпорцевой лягушки (Xenopus laevis ). Этот показатель может также варьировать в зависимости от типа клетки, гормонального статуса и стадии клеточного цикла . Например, в клетках позвоночных количество ядерных пор удваивается на протяжении S фазы, одновременно с удвоением хромосом . При разборке ядерной оболочки во время митоза ядерные поры позвоночных распадаются на субкомплексы с массами около миллиона дальтон . Показано, что разборка комплекса ядерной поры инициируется циклин B-зависимой киназой , фосфорилирующей нуклеопорины. После завершения клеточного деления ядерные поры собираются de novo . Ядерные поры интерфазного ядра перемещаются большими массивами, а не независимо друг от друга, причем эти перемещения происходят синхронно с перемещениями ядерной ламины . Это служит доказательством того, что ядерные поры механически связаны между собой и формируют единую систему (англ., NPC network).

Нуклеопорины

Нуклепорины, белки из которых постоены ядерные поры, делят на три подгруппы. К первой относят трансмембранные белки, заякоривающие комплекс в ядерной оболочке . Нуклепорины второй группы содержат характерный аминокислотный мотив - несколько раз повторенные FG, FXFG или GLFG - последовательности (так называемые FG-повторы , где F - фенилаланин , G - глицин , L - лейцин , X - любая аминокислота). Функция FG-повторов, по-видимому, заключается в связывании транспортных факторов, необходимых для осуществления ядерно-цитоплазматического транспорта. Белки третьей подгруппы не имеют ни мембранных доменов, ни FG- повторов, наиболее консервативны среди всех нуклеопоринов, их роль, по-видимому, заключается в обеспечении связывания FG-содержащих нуклепоринов с трансмембранными. Нуклеопорины также отличаются по своей мобильности в составе ядерной поры. Некоторые белки связаны с конкретной порой на протяжении всего клеточного цикла , в то время как другие полностью обновляются всего за несколько минут.

Ядерно-цитоплазматический транспорт

Ядерно-цитоплазматическим транспортом называется материальный обмен между ядром и цитоплазмой клетки . Ядерно-цитоплазматический транспорт можно разделить на две категории: активный транспорт , требующий затрат энергии, а также специальных белков-рецепторов , и пассивный транспорт , протекающий путем простой диффузии молекул через канал ядерной поры.

Пассивный транспорт

Молекулы небольших размеров (ионы , метаболиты , мононуклеотиды и т. д.) способны пассивно диффундировать в ядро. Проводимость ядерных пор для молекул разных размеров различна. Белки массой менее 15 кДа быстро проникают в ядро, в то время как для белка массой более 30 кДа на это требуется определенное время. Белковые молекулы массой более 60-70 кДа, по-видимому, вообще не могут пассивно проходить через ядерные поры. Впрочем, пропускная способность ядерных пор для пассивной диффузии может изменяться в зависимости от типа клетки и стадии клеточного цикла.

Активный транспорт

Цикл Ran.
1. Транслокация Ran-ГТФ в цитоплазму в комплексе с транспортинами. 2. Гидролиз ГТФ. Собственная ГФАзная активность Ran активируется цитоплазматическим белком RanGAP. 3. Ran-ГДФ реимпортируется в ядро при участии белка NTF2. 4. ГДФ в активном центре Ran заменяется на ГТФ под действием ядерного белка RCC1 (фактора обмена нуклеотидов).

Пропускная способность ядерной поры для активного транспорта значительно выше. Так рибосомные субчастицы размерами до нескольких мегадальтон транспортируются из ядра в цитоплазму через ядерные поры, и нет никаких оснований предполагать, что процесс транспорта сопровождается частичной разборкой этих субчастиц. Системы активного транспорта обеспечивают весь макромолекулярный обмен между ядром и цитоплазмой. Молекулы РНК, синтезируемые в ядре, поступают через поры в цитоплазму, а в ядро попадают белки участвующие в ядерном метаболизме. Причем одни белки должны поступать в ядро конститутивно (например, гистоны), а другие в ответ на определенные стимулы (например, транскрипционные факторы). У ядерных белков идентифицированы специальные последовательности, отвечающие за их локализацию. Самая распространенная из них, так называемый «классический» сигнал ядерной локализации - NLS (от англ., N uclear L ocalization S ignal), представляет собой один или два участка положительно заряженных аминокислот , аргинина и лизина . Транслокация белков в ядро, в отличие от транслокации в митохондрии и эндоплазматический ретикулум , не сопровождается отщеплением этой сигнальной последовательности и разворачиванием полипептидной цепи. NLS-содержащие белки, как и все другие субстраты систем ядерного транспорта, переносятся в ядро в комплексе со специальными белками - транспортинами или кариоферинами (англ., transportins, karyopherins). Каждый транспортин или комплекс транспортинов для осуществления своей функции должен обладать тремя активностями: во-первых, он должен узнавать и связывать транспортируемый субстрат, во-вторых, заякориваться на ядерной поре, и в-третьих, связывать небольшой белок - GTPазу Ran, относящуюся к семейству Ras-подобных ГТФаз и служащую для сопряжения транспорта с гидролизом ГТФ , что придает процессу необратимость (снабжает его энергией). Собственно акт гидролиза ГТФ осуществляется непосредственно этим белком. Фактор обмена нуклеотидов (англ., G TPase Е xchange F actor, GEF) для Ran, хроматин-связывающй белок RCC1, локализован строго в ядре, а активаторы ГТФазной активности (англ., G TPase A ctivation P rotein, GAP) RanGAP1 и некоторые другие белки - строго в цитоплазме. Эта асимметричная локализация приводит к формированию градиента: в ядре находится преимущественно ГТФ-связанная форма Ran, в цитоплазме, наоборот, ГДФ-связанная. Ran используется для снабжения энергией как процессов импорта, так и процессов экспорта различных субстратов, а вся схема носит название Ran-цикла (англ., Ran-cycle). Ran-цикл снабжает энергией и экспорт, и импорт, используя общий принципиальный механизм, ключевыми стадиями которого являются гидролиз ГТФ в цитоплазме и обмен ГДФ на ГТФ в ядре.

Схема импорта белков в ядро.
1. Образование комплекса груз-рецептор (импортин). 2. Заякоривание комплекса на белках ядерной поры и собственно транслокация. 3. Диссоциация комплекса груз-импортин под воздействием Ran-ГТФ, высвобождение груза, образование комплекса Ran-ГТФ-импортин. 4. Реэкспорт образовавшегося комплекса в цитоплазму. 5. Гидролиз ГТФ и диссоциация комплекса.

Механизм импорта белков в ядро

Рассмотрим механизм поступления субстратов в ядро на примере импорта NLS-содержащих белков. Первой стадией транспортировки является узнавание субстрата транспортинами, в данном случае комплексом импортинов-α/β (транспортины участвующие в транспорте в ядро называются импортинами, а из ядра - экспортинами). Затем образовавшийся комплекс заякоривается на белках ядерной поры с цитоплазматической стороны и транслоцируется через канал в ядро, где с ним связывается Ran-ГТФ, что вызывает диссоциацию комплекса и высвобождение груза. После чего импортины в комплексе с Ran-ГТФ направляются обратно в цитоплазму, где Ran под действием RanGAP1 гидролизует ГТФ (ГТФ => ГДФ + PO 4 3-). Комплекс Ran-ГДФ-импортины α/β нестабилен и диссоциирует. Ran-ГДФ поступает обратно в ядро при помощи собственного переносчика, димерного белка NTF2. В ядре под действием белка RanGEF, ГДФ в активном центре Ran заменяется на ГТФ и цикл, тем самым, замыкается.

Схема экспорта белков из ядра.
1. Образование комплекса груз-экспортин-Ran-ГТФ. 2. Заякоривание комплекса на белках ядерной поры и собственно транслокация. 3. Гидролиз ГТФ, диссоциация комплекса и высвобождение груза. 4. Реимпорт высвободившегося экспортина.

Механизм экспорта белков из ядра

Теперь рассмотрим механизм экспорта из ядра на примере белков, содержащих сигналы ядерного экспорта (англ., N uclear E xport S ignal, NES). Для последовательностей этих сигналов характерно содержание гидрофобных аминокислот. Первой стадией транспортировки здесь также является рецепция субстрата специфическим экспортином Crm1 (англ., C hromosome R egion M aintenance) и образование комплекса. Главным отличием механизмов импорта является тот факт, что в состав транслоцирующегося комплекса в случае экспорта помимо субстрата и Crm1 входит и Ran-ГТФ, то есть сопряжение с циклом Ran происходит на стадии транслокации, а не на стадии реимпорта рецептора. После прохождения через ядерную пору в цитоплазму, Ran расщепляет ГТФ, комплекс теряет стабильность и диссоциирует, высвобождая груз.