Ядерные поры , или ядерные поровые комплексы - крупные белковые комплексы, пронизывающие ядерную мембрану и осуществляющие транспорт макромолекул между цитоплазмой и ядром клетки . Переход молекул из ядра в цитоплазму и в обратном направлении называется ядерно-цитоплазматическим транспортом.
Реконструкция ядерной поры.
Ядерные поровые комплексы (NPC) устроены сходным образом у всех исследованных на сегодняшний день организмов. Они образованы множеством копий примерно 30 разных белков-нуклеопоринов .
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. Ядерные поровые комплексы заякорены на ядерной оболочке с помощью трансмембранной части , от которой к просвету канала обращены структуры, получившие название спиц (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. К ядерному кольцу прикреплены белковые, направленные внутрь ядра, тяжи (ядерные филаменты), к концам которых крепится терминальное кольцо . Вся эта структура носит название ядерной корзины . К цитоплазматическому кольцу также прикреплены направленные в цитоплазму тяжи - цитоплазматические филаменты. В центре ядерной поры видна электрон-плотная частица, «втулка» или транспортёр .
Нуклепорины , белки, из которых построены 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.
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. 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 ядерного порового комплекса 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.
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.
Лекция №5
ЯДРО
Строение и функции ядра
Морфология и химический состав ядра
Термин «ядро» впервые применен Р. Броуном в 1833 г., который описал и изучил ядро в растительных клетках и доказал, что оно обычная составная часть любой клетки.
Ядро имеется во всех эукариотических клетках (безъядерность некоторых из них вторичное приспособление). От цитоплазмы ядра обычно отделяются четкой границей. Во всех случаях отчетливо выделяется имеющее округлую форму ядрышко. Бактерии и сине-зеленые водоросли не имеют сформированного ядра: их ядро лишено ядрышка, не отделено от цитоплазмы отчетливо выраженной ядерной мембраной и носит название нуклеоид.
Количество ядер в клетках . Имеются безъядерные клетки, например, эритроциты и кровяные пластинки у млекопитающих. Основная масса клеток имеет одно ядро. Встречаются и многоядерные клетки, например, остеокласты (клетки, разрушающие хрящ, содержат до 10 ядер), поперечно-полосатые мышечные волокна от нескольких сот до 2-3 тысяч ядер. Увеличение количества ядер указывает на повышенную функциональную активность органа.
Форма ядра . Форма ядер довольно разнообразна, и находится в прямой зависимости от формы тела клетки. Например, в нейронах, у которых тело имеет округлую форму, а отростки ветвятся, ядро округлое.
В большинстве клеток ядро имеет округлую или овальную форму, но может быть линзовидным (эритроциты земноводных), палочковидным (мышечные клетки), а также многолопастным (нейтрофилы, у которых такая форма обеспечивает значительно большую площадь соприкосновения ядерной оболочки с цитоплазмой и тем самым способствует увеличению скорости биохимических реакций).
Локализация ядра . Обычно ядро расположено в центре, рядом с клеточным центром. В некоторых клетках оно смещено к базальному полюсу (клетки цилиндрического эпителия). В крайнетелолецитальных яйцеклетках, имеющих в цитоплазме большое количество желтка, и в клетках, вырабатывающих антитела, ядро смещено на периферию, к цитоплазматической мембране.
Размеры ядра. Своеобразны для разных типов клеток (5-20 мкм в диаметре для округлых ядер).
Размеры ядер можно охарактеризовать таким показателем, как ядерно-плазменное отношение (индекс Гертвига). Оно выражается формулой:
Где
NP индекс Гертвига;
V n объем ядра; V c объем цитоплазмы.
Ядерно-плазменное отношение постоянно для клеток определенного типа. Биологический смысл такого постоянства заключается в том, что определенный объем ядра может контролировать определенный объем цитоплазмы. При нарушении ядерно-плазменного отношения клетка либо быстро восстанавливает его (например, секреторные клетки с апокриновым типом секреции), либо погибает (например, направительные тельца в процессе оогенеза).
Химический состав ядра. Основную массу сухого вещества ядра составляют белковые соединения (60-70%) и нуклеиновые кислоты (19-25%); кроме того, в ядре содержатся липиды и все другие вещества, характерные для цитоплазмы клеток. Из неорганических веществ в ядре больше всего ионов Ca 2+ , Mg 2+ , Fe 3+ , Na + , K + .
Белки ядра относятся к двум типам:
1) гистоны (основные белки); их количество относительно постоянно и пропорционально содержанию ДНК, с которой они образуют комплекс дезоксирибонуклеопротеид (он входит в состав хромосом);
2) негистонные (кислые) белки; к ним относится основная часть ферментов ядра, в том числе ферментов, обеспечивающих авторепродукцию молекул ДНК и образование молекул РНК на ДНК-матрицах.
Основные белки входят в состав хроматина ядра; кислые белки преимущественно локализованы в оболочке ядра, ядрышке и кариоплазме.
Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК содержатся во всех без исключения ядрах, причем вся ДНК клетки локализована в ядре. В гигантской двухцепочечной молекуле ДНК азотистые основания тимин, аденин, гуанин и цитозин соединяются так, что тимину одной цепочки соответствует аденин в другой, а гуанину комплементарен цитозин. Количество ДНК в ядрах клеток организмов различных видов может очень резко варьировать, но для неделящихся диплоидных ядер каждого вида оказывается постоянным. В созревших половых клетках содержится половинный (гаплоидный) набор хромосом и соответственно половинное количество ДНК. В ядре вся ДНК связана с хромосомами.
Рибонуклеиновые кислоты ядра информационная, рибосомальная и транспортная являются одноцепочечными молекулами, в которых, в отличие от ДНК, вместо тимина содержится урацил. Большая часть РНК локализована в ядрышке, но она также находится в хроматине и в кариоплазме. Количество РНК в ядре непостоянно и сильно изменяется в зависимости от функционального состояния клетки.
Липиды присутствуют в ядре в небольшом количестве и локализованы главным образом в оболочке.
Функции ядра
Ядро представляет собой не только вместилище генетического материала, но и место, где этот материал функционирует и воспроизводится. Выпадение или нарушение любой из его функций гибельно для клетки в целом. Ядро осуществляет:
1). Сохранение наследственной информации в виде специфической последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК.
2). Реализацию этой наследственной информации через синтез специфических для данной клетки белков. Посредством этого белкового синтеза происходит управление процессами жизнедеятельности клеток.
3). Передачу наследственной информации дочерним клеткам при делении. В основе этого процесса лежит способность ДНК к авторепродукции.
Все это указывает на ведущее значение ядерных структур в процессах, связанных с синтезом нуклеиновых кислот и белков главных функционеров в жизнедеятельности клетки.
Структурные компоненты интерфазного ядра
Различают ядро в состоянии интерфазы и ядро в процессе клеточного деления. Прежде чем говорить о структуре интерфазного ядра, надо уяснить себе, что не все интерфазные ядра одинаковы. Выделяют 3 состояния (или типа) интерфазных ядер в зависимости от их дальнейших возможностей:
1) ядра размножающихся клеток между двумя делениями (основная масса клеток);
2) ядра не делящихся, но способных к делению клеток (функционирующие лимфоциты, часть из которых через большой промежуток времени делится, в то время как остальные могут и не делиться);
3) ядра клеток, утративших способность к делению навсегда (эритриты, клетки нервной системы, гранулоциты нейтрофилы, базофилы, эозинофилы).
Рассмотрим строение интерфазного ядра первого типа. Основными компонентами ядра являются:
1). Ядерная оболочка (кариолемма).
2). Ядерный сок (кариоплазма).
3). Ядрышко.
4). Хромосомы.
Ядерная оболочка . Эта структура характерна для всех эукариотических клеток. Ядерная оболочка состоит из наружной и внутренней мембран, разделенных перинуклеарным пространством . Ширина его составляет от 10 до 100 нм. В состав ядерной оболочки входят ядерные поры.
Мембраны ядерной оболочки в морфологическом отношении не отличаются от остальных внутриклеточных мембран: они имеют толщину около 7 нм и построены по жидкостно-мозаичному типу.
Наружная, граничащая с цитоплазмой, мембрана имеет сложную складчатую структуру, местами соединенную с каналами ЭПС. На ней расположены рибосомы. Внутренняя мембрана связана с хроматином ядра, контактирует с кариоплазмой и лишена рибосом.
Ядерная оболочка пронизана множеством пор, диаметр их велик 30-90 нм (для сравнения, в наружной плазмалемме диаметр пор составляет всего 1 нм). Численность их также колеблется: в зависимости от типа и физиологического состояния клетки на 1 мкм 2 их насчитывается от 10 до 30. В молодых клетках количество ядерных пор больше, чем в старых. Благодаря порам обеспечивается обмен веществ между ядром и цитоплазмой, например, выход в цитоплазму и-РНК и рибосомных субъединиц, поступление в ядро белков, нуклеотидов и молекул, регулирующих активность ДНК.
Поры имеют сложное строение. В этом месте две ядерные мембраны сливаются, образуя круглые отверстия, имеющие диафрагменное устройство (или поровый комплекс ). В его состав входят три пластинки, каждая из которых образована 8-ю гранулами размером 25 нм каждая, связанными друг с другом микрофибриллами. В центре порового отверстия часто имеется еще и центральная гранула.
Кариолемма, в отличие от плазмалеммы, не способна к регенерации.
После деления материнского ядра ядерная оболочка дочерних ядер образуется из цистерн гранулярной ЭПС (наружная мембрана) и частично из фрагментов старой ядерной оболочки (внутренняя мембрана), распавшейся во время деления.
Функции ядерной оболочки:
1). Обмен веществ между ядром и цитоплазмой.
2). Барьер, отделяющий ядро от цитоплазмы.
3). Фиксация хромосом.
Кариоплазма (ядерный сок ) гелеобразное вещество, заполняющее пространство между структурами ядра. В ней находятся ядрышки, значительное количество РНК и ДНК, различные белки, в том числе большинство ферментов ядра, а также свободные нуклеотиды, аминокислоты, промежуточные продукты обмена веществ. Вязкость ее примерно соответствует вязкости цитоплазмы, в то время как кислотность выше, т.к. здесь содержится много нуклеиновых кислот.
Кариоплазма осуществляет взаимосвязь всех ядерных структур в единое целое.
Ядрышко. Форма, размеры и количество ядрышек зависят от функционального состояния ядра и от интенсивности биосинтеза белка в клетке. Их может быть от 1 до 10 (а в клетках дрожжей их нет совсем). Часто в молодых клетках ядрышек несколько, а с возрастом остается только одно. Это связано с более активным синтезом белка молодой клеткой. Диаметр ядрышек 1-2 мкм.
Основными химическими компонентами, из которых состоят ядрышки, являются кислые белки типа фосфопротеинов (около 80%) и РНК (10-15%). Кроме того, в нем обнаруживаются свободные или связанные фосфаты кальция, калия, магния, железа, цинка. Наличие ДНК в ядрышке не доказано, но при исследовании фиксированных клеток вокруг ядрышка всегда выделяется зона хроматина, часто отождествляемая с гетерохроматином ядрышкового организатора. Этот околоядрышковый хроматин, по данным электронной микроскопии, представляется как интегральная часть сложной структуры ядрышка.
Ядрышко это немембранная структура ядра. Электронно-микроскопические исследования показали, что основу ядрышка образуют две субстанции:
1) фибриллярная белковые нити толщиной 4-8 нм, свернутые в виде «клубка»;
2) гранулярная плотные гранулы диаметром примерно 15 нм, расположенные в этом «клубке». Они состоят из РНК и белка (в весовом соотношении 50:50) и, таким образом, являются предшественниками рибосом.
Следовательно, функция ядрышка состоит в образовании или сборке рибосом, которыми снабжается цитоплазма.
Ядрышко присутствует только в интерфазном ядре. Во время митоза оно исчезает в профазе и появляется вновь в средней телофазе. Причем образуется ядрышко в районе ядрышкового организатора. Ядрышковый организатор это определенные участки хромосом, расположенные за вторичными перетяжками, которые ответственны за образование ядрышка. Ядрышковые организаторы имеются не у всех хромосом. Так, в кариотипе человека их содержат 13, 14, 15, 21 и 22 пары хромосом.
Ядерный аппарат клетки состоит из поверхностного аппарата ядра, кариоплазмы, ядерного матрикса и хроматина. Основными его функциями являются: хранение, воспроизведение, реализация и восстановление (репарация) генетической информации.
Поверхностный аппарат ядра состоит из ядерной оболочки, поровых комплексов и периферической плотной пластины, или ламины.
Ядерная оболочка состоит из двух мембран - наружной и внутренней, между которыми находится перинуклеарное пространство. В некоторых участках мембраны сливаются и образуют поры диаметром до 100 нм. Обе мембраны имеют жидкостно-мозаичное строение. Перинуклеарное пространство сообщается с полостью шероховатой эндоплазматической сети.
Основная функция ядерной оболочки - создание отдельного компартмента клетки для хранения и реализации генетической информации. Через ядерную оболочку происходит регуляция концентрации ионов кальция в клетке.
Поровые комплексы построены из белков, создающих три кольца цитоплазматическое, ядерное и внутреннее, каждое из которых состоит из восьми белковых субъединиц. Белковые кольца расположены в наружней и внутренней мембранах. От цитоплазматического, ядерного и внутреннего колец во внутрь порового комплекса могут отходить белковые фибриллы. Фибриллы образуют ловчие сети, которые обеспечивают избирательную проницаемость ядерной поры.
Поровые комплексы транспортируют определенные биополимеры из ядра в цитоплазму и обратно. Ионы, мелкие и средние органические моле кулы и олигомеры могут относительно свободно диффундировать через поровые комплексы. Из ядра в цитоплазму транспортируются все виды РНК и субъединицы рибосом. В ядро из гиалоплазмы транспортируются так называемые нуклеофильные белки. Небольшие белки, например, гистоны, могут свободно проникать в ядро.
Периферическая плотная пластина (ППП) состоит из белков-ламинов А, В, и С, которые взаимодействуют между собой, образуя сетчатую или ортогональную структуру. ППП является основным компонентом кариоскелета, определяющим форму ядра. Ламины взаимодействуют со скелетными фибриллами, обеспечивая взаимосвязь с цитоскелетом. Кроме того, они поддерживают структуры поровых комплексов и принимают участие в пространственной организации хроматина.
Кариоплазма. Это внутренняя среда ядра, представляющая собой водный раствор органических веществ и ионов. Кариоплазма необходима для протекания матричных процессов, в ней располагаются ядерный матрикс и хроматин.
Ядерный матрикс. Он состоит из двух частей: периферической и внутренней. К периферической части относят ламину, а внутренняя часть включает интерхроматиновую и ядрышковую сети. В ее состав входят различные белки, в том числе актиновые микрофиламенты, скелетные фибриллы и коллаген. Ядрышковая сеть обеспечивает пространственную организацию хроматина и участвует в образовании ядрышка.
Ядрышки - обязательный компонент ядра, обнаруживаются в интерфазных ядрах и представляют собой мелкие тельца, шаровидной формы. Ядрышки имеют большую плотность, чем ядро. В ядрышках происходит синтез р–РНК, других видов РНК и образование субъединиц рибосом. Возникновение ядрышек связано с определенными зонами хромосом, называемыми ядрышковыми организаторами. Число ядрышек определяется числом ядрышковых организаторов. В них содержатся гены р–РНК.
Хроматин (окрашенный материал) – плотное вещество ядра, хорошо окрашиваемое основными красителями. В состав хроматина входят молекулы ДНК в комплексе с белками (гистонами и негистонами), РНК.
ЯДРО
Ядро – важнейший компонент ядерных (эукариотических) клеток, представляет собой информационный центр клетки, обеспечивающий направленный и регулируемый поток информации. На основе данного потока осуществляются основные внутриклеточные метаболические процессы и деление клетки. В прокариотических клетках ядра нет, а генетический аппарат называется нуклеоидом (нуклеоид – подобный ядру – от «нуклеус» - ядро, «-оид» - подобный). Нуклеоид прокариот – это часть цитоплазмы, в которой находится кольцо двухцепочной (2 цепи) спирали ДНК, без белков-гистонов.
Функции ядра :
1) хранение генетической информации в виде хроматина;
2) воспроизведение генетической информации в процессе репликации ДНК;
3) обеспечение передачи генетической информации потомству;
4) регуляция всех процессов обмена веществ в клетке;
5) реализация генетической информации базируется на матричных процессах: репликации (синтезе ДНК в ядре), транскрипции (синтезе РНК в ядре) и трансляции (синтезе белка в цитоплазме);
6) восстановление генетической информации основанной на репарации ДНК;
7) в ядре образуются субъединицы рибосом;
Строение ядра :
I. Поверхностный аппарат ядра (ПАЯ) – кариотека, кариолемма:
1) наружная ядерная мембрана (НЯМ);
2) внутренняя ядерная мембрана (ВЯМ);
3) перинуклеарное пространство;
4) ядерные поры с поровым комплексом;
5) периферическая плотная пластинка (ППП) – ламина.
II. Ядерный матрикс (ЯМ) -белковый ядерный остов, ядерный скелет:
1) периферический ЯМ: ППП - ламина;
2) внутренний ЯМ: фибриллы кариоскелета (интерхроматиновые и ядрышковые).
III. Кариоплазма (нуклеоплазма) :
1) кариолимфа - ядерный сок;
2) фибриллы кариоскелета.
IV. Хроматин – ДНП (Дезоксирибопротеин) = ДНК + протеин (гистоны H1,
H2, H2B, H3, H4 + негистоновые кислые ядерные белки).
1) эухроматин: деспирализован, декомпактизован и функционально активен;
2) гетерохроматин:
а) конститутативный – структурный гетерохроматин (постоянно компактизован);
б) факультативный – функциональный гетерохроматин (м.б. компактизован и не компактизован).
Пример: Х-хромосома (тельце Барра*).
V. Ядрышко:
1. Ядрышковый организатор – это участок ДНК, содержит гены, которые кодируют РНК; в компактной хромосоме соответствует вторичной перетяжке; в ядрышковый организатор клеток человека включены 13, 14, 15, 21, 22 хромосомы.
2. Фибриллярный компонент - РНП фибр. = РНК + белок.
3. Глобулярный компонент - незрелые субъединицы рибосом.
Тельце Барра – компактизованная структура Х-хромосомы (тельце полового хроматина). Причины возникновения тельца Барра: согласно сохранению дозового баланса генов в генотипе для формирования нормального фенотипа у гомогаметного пола происходит инактивация одной из половой хромосомы (ХХ→ХО). Это приводит дозу активно функционирующих Х-генов у данного пола в соответствие с их дозой у гетерогаметного пола ХО или ХУ.
I. Поверхностный аппарат ядра
Поверхностный аппарат ядра (кариолемма) представлен двумя мембранами (наружной и внутренней). Между ними находится перинуклеарное пространство. Обе мембраны имеют жидкостно-мозаичное строение и различаются по набору мембранных белков. Среди этих белков имеются ферменты, переносчики и рецепторы. Главная функция ПАЯ – изоляция гиалоплазмы от кариоплазмы. При этом специальные белки ядерных мембран осуществляют транспортную функцию. В некоторых районах кариолеммы наружная и внутренняя мембраны сливаются и образуют поры. Через эти поры осуществляется связь гиалоплазмы и кариоплазмы. Для регуляции такой связи в порах находятся поровые комплексы.
Рис. 1. Строение ПАК.
1. Наружная ядерная мембрана (НЯМ) является продолжением мембран ЭПС. В результате, содержимое полостей ЭПС свободно попадает в перинуклеарное пространство. На внешней стороне НЯМ могут находиться рибосомы.
2. Внутренняя ядерная мембрана (ВЯМ) отличается по составу от НЯМ, прежде всего отсутствием холестерина, обладает меньшей проницаемостью.
3. Перинуклеарное пространство содержит жидкость сходную по составу с гиалоплазмой.
4. Ядерные поры – участки слияния наружной и внутренней мембран кариолеммы в которых находятся поровые комплексы; занимают 3-35% поверхности ядерной оболочки. ПАЯ в клетках животных и человека содержит 2000-4000 поровых комплексов.
Рис. 2. Структура порового комплекса.
Типичный поровый комплекс (ПК) представляет собой сложную белковую структуру – содержит более 1000 молекул белка. По обе стороны поры (к наружной и внутренней мембранам) в области поры располагаются по 8 белковых глобул (диаметр около 25 нм). Они взаимодействуют между собой и образуют кольцевые структуры диаметром около 120 нм. Одно поровое кольцо располагается с наружной стороны поры (в области основной гиалоплазмы), другое – с внутренней (в области кариоплазмы). Эти периферические глобулы (всего 16) фиксируются в мембранах специальным интегральным белком. От этих глобул к центру сходятся белковые фибриллы, где прикрепляются к центральной глобуле, тем самым формируя перегородку – диафрагму поры, толщиной около 5 нм. С периферическими глобулами связаны тонкие белковые фибриллы, локализованные как в основной гиалоплазме, так и в кариоплазме. Особенностью центральной глобулы является наличие в ней канала диаметром до 15 нм.
Главная функция ПК – транспорт определенных биополимеров из ядра в цитоплазму и из цитоплазмы в ядро. Ионы мелкие и средние органические молекулы, а также
|
Наружные глобулы обладают рецепторами к белкам, подлежащим к поступлению из цитоплазмы в ядро. Такие полипептиды называют нуклеофидьными белками. Нуклеофильные белки имеют специальный сигнальный пептид, т.е. белки без него не транспортируются через ПК в ядро. Благодаря этому ПК осуществляет не только транспорт, но и сегрегацию белков, необходимых для функционирования именно в ядерном аппарате.
В ходе транспорта нуклеофильные белки взаимодействуют с тонкими фибриллами гиалоплазмы, связанными с периферическими глобулами наружного кольца ПК, и перемещаются к нему. В центральной глобуле ПК имеются причальные белки (белки-рецепторы), связывающие сигнальный пептид белка. Это взаимодействие индуцирует АТФ-зависимый перенос нуклеофильного полипептида через канал центральной глобулы в кариоплазму. Таким образом, в данном случае центральная глобула выполняет функцию транслокационного комплекса аналогичного таковому в шЭПС.
В ядро через ядерные поры поступают: 1) негистоновые белки (белки-ферменты, которые участвуют в процессах репликации и репарации (восстановление повреждений в ДНК); белки-ферменты, участвующие в транскрипции; белки-репрессоры, которые регулируют процесс транскрипции; белки, входящие в состав субъединиц рибосом; белки ядерного матрикса, образующие кариоскелет); 2) белки-гистоны, которые связываются с молекулой ДНК и образуют хроматин; 3) нуклеотиды; 4) ионы минеральных солей, в частности, ионы Са 2+ и Mg 2+ .
Глобулы внутреннего кольца содержат рецепторы к т-РНК, в периферических глобулах имеется особый белок – переносчик молекул т-РНК. Считается, что сначала транспортируемая молекула взаимодействует с фибриллами периферическиъх гранул в кариоплазме. С их помощью макромолекулы передвигаются к периферическим гранулам, взаимодействуют с рецепторами и транспортируются переносчиками в гиалоплазму. С помощью периферических глобул осуществляется транспорт также других макромолекул из ядра в гиалоплазму. В этих процессах участвуют специальные белки периферических глобул – нуклеопорины.
В центре порового комплекса локализуется центральная глобула. Она связана с периферическими глобулами тонкими фибриллами. Центральная глобула специализируется на транспорте и-РНК из ядра в гиалоплазму. В составе этой глобулы имеются ферменты, которые участвуют в химической модификации и-РНК – ее процессинге, в частности, наблюдается взаимодействие РНК со специфическими белками. Кроме того, через ПК из ядра выводятся и рРНК, но уже в составе субъединиц рибосом, т.е. в комплексе с рибосомальными белками. Считается, что при этом субъединицы рибосом, проходя через ПК, вытесняют центральную глобулу, которая затем возвращается в ПК.
Гранулы поровых комплексов структурно связаны с белками ядерной ламины, которая участвует в их организации. Нуклеоплазма при обмене веществ непосредственно не контактирует с гиалоплазмой.
Обмен веществ между ядром и цитоплазмой осуществляется двумя основными способами:
1) через многочисленные поры, которыми пронизана ядерная оболочка, происходит регулируемый транспорт веществ в ядро и из ядра. Все белки, поступающие из цитоплазмы в ядро, имеют специальную ядерную последовательность, состоящую из нескольких аминокислот, которая опознается белками-рецепторами поровых комплесов;
2) вещества из ядра в цитоплазму и из цитоплазмы в ядро попадают путем отшнуровывания выростов и выпячиваний ядерной оболочки.
Функции комплекса ядерной поры :
1. Обеспечение регуляции избирательного транспорта веществ между цитоплазмой и ядром.
2. Активный перенос в ядро белков, имеющих особую маркировку в виде так называемой последовательности ядерной локализации N uclear L ocalization S equence (NLS ), распознаваемой рецепторами NLS (в комплексе поры). Через канал центральной глобулы в ядро попадают определенные белки. Они имеют специальный сигнальный участок, который распознается рецептором центральной глобулы. Белки без такого сигнального участка в ядро не попадают.
3. Перенос в цитоплазму субъединиц рибосом, которые, однако, слишком велики для свободного прохождения через пору; их транспорт, вероятно, сопровождается изменением конформации порового комплекса.
Импорт белков через поровый комплекс ядра включает 5 последовательных этапов:
Белок-импортин ГДФ – гуанозиндифосфат
ТранспортируемыйNLS-по-
|
Рис. 4. Импорт белков через ядерную пору.
1. Распознавание транспортируемого белка, имеющего сигнал ядерной локализации, комплексом белка импортина с белком Ran, связывающим ГДФ * .
2.Связывание образующегося белкового комплекса с белками цитоплазматических филаментов порового комплекса.
3. Перенос белкового комплекса, включающего транспортируемый белок - импортин и белок Ran-ГДФ, через центральный канал порового комплекса.
4. Ферментативное замещение, связанного с белком Ran ГДФнаГТФ * и освобождение транспортируемого белка из комплекса.
5. Перенос комплекса импортин-Ran-ГТФ через ядерный поровый комплекс с последующим ферментативным гидролизом ГТФ до ГДФ (дефосфорилирование).
В основе переноса кариофильных белков через ядерную мембрану лежит различие концентраций гуанозин дифосфата (ГДФ) и гуанозин трифосфата (ГТФ), связанного с белком Ran, по обе стороны ядерной мембраны. Это обусловлено тем, что на наружной ядерной мембране, обращенной к цитозолю, локализуются ферменты, осуществляющие гидролиз гуанозин трифосфата, связанного с белком Rаn, до гуанозин дифосфата, а на внутренней мембране – ферменты, замещающие, связанный с белком Rаn ГДФ до ГТФ.
5. Периферическая плотная пластинка (ППП), или ламина (lamina) – слой толщиной 80 – 300 нм, прилегает изнутри к внутренней ядерной мембране, исключая области пор. Внутренняя ядерная мембрана гладкая, ее интегральные белки связаны с ламиной (периферической плотной пластинкой). Таким образом, ламина является элементом поверхностного аппарата ядра, объединяющим его с ядерным матриксом. Ламина состоит из специальных переплетенных белков – ламинов, образующих периферический кариоскелет в виде ортогональной сетчатой структуры. Белки-ламины относятся к классу промежуточных филаментов (скелетных фибрилл), другие типы которых представлены в цитоплазме и поверхностном аппарате клетки. У млекопитающих известно 3 вида этих белков – это ламины А, В, С. Эти белки поступают в ядро из цитоплазмы. Ламины разных видов взаимодействуют между собой и образуют белковую сеть под внутренней мембраной ядерной оболочки. С помощью ламина В периферическая плотная пластинка соединяется со специальным интегральным белком ядерной оболочки. Этот белок является рецептором ламина В и обеспечивает структурную связь с ППП с ядерной оболочкой. С ППП взаимодействуют и белки периферических глобул «внутреннего кольца» порового комплекса. Ламины А и С образуют сеть тонких фибрилл. К ламину А прикрепляются теломерные участки хромосом.
Функции ламины:
1. Ламина поддерживает форму ядра (формообразующая функция). Даже если обе ядерные мембраны разрушить, то ядро за счет ламины сохраняет свою форму и поровые комплексы остаются на своих местах.
2. Ламина служит компонентом кариоскелета (скелета ядра). Более того, в районе пор ламины взаимодействуют с цитоплазматическими скелетными фибриллами. В результате формируется структурная связь ламины с опорными элементами поверхностного аппарата клетки. Это обеспечивает единство всех скелетных структур клетки.
3. Ламина участвует в сборке ядерной оболочки (формировании кариолеммы).
4. В интерфазном ядре к ламине А прикрепляется хроматин. Таким образом, ламина обеспечивает функцию фиксации хроматина в ядре (обеспечивает упорядоченную укладку хроматина, участвует в пространственной организации хроматина в интерфазном ядре). Это, в свою очередь, увеличивает скорость и эффективность протекания матричных процессов (репликации и транскрипции) и подготовки клетки к делению.
5. Ламина обеспечивает структурную организацию поровых комплексов.
Итак, изобразить схематично строения ядерного аппарата (а)
и поровых комплексов (б, в) можно следующим образом (рис. 5) :
Хотя ламина и представляет собой жесткую скелетную структуру, она может дезинтегрироваться. В частности, это происходит при переходе клетки к процессу деления и связано с активацией специальных протеинкиназ.
Рис. 6. Схема разрушения ламины во время митоза.
Фосфорилирование ламинов с помощью протеинкиназ приводит к разборке ППП. При этом ламин В остается в мембране кариолеммы и мембранных пузырьков, образующихся из ядерной оболочки на первых стадиях деления. Дефосфорилирование ламинов, катализируемое протеинфосфатазами, индуцирует взаимодействие ламинов и формирование ППП в поверхностном аппарате ядра новых клеток.
Рис. 7. Схема формирования ламины во время телофазы митоза .
Ламиновые полипепетиды образуют димеры с центральным альфа-спиральным участком, состоящим из двух полипептидных цепей, закрученных друг вокруг друга. Димеры соединяются «голова к хвосту» и образуют полимер. Полимеры, соединяясь друг с другом «бок в бок», формируют филаменты.
Рис. 8. Связь ламины с различными структурами клетки
II. Ядерный матрикс
Ядерный матрикс (ЯМ) представляет собой систему особых фибриллярных белков толщиной 2-3 нм, локализованных в кариоплазме. ЯМ является универсальным белковым компонентом ядерного аппарата эукариотических клеток. Его универсальность определяется тем, что он обеспечивает оптимальную пространственную организацию и функционирование генетического материала. В составе ЯМ выделяют периферический ЯМ и внутренний ЯМ.
1. Периферический ЯМ представляет собой ламину, т.е. один из элементов ПАЯ, что указывает на структурное единство данных компонентов ядра (рис. 8).
2. Внутренний ЯМ структурно связан с периферическим (ламиной) и представляет собой сложную систему белковых фибрилл, расположенную во всем объеме кариоплазмы. Большинство белков ЯМ относится к группе кислых белков. Внутренний ЯМ дифференцирован на 2 зоны: интерхроматиновую сеть ЯМ и ядрышковую сеть ЯМ.
2.1. Интерхроматиновая сеть ЯМ по составу белков очень разнообразен. В частности в здесь обнаруживаются актиновые микрофибриллы. Одна из функций ЯМ заключается в том, что он представляет собой элемент кариоскелета. Это определяется структурным взаимодействием белковых фибрилл внутреннего ЯМ с ламинами периферического ЯМ (ламиной) и образованием целостной скелетной системы ядра, определяющей его форму. Кроме того, интерхроматиновая сеть фиксируется на внутренних участках хромосом, которые в свою очередь теломерами (концевыми участками) прикрепляются к ламине.
2.2. Одна из частей ядерного матрикса является ядрышковым матриксом. Ядрышковый матрикс состоит из плотно упакованных фибрилл и гранул. Белки ядрышковой сети (фибриллы) взаимодействуют с участками хромосом (вторичными перетяжками) содержащими множество копий генов рибосомальных РНК (саттелитная ДНК). Такие участки получили название ядрышкового организатора, который вместе с ядрышковой сетью и созревающими субъединицами рибосом (гранулы) формируют специфическую структуру ядра – ядрышко.
Таким образом, фибриллы ядерного матрикса контактируют с ламинами ППП и образуют единую систему кариоскелета. Кариоскелет поддерживает форму ядра и обеспечивает определенное расположение хромосом в пространстве, благодаря чему длинные тонкие нити хроматина не спутываются между собой.
III. Кариоплазма
Кариоплазма (нуклеоплазма или ядерный сок), представляет собой желеобразный раствор, в котором находятся как низкомолекулярные (например, нуклеотиды), так и высокомолекулярные (РНК и разнообразные белки, включая ферменты) вещества, а также ионы. Химический состав ее в основном сходен с составом гиалоплазмы, хотя имеются некоторые отличия. В кариоплазму погружены хроматин и ядрышко. Кроме того, в ней располагается ядерный матрикс. Кариоплазма создает специфическую для ядерных структур микросреду и тем самым обеспечивает нормальное функционирование ядерного аппарата. Кариоплазма связана с гиалоплазмой через систему поровых комплексов и транспортных комплексов ядерной оболочки.