Структура и функции клеточного ядра
конденсированного хроматина (иногда называемого гетерохроматин). Показано,
что степень деконденсации хромосомного материала в интерфазе может отражать
функциональную нагрузку этой структуры. Чем более диффузен хроматин
интерфазного ядра, тем выше в нем синтетические процессы. Падение синтеза
РНК в клетках обычно сопровождается увеличением зон конденсированного
хроматина.
Максимально конденсирован хроматин во время митотического деления клеток,
когда он обнаруживается в виде плотных телец - хромосом. В этот период
хромосомы не несут никаких синтетических нагрузок, в них не происходит
включение предшественников ДНК и РНК.
Исходя из этого можно считать, что хромосомы клеток могут находиться в
двух структурно-функциональных состояниях:
= в рабочем, частично или полностью деконденсированном, когда с их
участием в интерфазном ядре происходят процессы транскрипции и
редупликации;
= в неактивном - в состоянии метаболического покоя при максимальной их
конденсированности, когда они выполняют функцию распределения и
перенося генетического материала в дочерние клетки.
В химическом отношении препараты хроматина представляют собой сложные
комплексы дезоксирибонуклеопротеидов, в состав которых входит ДНК и
специальные хромосомные белки - гистоны. В составе хроматина обнаружено
также РНК. В количественном отношении ДНК, белок и РНК находятся как
1:1,3:0,2. О значении РНК в составе хроматина еще нет достаточно
однозначных данных. Возможно, что эта РНК представляет собой сопутствующую
препарату функцию синтезирующейся РНК и поэтому частично связанной с ДНК
или это особый вид РНК, характерный для структуры хроматина.
ДНК хроматина
В препарате хроматина на долю ДНК приходится обычно 30-40%. Эта ДНК
представляет собой двухцепочечную спиральную молекулу. ДНК хроматина
обладает молекулярной массой 7-9*106. Такую сравнительно малую массу
ДНК из препаратов можно объяснить механическими повреждениями ДНК в
процессе выделения хроматина.
Общее количество ДНК, входящее в ядерные структуры клеток, в геном
организмов, колеблется от вида к виду. Сравнивая количество ДНК на клетку у
эукариотических организмов, трудно уловить какие-либо корреляции между
степенью сложности организма и количеством ДНК на ядро. Примерно одинаковое
количество ДНК имеют различные организмы, как лен, морской еж, окунь (1,4-
1,9 пг) или рыба голец и бык (6,4 и 7 пг).
У некоторых амфибий в ядрах количество ДНК больше, чем в ядрах человека,
в 10-30 раз, хотя генетическая конституция человека несравненно сложнее,
чем у лягушек. Следовательно, можно предполагать, что “избыточное”
количество ДНК у более низко организованных организмов либо не связано с
выполнением генетической роли, либо число генов повторяется то или иное
число раз.
Сателлитная ДНК, или фракция ДНК с часто повторяющимися
последовательностями, может участвовать в узнавании гомологичных районов
хромосом при мейозе. По другим предположениям, эти участки играют роль
разделителей (спейсеров) между различными функциональными единицами
хромосомной ДНК.
Как оказалось, фракция умеренно повторяющихся (от 102 до 105 раз)
последовательностей принадлежит к пестрому классу участков ДНК, играющих
важную роль в обменных процессах. В эту фракцию входят гены рибосомных ДНК,
многократно повторенные участки для синтеза всех тРНК. Более того,
некоторые структурные гены, ответственные за синтез определенных белков,
также могут быть многократно повторены, представлены многими копиями (гены
для белков хроматина - гистонов).
Итак, ДНК эукариотических клеток гетерогенна по составу, содержит
несколько классов последовательностей нуклеотидов:
= часто повторяющиеся последовательности (>106 раз), входящие во фракцию
сателитной ДНК и не транскрибирующиеся;
= фракция умеренно повторяющихся последовательностей (102-105),
представляющих блоки истинных генов, а также короткие
последовательности, разбросанные по всему геному;
= фракция уникальных последовательностей, несущая информацию для
большинства белков клетки.
ДНК прокариотического организма представляет собой одну гигантскую
циклическую молекулу. ДНК эукариотических хромосом представляет собой
линейные молекулы, состоящие из тандемно (друг за другом) расположенных
репликонов разного размера. Средний размер репликона около 30 мкм. Тем
самым в составе генома человека должно встречаться более 50 000 репликонов,
участков ДНК, которые синтезируются как независимые единицы. Эти репликоны
имеют начальную и терминальную точки синтеза ДНК.
Представим себе, что у эукариотических клеток каждая из хромосомных ДНК,
как и у бактерий, является одним репликоном. В этом случае при скорости
синтеза 0,5 мкм в минуту (для человека) редупликация первой хромосомы с
длиной ДНК около 7 см должна занять 140 000 минут, или около трех месяцев.
На самом же деле благодаря полирепликонному строению молекул ДНК весь
процесс занимает 7-12 ч.
Белки хроматина
К ним относятся гистоны и негистоновые белки.
Гистоны - сильноосновные белки. Их щелочность связана с их обогащенностью
основными аминокислотами (главным образом лизином и аргинином). Эти белки
не содержат триптофана. Препарат суммарных гистонов можно разделить на 5
фракций:
Н1 (от английского histone) - богатый лизином гистон, мол. Масса 2100;
Н2а - умеренно богатый лизином гистон, масса 13 700;
Н2б - умеренно богатый лизином гистон, масса 14 500;
Н4 - богатый аргинином гистон, масса 11 300;
Н3 - богатый аргинином гистон, масса 15 300.
В препаратах хроматина эти фракции гистонов обнаруживаются в
приблизительно равных количествах, кроме Н1, которого примерно в 2 раза
меньше любой из других фракций.
Для молекул гистонов характерно неравномерное распределение основных
аминокислот в цепи: обогащенные положительно заряженными аминогруппами
наблюдается на концах белковых цепей. Эти участки гистонов связываются с
фосфатными группировками на ДНК, в то время как сравнительно менее
заряженные центральные участки молекул обеспечивают их взаимодействие между
собой. Таким образом, взаимодействие между гистонами и ДНК, приводящее к
образованию дезоксирибонуклеопротеинового комплекса, носит ионный характер.
Гистоны синтезируются на полисомах в цитоплазме, этот синтез начинается
несколько раньше редупликации ДНК. Синтезированные гистоны мигрируют из
цитоплазмы в ядро, где и связываются с участками ДНК.
Функциональная роль гистонов не вполне ясна. Одно время считалось, что
гистоны являются специфическими регуляторами активности ДНК хроматина, но
одинаковость строения основной массы гистонов говорит о малой вероятности
этого. Более очевидна структурная роль гистонов, которая обеспечивает не
только специфическую укладку хромосомной ДНК, но и играет роль в регуляции
транскрипции.
Негистоновые белки - наиболее плохо охарактеризованная фракция хроматина.
Кроме ферментов, непосредственно связанных с хроматином (ферменты,
ответственные за репарацию, редубликацию, транскрипцию и модификации ДНК,
ферменты модификации гистонов и других белков), в эту фракцию входит
множество других белков. Весьма вероятно, что часть негистоновых белков
представляет собой специфические белки - регуляторы, узнающие определенные
нуклеотидные последовательности в ДНК.
РНК хроматина составляет от 0,2 до 0,5% от содержания ДНК. Эта РНК
представляет собой все известные клеточные типы РНК, находящиеся в процессе
синтеза или созревания в связи с ДНК хроматина.
В составе хроматина могут быть обнаружены липиды до 1 % от весового
содержания ДНК, их роль в структуре и функционировании хромосом остается
неясной.
Хромосомы
Первичная степень укладки молекул ДНК - хромосомная фибрилла. Наблюдения
за структурой хроматина с помощью электронного микроскопа показали, что в
составе ядра на ультратонких срезах всегда видны фибриллярные элементы.
Впервые их обнаружил Х. Рис (1957), который и дал им название элементарных
хромосомных фибрилл.
Морфология хромосом
Морфологию хромосом лучше всего изучать в момент их наибольшей
конденсации, в метафазе и в начале анафазы. Хромосомы животных и растений в
этом состоянии представляют собой палочковидные структуры разной длины с
довольно постоянной толщиной, у большей части хромосом удается легко найти
зону первичной перетяжки, которая делит хромосому на два плеча (рис).
Хромосомы с равными или почти равными плечами называют метацентрическими, с
плечами неодинаковой длины - субметацентрическими. Палочковидные хромосомы
с очень коротким, почти незаметным вторым плечом - акроцентрические.
В области первичной перетяжки расположена центромера, или кинетохор. Это
пластинчатая структура, имеющая форму диска. Она связана тонкими фибриллами
с телом хромосомы в области перетяжки. От него отрастают пучки
микротрубочки митотического веретена, идущие в направлении к центриолям.
Они принимают участие в движении хромосом к полюсам клетки при митозе.
Обычно одна хромосома имеет только одну центромеру (моноцентрические
