Структурна организация и функции на ядрото. Клетъчно ядро: функции и структура Образуване на ядрото

Нуклеол– сферично образувание (1-5 микрона в диаметър), присъстващо в почти всички живи клетки на еукариотни организми. В ядрото се виждат едно или няколко обикновено кръгли тела, които силно пречупват светлината - това е ядрото или ядрото. Ядрото възприема добре основните багрила и се намира сред хроматина. Нуклеоларната базофилия се определя от факта, че нуклеолите са богати на РНК. Ядрото, най-плътната структура на ядрото, е производно на хромозомата, един от нейните локуси с най-висока концентрация и активност на синтеза на РНК в интерфазата. Образуването на нуклеолите и техният брой са свързани с активността и броя на определени хромозомни участъци - нуклеоларни организатори, които са разположени предимно в зоните на вторични стеснения, не са самостоятелна структура или органела. При хората такива региони се намират в 13-та, 14-та, 15-та, 21-ва и 22-ра двойки хромозоми.

Функцията на нуклеолите е синтеза на рРНК и образуване на рибозомни субединици.

Ядрото е разнородно по своята структура: в светлинен микроскоп можете да видите неговата фино-влакнеста организация. Електронният микроскоп разкрива два основни компонента: грануларни и фибриларни.Диаметърът на гранулите е около 15-20 nm, дебелината на фибрилите е 6-8 nm. Гранулите са съзряващите субединици на рибозомите.

Гранулиран компоненте локализиран в периферната част на нуклеола и представлява колекция от рибозомни субединици.

Фибриларен компоненте локализиран в централната част на нуклеола и представлява рибонуклеопротеинови вериги на рибозомни прекурсори.

Ултраструктурата на нуклеолите зависи от активността на синтеза на РНК: при високо ниво на синтез на рРНК в нуклеола се откриват голям брой гранули; когато синтезът спре, броят на гранулите намалява и нуклеолите се превръщат в плътни фибриларни тела на базофилна природа.

Участието на нуклеолите в синтеза на цитоплазмени протеини може да бъде представено по следния начин:

рисуване? – СХЕМА НА СИНТЕЗ НА РИБОЗОМИ В ЕУКАРИОТНИ КЛЕТКИ

Схема на синтеза на рибозома в еукариотни клетки.
1. Синтез на иРНК за рибозомни протеини от РНК полимераза II. 2. Експорт на иРНК от ядрото. 3. Разпознаване на иРНК от рибозомата и 4. синтез на рибозомни протеини. 5. Синтез на рРНК прекурсор (45S - прекурсор) от РНК полимераза I. 6. Синтез на 5S рРНК от РНК полимераза III. 7. Сглобяване на голяма рибонуклеопротеинова частица, включително 45S прекурсор, рибозомни протеини, внесени от цитоплазмата, както и специални нуклеоларни протеини и РНК, които участват в узряването на рибозомните субчастици. 8. Прикрепване на 5S рРНК, разрязване на прекурсора и отделяне на малката рибозомна субединица. 9. Узряване на голямата субчастица, освобождаване на нуклеоларни протеини и РНК. 10. Освобождаване на рибозомни субчастици от ядрото. 11. Включването им в предаването.

Микроснимки на ядрото (според електронна микроскопия)

рисуване? – Електронна микроснимка на ядро ​​с нуклеол

1- Фибриларен компонент; 2- гранулиран компонент; 3-перинуклеоларен хетерохроматин; 4-кариоплазма; 5-ядрена мембрана.

рисуване? – РНК в цитоплазмата и нуклеолите на клетките на субмандибуларната жлеза.

Оцветяване според Brush, X400

1 – цитоплазма; 2 – нуклеоли. И двете структури са богати на РНК (главно благодарение на рРНК - свободна или като част от рибозоми) и следователно, когато се оцветяват според Браше, те стават пурпурни.

Нуклеол (нуклеол)- съставна част на клетъчното ядро, което е оптически плътно тяло, силно пречупващо светлината. В съвременната цитология (виж) ядрото се признава за място на синтез и натрупване на цялата рибозомна РНК (рРНК), с изключение на 5S-РНК (виж Рибозоми).

Ядрото е описано за първи път през 1838-1839 г. от M. Schleiden в растителни клетки и от T. Schwann в животински клетки.

Броят на нуклеолите, техният размер и форма варират в зависимост от вида на клетката. Най-често срещаните нуклеоли са със сферична форма. Ядрата са способни да се сливат помежду си, така че ядрото може да съдържа или няколко малки нуклеоли, или едно голямо, или няколко нуклеоли с различни размери. В клетките с ниски нива на протеинов синтез нуклеолите са малки или невидими. Активирането на протеиновия синтез е свързано с увеличаване на общия обем на нуклеолите. В много случаи общият обем на нуклеолите също корелира с броя на хромозомните комплекти на клетката (вижте Хромозомен набор).

Ядрото няма черупка и е заобиколено от слой кондензиран хроматин (виж) - така нареченият перинуклеоларен или перинуклеоларен хетерохроматин. Използвайки цитохимични методи, в нуклеолите се откриват РНК и протеини, киселинни и основни. Нуклеоларните протеини включват ензими, участващи в синтеза на рибозомна РНК. При оцветяване на препарати нуклеолите обикновено се оцветяват с основно багрило. В яйцата на някои червеи, мекотели и членестоноги има сложни нуклеоли (амфинуклеоли), състоящи се от две части, едната от които е оцветена с основно багрило, а другата (белтъчното тяло) с кисела боя. Когато синтезът на rRNA престане в началото на митозата (виж), нуклеолите изчезват (с изключение на ядрото на някои протозои) и когато синтезът на rRNA се възстанови в телофазата на митозата, те се образуват отново върху хромозомни участъци (виж), наречени нуклеоларни организатори. В човешките клетки нуклеоларните организатори са локализирани в областта на вторичните стеснения на късите рамена на хромозоми 13, 14, 15, 21 и 22. По време на активния протеинов синтез от клетката нуклеоларните организатори обикновено се редупликират и техният брой достига няколкостотин копия. В животински овоцити (например земноводни) такива копия могат да се откъснат от хромозомите и да образуват множество маргинални нуклеоли на овоцитите.

Ядрените организатори се състоят от повтарящи се блокове от транскрибирани ДНК последователности, включително гените 5.8S-RNA, 28S-RNA и 18S-rRNA, разделени от две некодиращи rRNA области. Транскрибираните ДНК последователности се редуват с нетранскрибирани последователности (спейсъри). Синтезът на рРНК или транскрипцията (виж) се извършва от специален ензим - РНК полимераза I. Първоначално се синтезират гигантски 45S-РНК молекули; по време на узряването (обработката) от тези молекули с помощта на специални ензими се образуват и трите вида рРНК; този процес протича на няколко етапа. Излишните 45S-РНК региони, които не са част от рРНК, се разпадат в ядрото и зрелите рРНК се транспортират в цитоплазмата, където молекулите 5.8S-рРНК и 28S-рРНК, заедно с молекулата 5S-рРНК, синтезирани в ядрото навън ядрото и допълнителните протеини, образуват голяма единица рибозоми, а молекулата 18S-rRNA е част от нейната малка субединица. Според съвременните концепции pR NKs и техните прекурсори присъстват в ядрото на всички етапи на обработка под формата на комплекси с протеини - рибонуклеопротеини. Прикрепването на протеини към 45 S-RNA молекулата става, докато тя се синтезира, така че до момента, в който синтезът приключи, молекулата вече е рибонуклеопротеин.

Ултраструктурата на ядрото отразява последователните етапи на синтеза на рРНК върху шаблоните на нуклеоларните организатори. На електронните дифракционни модели в нуклеолите се разграничават фибриларен компонент (нуклеолонема), гранулиран компонент и аморфна матрица (фиг.). Нуклеолонема е нишковидна структура с дебелина 150-200 nm; състои се от гранули с диаметър около 15 nm и рехаво подредени фибрили с дебелина 4-8 nm. На участъците от нуклеолонема се виждат относително светли области - така наречените фибриларни центрове. Предполага се, че тези центрове се образуват от нетранскрибирани участъци на ДНК на нуклеоларните организатори, които са в комплекс с аргентофилни протеини. Фибриларните центрове са заобиколени от бримки от транскрибирани ДНК вериги със синтезирани върху тях 45S-РНК рибонуклеопротеини. Очевидно последните се разкриват в моделите на електронна дифракция под формата на фибрили.

Гранулираният компонент на нуклеола съдържа рибонуклеопротеинови гранули, които са различни продукти от обработката на рРНК. Сред тях понякога е възможно да се разграничат тъмните гранули на рибонуклеопротеиновия прекурсор 28S-pRNA (32S-pRNA) и по-светлите зърна, съдържащи зряла 28S-pRNA. Аморфната матрица на ядрото практически не се различава от ядрения сок (виж Клетъчно ядро).

По този начин ядрото е динамична, постоянно обновяваща се структура. Това е зоната на клетъчното ядро, където рРНК се синтезира и узрява и откъдето се транспортира в цитоплазмата.

Пътищата за освобождаване на рибонуклеопротеини от ядрото в цитоплазмата не са достатъчно проучени. Смята се, че те преминават през порозите на ядрената мембрана (виж Клетъчно ядро) или през области на нейното локално разрушаване. Връзките между ядрото и ядрената мембрана в различни видове клетки се осъществяват както под формата на директни контакти, така и чрез канали, образувани в резултат на инвагинация на ядрената мембрана. Чрез подобни връзки се осъществява и обмяната на вещества между нуклеолите и цитоплазмата.

При патологични процеси се отбелязват различни промени в нуклеолите. Така при злокачествено заболяване на клетките се наблюдава увеличаване на броя и размера на нуклеолите, с изразени дистрофични процеси в клетката - така наречената сегрегация на нуклеоли. По време на сегрегацията настъпва преразпределение на гранулирани и фибриларни компоненти. При изразена сегрегация на нуклеолите, нуклеолонемата може да изчезне и в гранулирания компонент се образуват тъмни и светли зони - така наречените шапки. Тези структурни промени отразяват смущения в синтеза, узряването и интрануклеоларния транспорт на рРНК.

Библиография:Заварзин А. А. и Харазова А. Д. Основи на общата цитология, стр. 183, Д., 1982; Ченцов Ю. С. Обща цитология, М., 1984; Ченцов Ю. С. и Поляков В. Ю., Ултраструктура на клетъчното ядро, стр. 50, М., 1974; V o u t e i 1 1 e M. a. D i-puy-Go в A.M. 3-измерен анализ на интерфазното ядро, Biol. клетка, v. 45, стр. 455, 1982; Busch H. a. Сметана К. Ядрото, N.Y.-L., 1970; Хаджиолов А. А. Ядрото и рибозомната биогенеза, Wien - N. Y., 1985, библиогр.

Нуклеол (нуклеол, плазмозома)- плътна формация, открита в интерфазните ядра на еукариотни клетки, която се образува в определени хромозомни локуси (нуклеоларен организатор). Ядрото е производно на хромозомата, един от нейните локуси, активно функциониращ в интерфазата. Една клетка обикновено съдържа 1-2 клетки, понякога повече от 2. Основната функция на клетките е синтеза на рибозоми; съдържа фактори, участващи в транскрипцията на рибозомни гени, обработка на пре-рРНК и сглобяване на прерибозомни частици. Някои клетъчни протеини са многофункционални и участват в редица други процеси в клетката, като апоптоза, регулация на клетъчния цикъл и др.

Ядрото е силно организирана структура в ядрото. Ядрото съдържа големи ДНК бримки, съдържащи pRNA гени, които се транскрибират от РНК полимераза I с необичайно висока скорост. Тези бримки се наричат ​​„нуклеоларни организатори“.

За разлика от цитоплазмените органели, ядрото няма мембрана, която обгражда съдържанието му. Изглежда, че се образува от незрели рибозомни прекурсори, специфично свързани един с друг по неизвестен начин. (Фиг. ядро) Размерът на ядрото отразява степента на неговата функционална активност, която варира в широки граници в различните клетки и може да се промени в отделна клетка.

В нуклеола се извършва транскрипция на рибозомни гени, обработка на прекурсори на рРНК и сглобяване на прерибозомни частици от рибозомни протеини и рРНК. Механизмите на образуване на ядро ​​не са ясни. Според една хипотеза ядрото се разглежда като нуклеопротеинов комплекс, който се появява спонтанно в резултат на асоциирането на регулаторни комплекси протеин-нуклеинова киселина, които възникват при повтарящи се последователности на рДНК по време на тяхната транскрипция. Наистина, човешките рРНК гени са организирани в 250 тандемно повтарящи се последователности с дължина 44 kb. всеки, който заедно със свързаните с тях протеини образуват ядрото на ядрото. Той се запълва с други компоненти по време на обработката на рРНК и сглобяването на рибозомни субединици.

Морфологично в ядрото се разграничават три основни зони: фибриларен център, заобиколен от плътни фибриларни и гранулирани области.

В електронна микрофотография на ядрото могат да се разграничат тези три отделни зони:

1) слабо оцветен компонент, съдържащ ДНК от областта на нуклеоларния организатор на хромозомата,

2) плътен фибриларен компонент, състоящ се от много тънки (5 nm) рибонуклеопротеинови фибрили, които са РНК транскрипти и

3) гранулиран компонент, който включва частици с диаметър 15 nm, представляващи най-зрелите прекурсори на рибозомни частици.

С помощта на специфични антитела и хибридизационни сонди е установено, че рРНК гени, РНК полимераза I, транскрипционен фактор UBF и топоизомераза I са локализирани във фибриларния център на нуклеола. Смята се, че фибриларният център на ядрото е мястото на сглобяване на регулаторни нуклеопротеинови комплекси, необходими за транскрипцията на rRNA гени. Плътният фибриларен компонент, заобикалящ центъра на ядрото, е представен от нарастващи вериги от прекурсори на рРНК и свързани протеини, участващи в обработката. В гранулираната област на ядрото се откриват зряла 28S и 18S рРНК, частично обработена РНК, както и продукти от сглобяване на рибозомни субчастици. Междинните продукти за сглобяване на рибозоми са представени от частици с диаметър 15-20 nm. Прехвърлянето на прерибозомни субчастици в цитоплазмата очевидно се осигурява от специфични протеини, които се движат от ядрото към ядрената обвивка. Поради йерархията в структурната и функционална организация на ядрото под формата на отделни морфологично различими компартменти, то често се използва като модел за функционално компартментализиране на синтеза на иРНК, нейната обработка и експорт в цитоплазмата.

Наблюдаваната "високо подредена" пространствена структура на ядрото може просто да бъде следствие от функционирането на голям брой rRNA гени, организирани в тандемни повторения, което е придружено от натрупване на транскрипти на РНК полимераза I и продукти от тяхната обработка в близост до активно работещи гени. Структурата на ядрото е динамична и нейното пространствено разположение и структурни особености зависят от интрануклеарната локализация и нивото на активност на съответните rRNA гени.

Дори геномът на дрождите съдържа ~200 тандемно повтарящи се rRNA гени. Въпреки това, не всички гени са функционално идентични: само половината от rDNA последователностите се транскрибират и само ~ 20% от наличните региони на произход на репликация участват в тяхното възпроизвеждане. Прехвърлянето на гени в областта на рДНК често е придружено от тяхното потискане, което се смята за следствие от функционирането на механизма за потискане на хомоложната рекомбинация в геномни области, съдържащи тандемни повторения. Мутационното разрушаване на този механизъм е придружено от образуването на стотици екстрахромозомни кръгови рДНК, които са неравномерно разпределени между дъщерните клетки по време на митозата. Натрупването на екстрахромозомна рДНК от майчините клетки води до намаляване на способността на клетките да се делят. Това явление се нарича "клетъчно стареене". В допълнение, ядрото може да регулира навлизането на клетките в мейозата, както и активността на Cdc 14 фосфатазата, която контролира преминаването на телофазата на митозата. Получени са доказателства, че повтарящите се rDNA последователности на ядрото служат като място за сглобяване на регулаторния протеинов комплекс RENT (регулатор на нуклеоларното заглушаване и излизане от телофазата), който включва фосфатаза и три други протеина, които осигуряват регулаторните функции на нуклеола.

45S rRNA транскриптите първо образуват големи комплекси, свързващи се с голям брой различни протеини, внесени от цитоплазмата, където се синтезират всички клетъчни протеини. Повечето от 70-те различни полипептидни вериги, които образуват рибозомата, както и 5S rRNA, се включват на този етап.

Необходими са и други молекули, за да може процесът на сглобяване да протече правилно. Например ядрото съдържа други РНК-свързващи протеини, както и някои малки рибонуклеопротеинови частици (включително U3-snRNP), за които се смята, че катализират сглобяването на рибозомите. Тези компоненти остават в ядрото, а рибозомните субединици се транспортират в готов вид в цитоплазмата. Особено важен компонент на ядрото е нуклеолинът, добре проучен протеин, който присъства в големи количества и изглежда се свързва само с рибозомни РНК транскрипти. Нуклеолинът се оцветява със сребро по специален начин. Това оцветяване характеризира цялото ядро ​​като цяло.

По време на обработката на 45S-РНК, този гигантски рибонуклеопротеинов комплекс постепенно губи някои протеини и РНК последователности и след това се разцепва специфично, образувайки независими прекурсори на голямата и малката рибозомна субединица.

30 минути след въвеждането на радиоактивен етикет, първите зрели малки рибозомни субединици, съдържащи белязана 18S рРНК, напускат ядрото и се появяват в цитоплазмата.

Сглобяването на големи рибозомни субединици, съдържащи 28S-РНК, 5.8S-РНК и 5S-РНК, изисква малко повече време (около 1 час), следователно в ядрото се натрупват много повече незавършени големи субединици, отколкото малки.

Последните етапи на узряване на рибозомите настъпват само след освобождаването на рибозомните субединици от ядрото в цитоплазмата. Това постига изолиране на функциониращи рибозоми от незрели ядрени транскрипти.

Има доказателства, показващи участието на ядрото в регулацията на клетъчния цикъл.

Нуклеол е производно на хромозомата, един от нейните локуси, активно функциониращ в интерфазата. Клетъчният нуклеол е мястото на образуване на рибозомна РНК и рибозоми, върху които се извършва синтеза на полипептидни вериги. В прокариотните клетки образуването на рибозоми не е свързано с изолирането на специален локус под формата на нуклеол, но въпреки липсата на нуклеоли в тези клетки, самият процес на синтез на рибозоми е до голяма степен подобен.

Нуклеолите съдържат няколко вида протеини:

• киселинни фосфопротеини,
• основни протеини с нехистонова природа.

Концентрацията на РНК в ядрото може да бъде 2-8 пъти по-висока, отколкото в ядрото, и 1-3 пъти по-висока, отколкото в цитоплазмата. Нуклеоларна РНКе предшественик на цитоплазмената РНК. Тъй като 70 до 90% от цитоплазмената РНК е рибозомна, тогава Ядрото е мястото на синтеза на рибозомна РНК (рРНК).

Нуклеоларна РНК

В цистрона на рибозомния ген първоначално се синтезира гигантска молекула - предшественик с коефициент на утаяване 45 S (молекулно тегло 4,5 106), която след това се разделя на две части, давайки началото на 18S и 28 S рРНК. В този случай около половината от първоначално синтезираната молекула се унищожава. От нуклеолите са изолирани хетерогенни рибонуклеопротеинови частици с различни коефициенти на утаяване от 40 S до 80 S и по-високи, които са рибонуклеопротеини - предшествениците на рибозомните субединици. Започвайки от 45 S РНК, протеинът се свързва с рРНК и първо се образуват тежки рибозомни прекурсори (около 80 S и 90 S), а след това рибозомни субединици (60 S и 40 S).

Нуклеоларна ДНК

Съдържанието на ДНК в изолираните нуклеоли е 5–12% от сухото тегло и 6–17% от общата ДНК на ядрото. ДНК на нуклеоларния организатор е същата ДНК, върху която се извършва синтеза на нуклеоларна, т.е. рибозомна РНК. Въз основа на анализа на насищането на ДНК по време на хибридизация с рРНК се заключава, че цистроните, отговорни за синтеза на рРНК, са компактно разположени и вероятно представени под формата на полицистронен регион, който е част от нуклеоларния организатор. В ядрото множество идентични гени за синтеза на рРНК са локализирани върху ДНК на вторичната констрикция. Синтезът протича чрез образуването на огромен прекурсор и неговата по-нататъшна трансформация (узряване) в по-къси РНК молекули за големите и малките субединици на рибозомите.

Ултраструктура на нуклеоли

Отбелязва се влакнеста или ретикуларна структура на нуклеолите, затворени в повече или по-малко плътна дифузна маса.

Влакнеста част– нуклеолонема, дифузна, хомогенна част– аморфно вещество или аморфна част. И двете области на ядрото са отрицателни. В някои клетки отделни вериги от нуклеолеми се сливат и нуклеолите могат да бъдат напълно хомогенни.

Основни структурни компоненти на ядрото:

• плътни гранули с диаметър около 150 А,
• тънки фибрили с дебелина 40 - 80 А.

В много случаи фибриларният компонент е сглобен в плътна централна зона (сърцевина), лишена от гранули, а гранулите заемат периферната зона на ядрото. Между гранулите в тази зона винаги се наблюдават рехаво разположени фибрили с дебелина 40–80 A. В някои случаи не се наблюдава допълнително структуриране в тази гранулирана зона. Но често тази зона е представена изолирани нишковидни структуриоколо 1500 - 2000 A дебелина, състояща се от гранули и рехаво подредени фибрили. Фибриларната част на ядрото не винаги е събрана в компактна централна зона.

Ултраструктурата на нуклеолите зависи върху активността на синтеза на РНК: при високо ниво на синтез на рРНК в ядрото се откриват голям брой гранули; когато синтезът спре, броят на гранулите намалява, нуклеолите се превръщат в плътни фибриларни тела.