ВКЛЮЧЕНИЯ

Различают включения трофические, секреторные и пигментные. К трофическим включениям относятся капли жиров, которые мо­гут накапливаться в гиалоплазме и использоваться в случае недо­статка субстратов для жизнедеятельности клетки. Другой вид вклю­чений резервного характера — полисахарид гликоген, откладыва­ющийся в гиалоплазме. Отложение запасных белковых гранул обыч­но связано с активностью эндоплазматической сети. Так, запасы белка вителлина в яйцеклетках амфибии накапливаются в вакуо­лях эндоплазматической сети.

Секреторные включения — мембранные вакуоли различных раз­меров, содержат биологически активные вещества, образующие­ся в процессе синтетической деятельности клеток, например пи­щеварительные ферменты в клетках поджелудочной железы.

Пигментные включения, локализованные в цитоплазме, могут обеспечивать окраску ткани или органа. Примером пигментных включений являются гранулы меланина в специализированных клетках низших позвоночных — меланофорах.

ЯДРО

Каждая эукариотическая клетка содержит органоид, называе­мый ядром. Ядра, как правило, имеют шаровидную форму, но встречаются и многолопастные ядра. Существуют многоядерные клетки (поперечнополосатое мышечное волокно), а также клетки безъядерные (эритроциты и тромбоциты млекопитающих), но это явление достаточно редкое, и подобные структуры всегда возни­кают из нормальных одноядерных предшественников, которые в результате специализации приобретают уникальные черты строе­ния, необходимые для выполнения конкретных функций.

Ядро обеспечивает хранение, передачу и реализацию генетичес­кой информации. В нем происходит воспроизведение (редупликация) молекул ДНК, что дает возможность при митозе двум дочерним клеткам получить одинаковый в качественном и количественном отношении генетический материал. Ядро обеспечивает синтез на молекулах ДНК различных информационных РНК (иРНК), всех видов транспортных (тРНК) и рибосомных РНК(рРНК) (см. ниже). В ядре также происходит образование субъединиц рибосом путем объединения синтезированных в ядрышке рРНК с рибосомными белками, которые синтезируются в цитоплазме и переносятся в ядро.

Ядро состоит из хроматина (хромосом), ядрышка, кариоплазмы (нуклеоплазмы) и ядерной оболочки, отделяющей ядро от цито­плазмы.

Хроматин. При наблюдении живых или фиксированных клеток под световым микроскопом внутри ядра выявляются зоны плотно­го вещества, которые хорошо прокрашиваются разными красите­лями, особенно основными. Этот компонент ядра получил назва­ние хроматин (от греч. chroma — цвет, краска). В неделящихся (ин­терфазных) клетках хроматин более или менее равномерно за­полняет объем ядра или же располагается отдельными глыбками.

В состав хроматина входит ДНК в комплексе с белками. Хрома­тин интерфазных ядер представляет собой хромосомы, которые теряют в это время свою компактную форму, разрыхляются, деконденсируются (см. раздел XI). Степень деконденсации может быть различной. Зоны полной деконденсации хромосом и их участков морфологи называют эухроматином (ей — хороший, греч.). В ин­терфазном ядре видны также участки конденсированного хрома­тина, иногда называемого гетерохроматином. Степень деконден­сации хромосомного материала — хроматина — в интерфазе отра­жает функциональную нагрузку этой структуры. Чем "диффузнее" распределен хроматин в интерфазном ядре, тем интенсивнее осу­ществляются синтетические процессы.

Максимально конденсирован хроматин во время митотического деления клеток, когда он представлен плотными тельцами — хромосомами (см. раздел XI). Они отчетливо видны как плотные окрашивающиеся тельца. В этот период хромосомы не выполняют никаких синтетических функций, в них не происходит синтез ДНК и РНК.

Таким образом, хромосомы клеток могут находиться в двух структурно-функциональных состояниях: в активном, деконденсированном, когда с их участием в интерфазном ядре происходят процессы транскрипции и редупликации (см. раздел XII), и в не­активном, конденсированном, когда они выполняют функцию пе­реноса генетического материала в дочерние клетки.

Наблюдения за структурой хроматина с помощью электронно­го микроскопа показали, что в препаратах выделенного интер­фазного хроматина или выделенных митотических хромосом, как и в составе ядра на ультратонких срезах всегда видны элементар­ные хромосомные фибриллы толщиной 20—25 нм (рис.Х.10).

В химическом отношении фибриллы хроматина представляют собой сложные комплексы дезоксирибонуклеопротеидов (ДНП), в состав которых входят ДНК и специальные хромосомные белки — гистоновые и негистоновые. В составе хроматина обнаруживаются также РНК. Количественные соотношения ДНК, белка и РНК составляют: (1):(1,3):(0,2). Длина индивидуальных линейных моле­кул ДНК может достигать сотен микрометров и даже сантиметров. Среди хромосом человека самая большая, первая хромосома со­держит ДНК общей длиной до 4 см. Суммарная длина молекул ДНК во всех хромосомах одной клетки человека составляет около 170 см.

Рис.X. 10. Организация хроматина в хромосоме

В хромосомах существует множество участков независимой ре­пликации (удвоения ДНК) — репликонов. Средний размер репликона — около 30 мкм. В составе генома человека должно встре­чаться более 50 000 репликонов — участков ДНК, которые синте­зируются как независимые единицы.

Хромосомные белки составляют 60—70% от сухой массы хро­матина. Негистоновые белки со­ставляют 20% от количества гистонов. Гистоны — щелочные белки, обогащенные основными ами­нокислотами (главным образом лизином и аргинином), играют структурную роль в обеспечении специфической укладки хромо­сомной ДНК. Гистоны расположены по длине молекулы ДНК не равномерно, а в виде блоков. В каждый блок входят 8 молекул гистонов, образуя так называемую нуклеосому. Размер нуклеосомы — около 10 нм. При образовании нуклеосом происходит компактизация, сверхспирализация ДНК, что приводит к укорачива­нию длины хромосомной фибриллы примерно в 7 раз. Сама же хромосомная фибрилла имеет вид нитки бус, где каждая буси­на — нуклеосома. Такие фибриллы толщиной 10 нм дополнитель­но продольно конденсируются и образуют основную элементар­ную фибриллу хроматина толщиной 25 нм.

Столь сложная многоступенчатая укладка нитей ДНК обеспе­чивает возможность компактной укладки гигантских молекул в относительно малом объеме ядра. Наибольшая степень компактизации достигается в митотических хромосомах, что делает воз­можным совершенный перенос генетической информации в до­черние ядра.

Ядрышко. Особый тип матричной ДНК, ответственный за синтез рибосомной РНК, собран обычно в несколько компактных учас­тков, называемых ядрышками.

Практически во всех клетках эукариотических организмов в ядре присутствуют одно или несколько ядрышек размером 1—5 мкм. Ядрышко, самая плотная структура ядра, является производным хромосомы, одним из ее локусов с наиболее высокой концентра­цией и активностью синтеза РНК в интерфазе. Оно не является самостоятельным органоидом, а представляет собой место обра­зования рРНК и рибосом, на которых впоследствии синтезиру­ются полипептидные цепи в цитоплазме.

Образование ядрышек и их число связаны с активностью и числом определенных участков хромосом — ядрышковых организа­торов, которые расположены большей частью в зонах вторичных перетяжек. ДНК ядрышкового организатора представлена множе­ственными (несколько сотен) копиями генов рРНК: на каждом из них синтезируется высокомолекулярный предшественник РНК, который превращается в более короткие молекулы РНК, входя­щие в состав субъединиц рибосомы.

Схему участия ядрышек в синтезе цитоплазматических белков можно представить следующим образом: на ДНК ядрышкового организатора образуется предшественник рРНК, который в зоне ядрышка одевается белком. Здесь происходит сборка рибонуклеопротеидных частиц, субъединиц рибосом; субъединицы, выходя из ядра в цитоплазму, организуются в рибосомы и участвуют в синтезе белка.

Ядрышко неоднородно по своему строению: под микроскопом можно видеть его тонковолокнистую организацию. Электронная микроскопия позволяет выявить два основных компонента: грану­лярный и фибриллярный. Фибриллярный компонент может быть сосредоточен в центральной части ядрышка, а гранулярный — по периферии. Фибриллярный компонент ядрышек представляет собой рибонуклеопротеидные тяжи предшественников рибосом, а гранулы — созревающие субъединицы рибосом. Ультраструктура ядрышек зависит от активности синтеза РНК: при высоком уров­не синтеза в ядрышке выявляется большое число гранул, при пре­кращении синтеза количество гранул снижается, ядрышки пре­вращаются в плотные фибриллярные тельца базофильной приро­ды. Действие многих веществ (актиномицина, ряда канцерогенов) существенно снижает активность ядрышек. При этом в их структу­ре возникают изменения, связанные главным образом с подавле­нием синтеза рРНК.

Ядерный белковый матрикс. Негистоновые белки интерфазных ядер образуют внутри ядра структурную сеть — ядерный белковый матрикс. Он определяет морфологию и метаболизм ядра. Ядерный белковый матрикс хорошо выявляется в интерфазных ядрах после растворения хроматина, экстракции ДНК и РНК. Он представлен периферическим фибриллярным слоем, подстилающим ядерную оболочку, — ламиной. Кроме того, матрикс образует внутриядер­ную сеть, к которой крепятся фибриллы хроматина. Функцио­нальная роль матрикса заключается в поддержании общей формы ядра, в организации не только пространственного расположения в ядре деконденсированных хромосом, но также их активности. На элементах ядерного матрикса располагаются ферменты синте­за РНК и ДНК (см. ниже). Белки ядерного матрикса участвуют в дальнейшей компактизации ДНК в интерфазных и митотических хромосомах.

Ядерная оболочка, или кариолемма. Ядерная оболочка состоит из двух мембран — внешней и внутренней, разделенных перинуклеарным пространством. Она функционирует как барьер между со­держимым ядра и цитоплазмой, ограничивающий свободное пе­ремещение в ядро крупных агрегатов биополимеров и регулирую­щий транспорт макромолекул между ядром и цитоплазмой.

Внешняя мембрана ядерной оболочки, непосредственно контак­тирующая с цитоплазмой клетки, имеет ряд структурных особен­ностей, позволяющих отнести ее к собственно мембранной сис­теме эндоплазматической сети: на ней со стороны гиалоплазмы расположены многочисленные полирибосомы, а сама внешняя ядерная мембрана может прямо переходить в мембраны эндоп­лазматической сети. Одной из важных функций ядерной оболочки является фиксация хромосомного материала в трехмерном про­странстве ядра. В интерфазе часть хроматина структурно связана с внутренней ядерной мембраной. Эта связь опосредуется с помо­щью подмембранного слоя фибриллярных белков — ламины. В со­став ламины входят белки, родственные промежуточным филаментам цитоплазмы. С ними специфически связываются фибрил­лы хроматина.

Оболочка ядра имеет округлые отверстия — ядерные поры диа­метром около 90 нм. В зоне поры внешняя и внутренняя мембраны смыкаются и формируются отверстия, заполненные фибрилляр­ными и гранулярными структурами, называемые комплексом поры, или поросомой. Комплекс имеет октагональную симметрию. По гра­нице округлого отверстия в ядерной оболочке располагаются три ряда гранул, по 8 в каждом: один ряд лежит со стороны ядра, другой — со стороны цитоплазмы, третий расположен в цент­ральной части поры. Размер гранул — около 25 нм. От них отходят фибриллярные отростки. Размеры ядерных пор клеток разных орга­низмов стабильны.

Комплекс ядерной поры в функциональном отношении пред­ставляет собой сложную систему, которая активно участвует в ре­цепции транспортируемых макромолекул (белков и нуклеотидов) и их переносе, при котором используется АТФ. В состав каждого комплекса ядерной поры входит несколько сотен различных бел­ков.

Число ядерных пор зависит от метаболической активности кле­ток: чем интенсивнее синтетические процессы в клетках, тем боль­ше пор на единицу поверхности клеточного ядра. Так, у эритробластов (клеток-предшественников ядерных эритроцитов низших позвоночных животных) во время интенсивного синтеза и на­копления гемоглобина в ядре обнаруживается около 30 ядерных пор на 1 мкм². После завершения этих процессов в ядрах зрелых клеток — эритроцитов — количество пор снижается до 5 на 1 мкм². В среднем на одно ядро приходится несколько тысяч поровых ком­плексов.