5. Ядрышки
Ядрышки лишены какой-либо мембраны. Вещество их в основном состоит из субмикроскопических нитей и нуклеоплазмы. Ядрышки обладают высокой плотностью и высоким светопреломлением( тк они являются наиболее плотными структурами в клетке.
В клеточном цикле ядрышко присутствует в течение всей интерфазы, в профазе по мере компактизации хромосом во время митоза оно постепенно исчезает и отсутствует в мета- и анафазе, вновь появляется в середине телофазы, чтобы сохраняться вплоть до следующего митоза, или до гибели клетки. Число ядрышек зависит от числа «ядрышковых организаторов» -- особых участков, на которых в телофазе происходит новообразование ядрышек интерфазного ядра. Часто ядрышковые организаторы локализованы во вторичных перетяжках хромосом
Ядрышки не присутствуют в ядре постоянно: они возникают в средней телофазе митоза и исчезают в конце профазы. Полагают, что по мере затухания синтеза РНК в средней профазе происходят разрыхление ядрышка и выход в цитоплазму образовавшихся в нуклеоплазме субчастиц рибосом. При исчезновении ядрышка во время митоза его белки, ДНК и РНК, становятся основой матрикса хромосом, а в дальнейшем из материала старого ядрышка формируется новое.
Основным компонентом ядрышка является белок: на его долю приходится до 70--80% от сухой массы. Такое большое содержание белка и определяет высокую плотность ядрышек. Кроме белка в составе ядрышка обнаружены нуклеиновые кислоты: РНК (5-14%) и ДНК (2-12%). Ядрышки служат активными центрами синтеза рибосомальной РНК. В соответствии с этим главной составной частью ядрышка является ядрышковая ДНК, которая принадлежит организатору ядрышек одной из хромосом.
Структура ядрышек неоднородна: нитчатые (нуклеолонемы), гранулярные компоненты (нуклеолини), а также светлые зоны - «вакуоли». Гистохимически в ядрышках выявлялась РНК, но не ДНК. ДНК обнаруживалась лишь в периферической зоне ядрышек в виде так называемого околоядрышкового хроматина который мог прилежать к одной из сторон ядрышка, окружать его кольцом или вообще отсутствовать. Ядрышки самых различных объектов построены из одинаковых компонентов: гранулярного и фибриллярного. Гранулы в составе ядрышек имеют размеры 15- 20 нм. В ядрышках имеются зоны скопления тонких (3-5 нм) фибрилл - диффузная часть ядрышек. Взаимное расположение гранулярных и фибриллярных зон в ядрышке может быть различным. Так, в некоторых случаях фибриллярный компонент занимает центральную часть ядрышка в виде однородного образования или в виде нескольких (3-5) отдельных зон.
Обычно гранулярный компонент (ГК) расположен на периферии ядрышка, но встречаются случаи, когда фибриллярный и гранулярный компоненты распределены в ядрышке равномерно. Гранулы представляют собой субъединицы рибосом. Часто в структуре ядрышек фибриллярно-гранулярные компоненты образуют нитчатые структуры - нуклеолонемы (ядрышковые нити), толщиной около 100--200 нм. Ядрышковые нити, или нуклеолонемы, также неоднородны по своему строению: в них кроме гранул толщиной 15 нм входит множество тонких фибрилл, которые могут образовывать в нуклеолонемах отдельные сгущения.
Диффузный, фибриллярный компонент так же неоднороден . Практически во всех типах ядрышек как животных, так и растительных объектов встречаются так называемые фибриллярные центры (ФЦ) - участки скопления фибрилл с низкой электронной плотностью (скопление нитей ДНК- ядрышкового организатора), окруженные зоной фибрилл более высокой электронной плотности -- плотный фибриллярный компонент (рибосомальные транскрипты_ (ПФК).
Кроме гранул и фибриллярных участков в структуре ядрышка обнаруживаются хроматиновые компоненты: такие как околоядрышковый хроматин, который может примыкать к ядрышку и даже окружать его. Часто 30-нанометровые фибриллы хроматина по периферии ядрышка заходят в лакуны между нуклеолонемными участками.
В составе ядрышка выявляется белковый остов -- матрикс. На ультратонких срезах необработанных ядрышек матрикс не выявляется в виде отдельного компонента, но если экстрагировать из ядрышек РНК, ДНК и белки, связанные с ними, то можно видеть, что ядрышко как таковое не распадается, не теряет своей общей формы. После таких обработок структура ядрышка представлена рыхлой фибриллярной сетью, заполняющей объем ядрышка.
Таким образом, в структуре ядрышек можно различить следующие пять компонентов: гранулярный, фибриллярные центры, плотный фибриллярный компонент, хроматин, белковый сетчатый матрикс.
Фибриллярный центр и ядрышковый организатор
Строение и химические характеристики фибриллярных центров (ФЦ) схоже с троением и функциями ядрышковых организаторов митотических хромосом. И те и другие построены из тесно ассоциированных фибрилл толщиной 6--10 нм и обладают характерной особенностью -- окрашиваются солями серебра, что зависит от наличия особых ядрышковых белков, а также содержат РНК- полимеразу I.
Белки ядрышек
До 60% сухой массы выделенных ядрышек приходится на белки, число которых может составлять несколько сотен разных видов. Помимо белков ассоциированного с ядрышками хроматина в состав ядрышек входят белки рибосом и специфические ядрышковые белки, связанные с транскрипцией рибосомных генов, с процессингом 45S рРНК, такие как РНК-полимераза I, факторы транскрипции, топоизомеразы, метилазы, нуклеазы, протеинкиназы, фосфатазы. Часть ядрышковых белков имеет сродство к серебру (аргентофильные белки): РНК-полимераза I, фактор транскрипции UBF, нуклеолин (С-23), нуклеофозмин (ньюматрин, или В-23). Собственно ядрышковые белки расположены в специфических местах их активности.
Функции ядрышек
1.Синтеза рРНК.
2. Созревание (сплайсирование) с-mус иРНК в клетках млекопитающих происходит в ядрышках.
В ядрышках были выявлены сплайсосомные малые РНК (sn РНК), факторы сплайсинга пре-иРНК. Так же в ядрышках обнаружены РНК, входящие в SRP-частицы, участвующие в синтезе белков в эндоплазматическом ретикулуме. С ядрышком ассоциирована РНК теломеразы - рибонуклеопротеида (обратная транскриптаза). Имеется много данных о локализации в ядрышках процессинга малых ядерных РНК, входящих в состав сплайсосом, и даже о процессинге тРНК.
6. Центральная догма молекулярной биологии. значение ядра в переносе информации от ДНК к белку
Клетка как таковая выполняет множество разнообразных функций.Часть из них -- общеклеточные, часть -- специальные, характерные для особых клеточных типов. Главными рабочими механизмами выполнения этих функций являются белки или их комплексы с другими биологическими макромолекулами, такими, как нуклеиновые кислоты, липиды и полисахариды. Практически все процессы синтеза, распада, перестройки разных белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов происходят в результате активности специфических для каждой отдельной реакции белков-ферментов.
Белки - это основные компоненты практически всех клеточных структур. Структура каждого отдельно взятого белка строго специфична, что выражается в специфичности их первичной структуры -- в последовательности аминокислот вдоль полипептидной, белковой цепи. Причем специфичность этой аминокислотной последовательности безошибочно повторена во всех молекулах данного клеточного белка.
Правильность в воспроизведении однозначной последовательности аминокислот в белковой цепи детерминируется структурой ДНК того генного участка, который в конечном счете отвечает за структуру и синтез данного белка. Эти представления служат основным постулатом молекулярной биологии, ее «догмой». Информация о будущей молекуле белка передается в места его синтеза (в рибосомы) посредником -- информационной РНК (иРНК), нуклеотидный состав которой отражает состав и последовательность нуклеотидов генного участка ДНК. В рибосоме строится полипептидная цепь, последовательность аминокислот в которой определяется последовательностью нуклеотидов в иРНК, последовательностью их триплетов. Тем самым центральная догма молекулярной биологии подчеркивает однонаправленность передачи информации: только от ДНК к белку с помощью промежуточного звена -- иРНК (ДНК > иРНК > белок). Для некоторых РНК-содержащих вирусов цепь передачи информации может идти по схеме РНК > иРНК > белок. Это не меняет сути дела, так как детерминирующим, определяющим звеном здесь является также нуклеиновая кислота. Обратные пути детерминации от белка к нуклеиновой кислоте, к ДНК или РНК неизвестны.
Главная, «командная», роль в определении специфической структуры белков принадлежит дезоксирибонуклеиновой кислоте -- ДНК. Молекула ДНК представляет собой чрезвычайно длинную линейную структуру, состоящую из двух взаимозакрученных полимерных цепей. Составными элементами -- мономерами -- этих цепей являются четыре сорта дезоксирибонуклеотидов, чередование или последовательность которых вдоль цепи уникальна и специфична для каждой молекулы ДНК и каждого ее участка. Различные достаточно длинные участки молекулы ДНК ответственны за синтез разных белков. Тем самым одна молекула ДНК может определить синтез большого числа функционально и химически различных белков клетки. За синтез каждого одного типа белков ответствен лишь определенный участок молекулы ДНК. Участок молекулы ДНК, связанный с синтезом одного какого-либо белка в клетке называют «цистрон». В уникальной структуре гена -- в определенном последовательном расположении его нуклеотидов вдоль цепи -- заключена вся информация о структуре одного соответствующего белка.
Начальный пункт, с которого начинается поток информации для биосинтеза белков в клетке, является ДНК. Именно ДНК содержит ту первичную запись информации, которая должна сохраняться и воспроизводиться от клетки к клетке, из поколения в поколение.
Главный принцип, лежащий в основе макромолекулярной структуры ДНК, - это принцип комплементарности. Молекула ДНК состоит из двух взаимозакрученных цепей. Эти цепи связаны друг с другом посредством взаимодействия их противолежащих нуклеотидов. При этом по структурным соображениям существование такой двутяжной структуры оказывается возможным только в том случае, если противолежащие нуклеотиды обеих цепей будут стерически комплементарны, т.е. будут своей пространственной структурой дополнять друг друга. Такими взаимодополняющими -- комплементарными -- парами нуклеотидов являются пара А-Т (аденин--тимин) и пара Г-Ц (гуанин--цитозин).
Указанный структурный принцип, лежащий в основе двутяжного строения молекулы ДНК, позволяет легко понять точное воспроизведение исходной структуры, т.е. точное воспроизведение информации, записанной в цепях молекулы в виде определенной последовательности из четырех сортов нуклеотидов. Действительно, синтез новых молекул ДНК в клетке происходит только на базе уже имеющихся молекул ДНК. При этом две цепи исходной молекулы ДНК начинают с одного из концов расходиться, и на каждом из разошедшихся однотяжных участков начинает собираться из присутствующих в среде свободных нуклеотидов вторая цепь в точном соответствии с принципом комплементарности. Процесс расхождения двух цепочек исходной молекулы ДНК продолжается, и соответственно обе цепи дополняются комплементарными цепями. В результате вместо одной возникают две молекулы ДНК, в точности идентичные исходной. В каждой получившейся «дочерней» молекуле ДНК одна цепь целиком происходит от исходной, а другая является заново синтезированной.
Потенциальная способность к точному воспроизведению заложена в самой двутяжной комплементарной структуре ДНК.
ДНК сама по себе вовсе не является самовоспроизводящей молекулой. Для осуществления процесса синтеза -- воспроизведения ДНК по описанной выше схеме -- необходима деятельность специального ферментативного комплекса, носящего название ДНК-полимеразы. Именно этот фермент осуществляет последовательно идущий от одного конца молекулы ДНК к другому процесс расхождения двух цепей с одновременной полимеризацией на них свободных нуклеотидов по комплементарному принципу. Таким образом, ДНК, подобно матрице, лишь задает порядок расположения нуклеотидов в синтезирующихся цепях, а сам процесс ведет белок.
Однако ДНК и отдельные ее функциональные участки, несущие информацию о структуре белков, сами непосредственного участия в процессе создания белковых молекул не принимают. Первым этапом на пути к реализации этой информации, записанной в цепях ДНК, является так называемый процесс транскрипции, или «переписывания». В этом процессе на одной цепи ДНК, как на матрице, происходит синтез химически родственного полимера -- рибонуклеиновой кислоты (РНК). Молекула РНК представляет собой одну цепь, мономерами которой являются четыре сорта рибонуклеотидов, которые рассматриваются как небольшая модификация четырех сортов дезоксирибонуклеотидов ДНК. Последовательность расположения четырех сортов рибонуклеотидов в образующейся цепи РНК в точности повторяет последовательность расположения соответствующих дезоксирибонуклеотидов одной из двух цепей ДНК. Таким путем нуклеотидная последовательность генов копируется в виде молекул РНК, т.е. информация, записанная в структуре данного гена, целиком переписывается на РНК. С каждого гена может сниматься большое, теоретически неограниченное количество таких «копий» -- молекул РНК. Эти молекулы, переписанные как «копии» генов и, стало быть, несущие ту же информацию, что и гены, расходятся по клетке. Они переносят информацию от места, где она хранится, в места ее реализации. Соответственно эти РНК обозначают как информационные (иРНК) или матричные (мРНК).
Выяснено, что цепь иРНК синтезируется, прямо используя соответствующий участок ДНК в качестве матрицы. Синтезируемая цепь мРНК при этом точно копирует по своей нуклеотидной последовательности одну из двух цепей ДНК (принимая, что урацилу (У) в РНК соответствует его производное тимин (Т) в ДНК). Это происходит на основе того же структурного принципа комплементарности, который определяет редупликацию ДНК. Когда происходит синтез мРНК на ДНК в клетке, то в качестве матрицы для образования цепи мРНК используется лишь одна цепь ДНК. Тогда каждому Г этой цепи ДНК будет соответствовать Ц в строящейся цепи РНК, каждому Ц цепи ДНК -- Г в цепи РНК, каждому Т цепи ДНК -- А в цепи РНК и каждому А цепи ДНК -- У в цепи РНК. В итоге получающаяся цепь РНК будет строго комплементарна матричной цепи ДНК и, следовательно, идентична по последовательности нуклеотидов (принимая Т = У) второй цепи ДНК. Таким образом происходит «переписывание» информации с ДНК на РНК, т.е. транскрипция. «Переписанные» сочетания нуклеотидов цепи РНК уже непосредственно определяют расстановку соответствующих, кодируемых ими аминокислот в цепи белка.