-Совокупность нитевидных белковых структур – микротрубочек и микрофиламентов, составляющих опорно-двигательную систему клетки.
Цитоскелет - высокодинамичная система цитоплазмы. Многие структуры цитоскелета могут легко разрушаться и вновь возникать, меняя свое расположение или морфологию. В основе этих особенностей цитоскелета лежат реакции полимеризации-деполимеризации основных структурных цитоскелетных белков и их взаимодействие с другими белками, как структурными, так и регуляторными.
Цитоскелетом обладают только эукариотические клетки, в клетках прокариот (бактерий) его нет, что является важным различием этих двух типов клеток. Цитоскелет придаёт клетке определённую форму даже при отсутствии жёсткой клеточной стенки. Он организует движение органоидов в цитоплазме (т. н. течение протоплазмы), лежащее в основе амёбоидного движения. Цитоскелет легко перестраивается, обеспечивая в случае необходимости изменение формы клеток. Способность клеток изменять форму обусловливает перемещение клеточных пластов на ранних стадиях зародышевого развития. При делении клетки (митозе) цитоскелет «разбирается» (диссоциирует), а в дочерних клетках вновь происходит его самосборка.
Функции цитоскелета многообразны. Он способствует поддержанию формы клетки, осуществляет все типы клеточных движений. Кроме того, цитоскелет может принимать участие в регуляции метаболической активности клетки.
Цитоскелет образован белками. В цитоскелете выделяют несколько основных систем, называемых либо по основным структурным элементам, заметным при электронно-микроскопических исследованиях (Микрофиламенты, промежуточные филаменты, микротрубочки), либо по основным белкам, входящим в их состав (актин-миозиновая система, кератины, тубулин-динеиновая система).
Промежуточные филаменты являются наименее понятной структурой среди основных компонентов цитоскелета в отношении их сборки, динамики и функций. Их свойства и динамика сильно отличаются от соответствующих характеристик как микротрубочек, так и актиновых филаментов. Функции же промежуточных филаментов до сих пор остаются в области гипотез.
Цитоплазматические промежуточные филаменты обнаружены в подавляющем большинстве укариотических клеток, как у позвоночных, так и беспозвоночных животных, у высших растений. Редкие примеры клеток животных, у которых не обнаружены промежуточные филаменты, не могут считаться окончательными, так как белки промежуточных филаментов могут образовывать необычные структуры.
Морфологические микротрубочки представляют собой полые цилиндры диаметром около 25 нм с толщиной стенки около 5 нм. Стенка цилиндра состоит их протофиламентов - линейных полимеров тубулина с продольно ориентированными гетеродимерами. В составе микротрубочек протофиламенты идут вдоль их длинной оси с небольшим сдвигом друг относительно друга, так что субъединицы тубулина образуют трехстартовую спираль. В состав микротрубочек большинства животных входит 13 протофиламентов
Актиновые филаменты играют ключевую роль в сократительном аппарате мышечных и немышечных клеток, а также принимают участие во многих других клеточных процессах, таких как подвижность, поддержание формы клетки, цитокинез
Актиновые филаменты или фибриллярный актин ( F-актин) представляют собой тонкие фибриллы диаметром 6-8 нм. Они являются результатом полимеризации глобулярного актина - G-актина. В клетке актиновые филаменты с помощью других белков могут образовывать множество разнообразных структур.
ЦИТОСКЕЛЕТ
Цитоскелет представляет собой сложную динамичную систему микротрубочек, микрофиламентов, промежуточных филаментов и микротрабекул. Указанные компоненты цитоскелета являются немем-" бранными органеллами; каждый из них образует в клетке трехмерную сеть с характерным распределением, которая взаимодействует с сетями из других компонентов. Они входят также в состав ряда других более сложно организованных органелл (ресничек, жгутиков, микроворсинок, клеточного центра) и клеточных соединений (десмосом, полудесмосом, опоясывающих десмосом).
Основные функции цитоскелета:
1 поддержание и изменение формы клетки;
2 распределение и перемещение компонентов клетки;
3 транспорт веществ в клетку и из нее;
4 обеспечение подвижности клетки;
5участие в межклеточных, соединениях.
Микротрубочки
Микротрубочки, - наиболее крупные компоненты цитоскелета. Они представляют с^бой полые цилиндрические образования, имеющие форму трубочек, длиной до нескольких микрометров (в жгутиках более 50 нм) диаметром около 24-25 нм, с толщиной стенки 5 нм и диаметром просвета 14-15 нм (рис. 3-14).
Стенка микротрубочки состоит из спиралевидно уложенных нитей - протофиламентов толщиной 5 нм (которым на поперечном разрезе соответствуют 13 субъединиц), образованных димерами из белковых молекул а~ и /3-тубулина.
Функции микротрубочек:
(1) поддержание формы и полярности клетки, распределения ее компонентов,
(2) обеспечение внутриклеточного транспорта,
(3) обеспечение движения ресничек, хромосом в митозе (формируют ахроматиновое веретено, необходимое для клеточного деления),
(4) образование основы других органелл (центриолей, ресничек).
Расположение микротрубочек. Микротрубочки располагаются в цитоплазме в составе нескольких систем;
а) в виде отдельных элементов, разбросанных по всей цитоплазме и формирующих сети;
б) в пучках, где они связаны тонкими поперечными мостиками (в отростках нейронов, в составе митогяческого веретена, манжетки сперматиды, периферического "кольца" тромбоцитов);
в) частично сливаясь друг с другом с формированием пар, или дублетов (в аксонеме ресничек и жгутиков), и триплетов (в базальном тельце и центриоли).
Образование и разрушение микротрубочек. Микротрубочки представляют собой лабильную систему, в которой имеется равновесие между их постоянной сборкой и диссоциацией. У большинства микротрубочек один конец (обозначаемый как "-") закреплен, а другой ("+") свободен и участвует в их удлинении или деполимеризации. Структурами, обеспечивающими образование микротрубочек, служат особые мел- I кие сферические тельца - сателлиты (от англ, satellite - спутник), отче- { го последние называют центрами организации микротрубочек (ЦОМТ). . Сателлиты содержатся в базалъных тельцах ресничек и клеточном цен- I тре (см. рис. 3-15 и 3-16). После полного разрушения микротрубочек ] в цитоплазме они отрастают от клеточного центра со скоростью около 1 мкм/мин., а их сеть вновь восстанавливается менее, чем за полтора часа. К ЦОМТ относят также и центромеры хромосом.
Связь микротрубочек с другими структурами клетки и между собой осуществляется посредством ряда белков, выполняющих различные функции. (1) Микротрубочки с помощью вспомогательных белков прикреплены к другим клеточным компонентам. (2) По своей длине микротрубочки образуют многочисленные боковые выросты (которые состоят из белков, ассоциированных с микротрубочками) длиной до нескольких десятков нанометров. Благодаря тому, что такие белки последовательно и обратимо связываются с органеллами, транспортными пузырьками, секреторными гранулами и другими образованиями, микротрубочки (ко- ] торые сами не обладают сократимостью) обеспечивают перемещение указанных структур по цитоплазме. (3) Некоторые белки, ассоциированные с микротрубочками, стабилизируют их структуру, а связываясь с их свободными краями, препятствуют деполимеризации.
Угнетение самосборки микротрубочек посредством ряда веществ, являющихся ингибиторами митоза (колхицин, винбластин, винкрис-тин), вызывает избирательную гибель быстроделящихся клеток. Поэтому некоторые из таких веществ успешно используются для химиотера-
пии опухолей. Блокаторы микротрубочек нарушают также транспортные процессы в цитоплазме, в частности, секрецию, аксонный транспорт в нейронах. Разрушение микрогрубочек приводит к изменениям формы клетки и дезорганизации ее структуры и распределения органелл.
Клеточный центр (цитоцентр)
Клеточный центр образован двумя полыми цилиндрическими структурами длиной 0.3-0.5 <мкм и диаметром 0.15-0.2 мкм - центриоля-ми, которые располагются вблизи друг друга во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 3-15). Каждая центриоль состоит из 9 триплетов частично слившихся микротрубочек (А, В и С), связанных поперечными белковыми мостиками ("ручками"). В центральной части центриоли микротрубочки отсутствуют (по некоторым данным, здесь имеется особая центральная нить), что описывается общей формулой (9*3) + 0. Каждый триплет центриоли связан со сферическими тельцами диаметром 75 нм - сателлитами; расходящиеся от них микротрубочки образуют центросферу.
В неделящейся клетке выявляется одна пара центриолей (диплосо-ма), которая обычно располагается вблизи ядра. Перед делением в S-ne-риоде интерфазы происходит дупликация центриолей пары, причем под прямым углом к каждой зрелой (материнской) центриоли формируется новая (дочерняя), незрелая процентриоль, в которой вначале имеются лишь 9 единичных микротрубочек, позднее превращающихся в триплеты. Пары центриолей далее расходятся к полюсам клетки, а во время митоза они служат центрами образования микротрубочек ахроматина-вого веретена деления.
Реснички и жгутики
Реснички и жгутики - органеллы специального значения, участвующие в процессах движения, - представляют собой выросты цитоплазмы, основу которых составляет каркас из микротрубочек, называемый осевой нитью, или аксонемой (от греч. axis - ось и пета - нить). Длина ресничек равна 2-10 мкм, а их количество на поверхности одной реснитчатой клетки может достигать нескольких сотен. В единственном типе клеток человека, имеющих жгутик - спермиях - содержится только по одному жгутику длиной 50-70 мкм.
Аксонема образована 9 периферическими парами микротрубочек и одной центрально расположенной парой; такое строение описывается формулой (9 х 2) + 2 (рис. 3-16). Внутри каждой периферической пары за счет частичного слияния микротрубочек одна из них (А) полная, а вторая (В) - неполная (2-3 димера общие с микротрубочкой А).
Центральная пара микротрубочек окружена центральной оболочкой, от которой к периферическим дублетам расходятся радиальные спицы. Периферические дублеты связаны друг с другом мостиками нек-сина, а от микротрубочки А к микротрубочке В соседнего дублета отходят "ручки" из белка динеина (см. рис. 3-16), который обладает активностью АТФазы.
Биение реснички и жгутика обусловлено скольжением соседних дублетов в аксонеме, которое опосредуется движением динеиновых ручек. Мутации, вызывающие изменения белков, входящих в состав ресничек и жгутиков, приводят к различным нарушениям функции соответствующих клеток. При синдроме Картагенера (синдроме неподвижных, ресничек), обычно обусловленном отсутствием динеиновых ручек, больные страдают хроническими заболеваниями дыхательной системы (связанными с нарушением функции очищения поверхности респираторного эпителия) и бесплодием (вследствие неподвижности спермиев).
Базальное тельце, по своему строению сходное с центриолью, лежит в основании каждой реснички или жгутика. На уровне апикального конца тельца микротрубочка С триплета заканчивается, а микротрубочки А и В продолжаются в соответствующие микротрубочки аксоне-мы реснички или жгутика. При развитии ресничек или жгутика базаль-ное тельце играет роль матрицы, на которой поисходит сборка компонентов аксонемы.
Микрофиламенты
Микрофиламенты - тонкие белковые нити диаметром 5-7 ни, лежащие в цитоплазме поодиночке, в виде сетей или пучками. В скелетной мышце тонкие Микрофиламенты образуют упорядоченные пучки, взаимодействуя с более толстыми миозиновыми филаментами.
Кортикальная (терминальная) сеть - зона сгущения микрофила-ментов под плазмолеммой, характерная для большинства клеток. В этой сети Микрофиламенты переплетены между собой и "сшиты" друг с другом с помощью особых белков, самым распространенным из которых является филамин. Кортикальная сеть препятствует резкой и внезапной деформации клетки при механических воздействиях и обеспечивает плавные изменения ее формы путем перестройки, которая облегчается актин-растворяющими (преобразующими) ферментами.
Прикрепление микрофиламентов к плазмолемме осуществляется благодаря их связи с ее интегральными ("якорными") белками (интег-ринами) - непосредственно или через ряд промежуточных белков - талин, винкулин и сс-актинин (см. рис. 10-9). Помимо этого, актиновые микрофиламенты прикрепляются к трансмембранным белкам в особых участках плазмолеммы, называемых адгезионными соединениями, или фокальными контактами, которые связывают клетки друг с другом или клетки с компонентами межклеточного вещества.
Актин - основной белок микрофиламентов - встречается в мономерной форме (G -, или глобулярный актин), которая способна в присутствии цАМФ и Са 2+ полимеризоваться в длинные цепи (F -, или фибриллярный актин). Обычно молекула актина имеет вид двух спирально скрученных нитей (см. рис. 10-9 и 13-5).
В микрофиламентах актин взаимодействует с рядом актин-связы-вающих белков (до нескольких десятков видов), выполняющих различные функции. Некоторые из них регулируют степень полимеризации актина, другие (например, филамин в кортикальной сети или фимбрин и виллин в микроворсинке) способствуют связыванию отдельных микрофиламентов в системы. В немышечных клетках на актин приходится примерно 5-10% содержания белка, лишь около половины его организовано в филаменты. Микрофиламенты более устойчивы к физическим и химическим воздействиям, чем микротрубочки.
Функции микрофиламентов:
(1) обеспечение сократимости мышечных клеток (при взаимодействии с миозином);
(2) обеспечение функций, связанных с кортикальным слоем цитоплазмы и плазмолеммой (экзо- и эндоцитоз, образование псевдоподий и миграция клетки);
(3) перемещение внутри цитоплазмы ореанелл, транспортных пузырьков и других структур благодаря взаимодействию с некоторыми белками (минимиозином), связанными с поверхностью этих структур;
(4) обеспечение определенной жесткости клетки за счет наличия кортикальной сети, которая препятствует действию деформаций, но сама, перестраиваясь, способствует изменениям клеточной формы;
(5) формирование сократимой перетяжки при цитотомии, завершающей клеточное деление;
(6) образование основы ("каркаса") некоторых органелл (микро-ворсинок, стереоцилий).
(7) участие в организации структуры межклеточных соединений (опоясывающих десмосом).
Микроворсинки - пальцевидные выросты цитоплазмы клетки диаметром 0.1 мкм и длиной 1 мкм, основу которых образуют актиновые микрофиламенты. Микроворсинки обеспечивают многократное увеличение площади поверхности клетки, на которой происходит расщепление и всасывание веществ. На.апикальной поверхности некоторых клеток, активно участвующих в указанных процессах (в эпителии тонкой кишки и почечных канальцев) имеется до нескольких тысяч микроворсинок, образующих в совокупности щеточную каемку.
Каркас каждой микроворсинки образован пучком, содержащим около 40 микрофиламентов, лежащих вдоль ее длинной оси (рис. 3-17). В апикальной части микроворсинки этот пучок закреплен в аморфном веществе. Его жесткость обусловлена поперечными сшивками из белков фимбрина и виллина, изнутри пучок прикреплен к плазмолемме Микроворсинки особыми белковыми мостиками (молекулами минимио- З ина). У основания микроворсинки микрофиламенты пучка вплетается в терминальную сеть, среди элементов которой имеются миозиновые филаменты. Взаимодействие актиновых и миозиновых филаментов терминальной сети, вероятно, обусловливает тонус и конфигурацию микроворсинки.
Стереоцилии - видоизмененные длинные (в некоторых клетках -ветвящиеся) микроворсинки - выявляются значительно реже, чем микроворсинки и, подобно последним, содержат пучок микрофиламентов.
1. Что является внутренней средой клетки? Как называется опорно-двигательный аппарат клетки, представленный сетью тончайших нитей и трубочек?
Внутренней средой клетки является гиалоплазма, а опорно-двигательным аппаратом клетки является цитоскелет.
2. Что представляет собой гиалоплазма? Каков ее химический состав? Какие функции она выполняет?
Гиалоплазма - внутренняя среда клетки, в которой размещаются все внутриклеточные структуры и протекают разнообразные процессы обмена веществ. Гиалоплазма представляет собой густой бесцветный вязкий раствор, содержание воды в котором составляет 70-90 %. В гиалоплазме содержится много белков, присутствуют углеводы, липиды и различные неорганические соединения. Здесь же в растворенном виде находятся аминокислоты, нуклеотиды и другие «строительные блоки» биополимеров, а также промежуточные продукты, образующиеся в ходе обмена веществ. Гиалоплазма объединяет все клеточные структуры и обеспечивает химическое взаимодействие между ними.
3. В чем заключается различие между понятиями «цитоплазма» и «гиалоплазма»?
Цитоплазма включает в себя гиалоплазму и все погружённые в неё органоиды, включения, цитоскелет.
4. Из чего состоит цитоскелет? Каковы его функции в клетке?
Цитоскелет (внутриклеточный цитоплазматический скелет) - составная часть цитоплазмы, ее механический каркас. Цитоскелет представляет собой сложную трехмерную сеть микрофиламентов и микротрубочек.
5. Чем микротрубочки отличаются от микрофиламентов?
Микрофиламенты - тонкие белковые волокна (фибриллы), состоящие из двух спирально закрученных одна вокруг другой нитей. Каждая нить возникает в результате полимеризации молекул белка актина. В клетке обнаруживаются также фибриллы другого важного белка - миозина. Миозиновые фибриллы вместе с актиновыми микрофиламентами образуют комплекс, способный сокращаться за счет использования энергии АТФ. Микротрубочки представляют собой тонкие полые неразветвленные трубочки, образованные молекулами белка тубулина.
6. В чем проявляется динамичность структурных элементов цитоскелета?
Элементы цитоскелета очень динамичны. В определенных участках клетки при изменении внешних и внутренних условий они могут распадаться и вновь собираться. Отдельные белковые молекулы, образующиеся при разборке микротрубочек и микрофиламентов, переходят в раствор в составе гиалоплазмы. При сборке элементов цитоскелета наблюдается обратный процесс.
7. Известно, что гиалоплазма может менять вязкость и текучесть, переходя из жидкого состояния в гелеобразное и наоборот. Предложите гипотезы, каким образом это может осуществляться.
Гиалоплазма может менять свои свойства под действием внешних и внутренних факторов: температура, концентрация веществ в клетке, кислотность. При этом наблюдается увеличение скорости распада элементов цитоскелета и гиалоплазма становится более жидкой. В обратном случае, когда увеличивается скорость синтеза элементов цитоскелета, гиалоплазма становится вязкой.
Эукариотические клетки способны изменять свою форму, перемещаться, передвигать органеллы по цитоплазме и разделять хромосомы во время митоза. Эта способность обеспечивается трехмерной сетью белковых нитей (филаментов), составляющих главную архитектуру клетки – цитоскелет (иногда обозначаемый как цитоматрикс). Белковые волокна пронизывают цитоплазму эукариотических клеток и во множестве точек связаны с белками плазматической мембраны и органелл. Все эти волокна представляют собой структуры, состоящие из субъединиц – особых глобулярных белков. (Белки цитоскелета, как и другие белки клетки, закодированы в генах и синтезируются на рибосомах.)
Субъединицы цитоскелета соединяются между собой слабыми связями (водородными, ионными и др.) и это свойство позволяет клетке формировать легко изменяющиеся динамичные пространственные структуры цитоскелета. Отмечено, что при различных воздействиях клетка в первую очередь перестраивает цитоскелет, демонтируя основные компоненты своей архитектуры, а затем формирует их заново, в соответствии с характером полученного сигнала; при этом детальное строение цитоскелета постоянно меняется при сохранении общего плана его организации. Такую форму работы цитоскелетной системы называют принципом динамической нестабильности.
В зависимости от диаметра филаменты разделяются на три группы: микрофиламенты (5–7 нм), промежуточные волокна (около 10 нм) и микротрубочки (около 25 нм). Каждый тип цитоскелетных структур образует в клетке собственную систему со своими основными и минорными белками. Эти системы не являются абсолютно независимыми, а взаимодействуют друг с другом и с другими компонентами клетки – плазматической мембраной, ядром и другими органоидами клетки. Согласно существующим представлениям, цитоскелет не только способствует поддержанию формы клетки и осуществляет все типы клеточных движений, но и объединяет разные части клетки и обеспечивает передачу сигналов внутри клетки за счет образования пространственных белковых комплексов между рецепторами и ферментами.
Микрофиламенты встречаются практически во всех типах клеток и состоят из белка актина – наиболее распространенного в эукариотических клетках. (Актин составляет около 5% общего белка клетки; в скелетных мышцах – приблизительно 20% клеточной массы.) Актин может существовать в виде мономера (G-актин – «глобулярный актин», состоящий из 375 аминокислотных остатков) или волокна (F-актин – «фибриллярный актин»). Каждый F-актиновый филамент представляет спиралевидную структуру длиной несколько микрометров. Волокна F-актина имеет два разноименно заряженных конца, которые полимеризуются с различной скоростью. Быстро растущий конец называется плюс-концом, а медленно растущий – минус-концом. Плюс-конец актинового филамента растет в 10 раз быстрее, чем минус-конец.
Микрофиламенты участвуют в динамических процессах, таких, как мышечное сокращение, движение немышечных клеток, фагоцитоз, образование выростов цитоплазмы у подвижных клеток и акросом в процессе слияния сперматозоида с яйцеклеткой. Все эти процессы осуществляются с помощью актин-связывающих белков.
В цитоплазме клеток имеются более 50 различных типов актин-связывающих белков, которые специфически взаимодействуют с G-актином и F-актином. Эти белки выполняют различные функции: регулируют объём G- актинового пула (профилин), стабилизируют концы нитей F-актина (фрагин), сшивают филаменты с другими компонентами цитоскелета. Некоторые актин-связывающие белки, например, гельформирующие (от слова – желе) – скрепляют волокна актина крест-накрест и, тем самым, переводят состояние участка цитоплазмы из состояния золь (от лат. solutio – раствор) в гель. Ещё один актин-связывающий белок – спектрин, называемый также фодрином, соединяет волокна актина в пучки и прикрепляет их к цитоплазматической мембране и к сетке, построенной из промежуточных волокон. Белок валлин сцепляет актиновые филаменты в параллельно упорядоченные жесткие структуры и оказывает влияние на скорость полимеризации G-актина.
Почти все типы движений в клетке происходят с участием актин-связывающего белка миозина. У всех молекул миозина имеется головка, шейка и хвост. Головка миозина способна присоединяться к мономеру актина и, при наличии АТФ, двигаться от плюс- к минус-концу микрофиламента. В скелетных мышцах молекулы актина и миозина расположены на фиксированных расстояниях друг от друга, а перемещение головок миозина по актиновым нитям приводит к сокращению мышц. В немышечных клетках при взаимодейстии с белком миозином актиновые филаменты могут формировать сократительные пучки, благодаря которым образуются инвагинации (впячивания) клеточной поверхности. Такие инвагинации образуются, например, при делении клеток. В общем, характер движений в клетке зависит от строения белка миозина, структура которого имеет более 80 вариантов. Комбинируя актиновые микрофиламенты с различными вариантами миозина и другими актин-связывающими белками, клетка формирует структуры, различающиеся по архитектуре, подвижности и времени существования.
У большинства клеток микрофиламенты образуют под плазматической мембраной трехмерную структуру, так называемую актиновую кору (актиновый кортекс). Особенность этой структуры – быстрое обновление микрофиламентов; например, в кортексе лейкоцита филаменты существуют не более 5 секунд. Основной тип перестроек кортекса у подвижных клеток связан с образованием
псевдоподий – выростов цитоплазмы. Псевдоподии могут иметь форму плоской пластинки (ламеллоподия), узкого цилиндра (филоподия) или шаровидного пузыря. Форма псевдоподий зависит от типа актин-связывающих белков, взаимодействующих с микрофиламентами и плазматической мембраной.
Актиновые микрофиламенты участвуют также в создании сложных пространственных и относительно стабильных цитоскелетных структур. Например, основу микроворсинок эпителиальных клеток кишечника и почек составляют длинные пучки актиновых филаментов. На верхней поверхности волосковых клеток улитки внутреннего уха, отвечающих за восприятие звуков, находятся специализированные отростки (волоски) – стереоцилии. Стереоцилии располагаются правильными рядами подобно трубам клавишно-музыкального инструмента – оргáна. Внутренняя полость волоска-стереоцилии заполнена актиновыми филаментами и молекулами других белков. Мутации некоторых генов, кодирующих эти белки, приводит к дегенерации волосковых клеток и проявляется в виде одной из форм наследственной глухоты (синдром Ашера).
Микрофиламенты принимают активное участие в движении клетки. При этом актиновые филаменты постоянно полимеризуется на конце двигательного края клетки и деполимеризуется с внутренней стороны. Процессы полимеризации и деполимеризации F-актина могут быть нарушены ядами (токсинами) грибов. Например, фаллоидин (яд бледной поганки) связывается с минус-концом актина и ингибирует деполимеризацию, в то время как цитохалазин (токсин из плесневых грибов, обладающий свойством цитостатика) присоединяется к плюс-концу, блокируя полимеризацию актина и движение клетки. Длительное воздействие веществ, нарушающих полимеризацию или деполимеризацию актиновых филаментов, приводит к смерти этих клеток.
Полимеризация актина – это точно регулируемый процесс, контролируемый с помощью поверхностных рецепторов клетки, ферментов (протеинкиназ) и ионов кальция. Нарушение этого процесса сопровождается клиническими проявлениями. Например, в трансформированных клетках отмечается уменьшение экспрессии белков, регулирующих сборку актина. Значительные аномалии актиновых филаментов наблюдаются в клетках некоторых злокачественных опухолей. В клетках саркомы (опухоли соединительной ткани) обнаружено наличие тонких и коротких филаментов актина. Эти клетки, в отличие от нормальных клеток, очень подвижны и обладают большой способностью к метастазированию.
Промежуточные филаменты состоят из белков специфических для определенных клеточных типов (напр. кератины в эпителиальных клетках, виментин в клетках соединительной ткани, десмин в клетках мышечных тканей и др). Промежуточные филаменты придают прочность клетке, так как они представляют собой крепкие, волокнистые, устойчивые к растяжению полипептиды и распределяются по всей цитоплазме клетки, образуя прочную сеть. Кроме того, промежуточные волокна присутствуют в ядре, образуя сеть филаментов (ламину) на внутренней поверхности ядерной мембраны, тесно связанную с ядерными порами.
Структурными элементами промежуточных волокон являются белки, принадлежащие к пяти родственным семействам и проявляющие высокую степень клеточной специфичности. Типичными представителями этих белков являются цитокератины, десмин, виментин, кислый фибриллярный глиапротеин и нейрофиламент. Все эти белки имеют в центральной части базовую стержневую структуру, которая носит название α-спирали. Две пептидные цепи (димер) образуют суперспираль. Такие димеры соединяются антипараллельно, образуя тетрамер. Агрегация тетрамеров по принципу «голова к голове» даёт протофиламент. Восемь протофиламентов сплетаются вместе и образуют промежуточное волокно диаметром 10 нм. Эластичность промежуточных филаментов обеспечивается тем, что димеры каждого тетрамера расположены в шахматном порядке относительно друг друга.
Волосы и ногти человека, шерсть, перья, иглы, когти, и копыта животных состоят главным образом из кератина (цитокератина). В одном волокне шерсти переплетены миллионы фибрилл. Отдельные цепи кератина скреплены многочисленными дисульфидными связями, что придает им дополнительную твердость. Выделено более 30 различных кератинов, комбинирующихся по два типа в эпителиальных клетках человека. Кроме того описано восемь изоформ тяжелых кератинов, специфичных для волос и ногтей. В нервных клетках существуют нейрофиламенты, придающие необходимую механическую опору длинным аксонам. Филаменты десмина расположены в Z-дисках саркомеров скелетных мышц. В различных типах клеток промежуточные филаменты играют важную роль в формировании клеточных контактов, называемых десмосомами, которые соединяют соседние клетки. Полудесмосомы прикрепляют эпителиальные клетки к базальной мембране, на которой они расположены.
Микротрубочки
Присутствующие во всех эукариотических клетках микротрубочки представляют собой длинные нитевидные структуры, протянутые по всей цитоплазме и формирующие сеть, которая поддерживает структурную организацию и локализацию некоторых органелл.
Микротрубочки образуются при полимеризации белка тубулина (лат. tubula – трубочка), который является гетеродимером, образованным субъединицами α- и β- тубулина. В процессе полимеризации α -тубулин одного димера контактирует сβ -тубулином следующего димера с образованием протофиламентов. Тринадцать тубулиновых продольных рядов протофиламентов (нитей), идущих по спирали, образуют микротрубочку диаметром 24 нм и длиной несколько микрометров.
Рис. Схема строения микротрубочки, показывающая каким образом тубулиновые полипептиды, связываясь друг с другом, образуют цилиндрическую стенку. А. Поперечный срез Б – Короткий отрезок микротрубочки.
Микротрубочки способны образовывать синглет
, дублет
и триплет
.
A
микротрубочка дублета или триплета состоит из 13 протофиламентов.
Трубочки B
и C
состоят из меньшего числа протофиламентов, обычно 10.
Полимеризация микротрубочек происходит в направлении от головы к хвосту таким образом, что микротрубочка имеет определенную полярность: её концы обозначаются соответственно как плюс- и минус-концы. Микротрубочки в клетке нестабильны. Они могут быстро собираться и разбираться. В клетке минус-концы связаны с центром организации микротрубочек (ЦОМТ) – структурой, расположенной около ядра, которая содержит в животных клетках пару маленьких телец – центриолей, образованных из слившихся микротрубочек. Как правило, микротрубочки ассоциированы с другими белками (миозин, динеин, кинезин), которые связывают микротрубочки с другими элементами цитоскелета и органеллами. Кинезин обеспечивает транспорт органелл и везикул (пузырьков) из одной части клетки в другую от плюс-конца микротрубочки к минус-концу, а динеин от минус-конца к плюс-концу.
Известны химические соединения, способные блокировать сборку микротрубочек (колхицин, винбластин) и стимулирующие образование стабильных микротрубочек (таксол). Следует отметить, что в развивающемся организме могут сложиться условия (недостаток кислорода, пониженная или повышенная температура и т.д.), когда нарушается сборка микротрубочек в клетках, это может служить причиной отклонения от нормального развития.
Микротрубочки, как и актиновые филаменты, принимают участие в поддержании формы клетки. Наряду со статической функцией, микротрубочки участвуют во многих процессах, протекающих во всех эукариотических клетках: мейозе, митозе, клеточном движении и секреции. Они служат направляющими «рельсами» для транспорта органелл. Вместе с ассоциированными белками микротрубочки способны осуществлять механическую работу, например, транспорт митохондрий, перемещение синаптических пузырьков, движение ресничек (волосоподобных выростов клеток в эпителии легких, кишечника и яйцеводов) и биение жгутика сперматозоида. Пузырьки, образуемые аппаратом Гольджи, направляются в различные места клетки по микротрубочкам строго по назначению. Кроме того микротрубочки в форме митотического веретена – важнейшая часть аппарата, обеспечивающего правильное распределение хромосом между дочерними клетками при делении эукариотических клеток.
Функции микротрубочек: 1) обеспечение расхождения хромосом при делении клеток, 2) поддержание формы клетки, 3) участие в транспорте макромолекул и органелл, 4) обеспечение подвижности жгутиков, ресничек.
Функции цитоскелета
Цитоскелет выполняет три главные функции.
1. Служит клетке механическим каркасом, который придаёт клетке типичную форму и обеспечивает связь между мембранной и органеллами. Каркас представляет собой динамичную структуру, которая постоянно обновляется по мере изменения внешних условий и состояния клетки.
2. Действует как «мотор» для клеточного движения. Двигательные (сократительные) белки содержатся не только в мышечных клетках, но и в других тканях. Компоненты цитоскелета определяют направление и координируют движение, деление, изменение формы клеток в процессе роста, перемещение органелл, движение цитоплазмы.
3. Служит в качестве «рельсов» для транспорта органелл и других крупных комплексов внутри клетки.
Микрофиламенты и промежуточные волокна.
Микрофиламенты построенные из F-актина пронизывают микроворсинки, образуя узлы. Эти микроволокна удерживаются вместе с помощью актинсвязывающих белков, наиболее важными из которых являются фимбрин и виллин. Кальмодулин и миозиноподобная АТФ – аза соединяют крайние микроволокна с плазматической мембраной. .
Клетка может менять набор синтезируемых белков цитоскелета в зависимости от условий, но процесс этот медленный. Конструкция цитоскелета способна быстро меняться даже без синтеза новых молекул, за счет полимеризации и деполимеризации нитей. В клетке все время идет обмен между нитями и раствором белков-мономеров в цитоплазме. Во многих клетках примерно половина молекул актина и тубулина находится в виде мономеров в цитоплазме и половина входит в состав нитей микрофиламентов. Клетка регулирует стабильность нитей цитоскелета, присоединяя к ним специальные белки, изменяющие скорость полимеризации. Общий принцип функционирования цитоскелета – динамическая нестабильность. Например, форму эритроцита в виде двояковогнутого диска поддерживает примембранный цитоскелет из волокон, образованных белком спектрином. Спектрин связан с белком анкерином (anchor – якорь), который соединяется с белком цитоплазматической мембраны, ответственным за транспорт анионов (Cl - , HCO - 3). Дефекты белков спектрина и анкирина вызывают необычную форму эритроцитов. Такие эритроциты очень быстро разрушаются в селезенке. Болезни, вызываемые такими нарушениями, называют наследственным сфероцитозом или наследственным эллиптоцитозом.
Рис. Цитоскелет эукариот. Актиновые микрофиламенты окрашены в красный, микротрубочки - в зеленый, ядра клеток - в голубой цвет.
Составляющих опорно-двигательную систему клетки. Цитоскелетом обладают только эукариотические клетки, в клетках прокариот (бактерий) его нет, что является важным различием этих двух типов клеток. Цитоскелет придаёт клетке определённую форму даже при отсутствии жёсткой клеточной стенки. Он организует движение органоидов в цитоплазме (т. н. течение протоплазмы), лежащее в основе амёбоидного движения. Цитоскелет легко перестраивается, обеспечивая в случае необходимости изменение формы клеток. Способность клеток изменять форму обусловливает перемещение клеточных пластов на ранних стадиях зародышевого развития . При делении клетки (митозе ) цитоскелет «разбирается» (диссоциирует), а в дочерних клетках вновь происходит его самосборка.
Цитоскелет выполняет три главные функции.
1. Служит клетке механическим каркасом, который придает клетке типическую форму и обеспечивает связь между мембраной и органеллами. Каркас представляет собой динамичную структуру, которая постоянно обновляется по мере изменения внешних условий и состояния клетки.
2. Действует как «мотор» для клеточного движения. Двигательные (сократительные) белки содержатся не только в мышечных клетках, но и в других тканях. Компоненты цитоскелета определяют направление и координируют движение, деление, изменение формы клеток в процессе роста, перемещение органелл, движение цитоплазмы.
3. Служит в качестве «рельсов» для транспорта органелл и других крупных комплексов внутри клетки.
24. Роль метода иммуноцитохимии в изучение цитоскелета. Особенности организации цитоскелета в мышечных клетках.
Иммуноцитохимический анализ - метод, позволяющий проводить иммунологический анализ цитологического материала в условиях сохранения морфологии клеток. ИЦХ – один из множества видов иммунохимического метода: иммуноферментного, иммунофлюоресцентного, радиоиммунного и т.п.Основой ИЦХ-метода является иммунологическая реакция антигена и антитела.
Цитоплазма эукариотических клеток пронизана трехмерной сеткой из белковых нитей (филаментов), называемой цитоскелетом. В зависимости от диаметра филаменты разделяются на три группы: микрофиламенты (6-8 нм), промежуточные волокна (около 10 нм) и микротрубочки (около 25 нм). Все эти волокна представляют собой полимеры, состоящие из субъединиц особых глобулярных белков.
Микрофиламенты (актиновые нити) состоят из актина - белка, наиболее распространенного в эукариотических клетках. Актин может существовать в виде мономера (G-актин, «глобулярный актин») или полимера (F-актин, «фибриллярный актин»). G-актин - асимметричный глобулярный белок (42 кДа), состоящий из двух доменов. По мере повышения ионной силы G-актин обратимо агрегирует, образуя линейный скрученный в спираль полимер, F-актин. Молекула G-актина несет прочно связанную молекулу АТФ (АТР), которая при переходе в F-актин, медленно гидролизуется до АДФ (ADP), т.е. F-актин проявляет свойства АТФ-азы.
Б. Белки промежуточных волокон
Структурными элементами промежуточных волокон являются белки, принадлежащие к пяти родственным семействам и проявляющие высокую степень клеточной специфичности. Типичными представителями этих белков являются цитокератины, десмин, виментин, кислый фибриллярный глиапротеин [КФГП (GFAP)] и нейрофиламент. Все эти белки имеют в центральной части базовую стержневую структуру , которая носит название суперспирализованной α-спирали. Такие димеры ассоциируют антипараллельно, образуя тетрамер. Агрегация тетрамеров по принципу "голова к голове" дает протофиламент. Восемь протофиламентов образуют промежуточное волокно.
В отличие от микрофиламентов и микротрубочек свободные мономеры промежуточных волокон едва ли встречаются в цитоплазме. Их полимеризация ведет к образованию устойчивых неполярных полимерных молекул.
В. Тубулин
Микротрубочки построены из глобулярного белка тубулина, представляющего собой димер α- и β-субъединиц. Тубулиновые мономеры связывают ГТФ (GTP), который медленно гидролизуется и ГДФ (GTP). С микротрубочками ассоциируют два вида белков: структурные белки лки-транслокаторы.
25. Ядро в клетках растений и животных, строение, функции, взаимосвязь ядра и цитоплазмы.
Ядро открыто Р.Брауном в 1831 г. Значение ядра определяется, прежде всего, наличием в нем ДНК.
Обычно в клетке одно ядро. Однако бывают и многоядерные клетки. Диаметр ядра колеблется от 5 до 20 мкм; благодаря относительно большому размеру эта клеточная структура хорошо видна в световой микроскоп. Форма ядра бывает различной: сферической, удлиненной, дисковидной. Расположение ядра в клетке непостоянно. В молодой растительной клетке чаще всего ядро расположено ближе к ее центру. Во взрослых клетках ядро смещается к периферии, что связано с появлением крупной центральной вакуоли. Химический состав ядра представлен, главным образом, нуклеиновыми кислотами и белками. Так, изолированные ядра клеток гороха содержат ДНК - 14%, РНК - 12%, основных белков - 22,6%, прочих белков - 51,3%. Ядерная оболочка состоит из двух мембран толщиной около 8 нм каждая, разделенных между собой перинуклеарным пространством шириной 20-30 нм, которое заполнено жидкостью.
Внешняя мембрана на поверхности имеет сложную складчатую структуру, местами соединенную с эндоплазматической сетью. На внешней мембране расположено большое количество рибосом. Внутренняя мембрана может давать впячивания. Ядерная оболочка имеет поры. На 1 мкм2 ядерной оболочки насчитывается от 10 до 100 пор диаметром около 20 нм. Поры сложное образование; они имеют форму часового стекла, которое окружено как бы ободком. Ободок состоит из отдельных белковых гранул. В центре поры расположена центральная гранула, соединенная нитями с гранулами ободка. Поры ядра - динамичные образования, они могут открываться и закрываться. Таким путем может осуществляться регуляция обмена между ядром и цитоплазмой. Внутреннее строение ядра меняется в зависимости от его состояния. Различают два периода жизни ядра: метаболический (между делениями) и период деления. В метаболический период в ядре имеется также одно или несколько сферических гранул-ядрышек. Вещество ядрышка состоит из сильно переплетенных нитей - нуклеонемы и содержит около 80% белка, 10-15% РНК и некоторое количество ДНК. В ядрышке имеются рибосомы. Ядрышко формируется на определенных участках хромосомы, называемых ядрышковым организатором, таким образом, являясь производным хромосомы. Основная функция ядрышка состоит в том, что в нем синтезируется рибосомальная РНК и происходит сборка субъединиц рибосом. Самосборка рибосом в дальнейшем происходит в цитоплазме.
Функции ядра
Ядро осуществляет две группы общих функций: одну, связанную собственно с хранением генетической информации , другую - с ее реализацией, с обеспечением синтеза белка.
В первую группу входят процессы, связанные с поддержанием наследственной информации в виде неизменной структуры ДНК. Эти процессы связаны с наличием так называемых репарационных ферментов, ликвидирующих спонтанные повреждения молекулы ДНК (разрыв одной из цепей ДНК, часть радиационных повреждений), что сохраняет строение молекул ДНК практически неизменным в ряду поколений клеток или организмов. Далее, в ядре происходит воспроизведение или редупликация молекул ДНК, что дает возможность двум клеткам получить совершенно одинаковые и в качественном и в количественном смысле объемы генетической информации. В ядрах происходят процессы изменения и рекомбинации генетического материала, что наблюдается во время мейоза (кроссинговер). Наконец, ядра непосредственно участвуют в процессах распределения молекул ДНК при делении клеток.
Другой группой клеточных процессов, обеспечивающихся активностью ядра, является создание собственно аппарата белкового синтеза. Это не только синтез, транскрипция на молекулах ДНК разных информационных РНК и рибосомных РНК. В ядре эукариотов происходит также образование субъедениц рибосом путем комплексирования синтезированных в ядрышке рибосомных РНК с рибосомными белками, которые синтезируются в цитоплазме и переносятся в ядро.
Взаимодействие ядра и цитоплазмы в развитии
Цитоплазма играет важную роль в реализации наследственной информации и формировании некоторых признаков организма. Основная часть цитоплазмы поступает в зиготу с яйцеклеткой. Определенные участки цитоплазмы яйцеклетки могут содержать факторы, определяющие судьбу тех или иных дифференцирующихся клеток. Активность генов зависит от цитоплазмы. В цитоплазме яйцеклетки имеется активатор синтеза ДНК и репрессор синтеза РНК, которые действуют независимо друг от друга. Если ядра из клеток мозга взрослой лягушки пересадить в зрелый ооцит, то в них синтезируется РНК и не синтезируется ДНК. Некоторые органоиды цитоплазмы, имеющие свою систему белкового синтеза (митохондрии), могут влиять на развитие определенных признаков. Наследование признаков через цитоплазму - цитоплазматическая или внеядерная наследственность. В процессе развития имеет место сложное взаимодействие ядра и цитоплазмы. У растений и особенно животных главная роль в формировании признаков организма принадлежит ядру.
Б. Л. Астауров в экспериментах по межвидовому андрогенезу с тутовым шелкопрядом убедительно показал главенствующую роль ядра в процессе индивидуального развития. Он получил межвидовые гибриды путем осеменения яиц дикого шелкопряда спермой домашнего шелкопряда и наоборот. Женские ядра инактивировались с помощью теплового шока (путем прогревания). В этом случае в оплодотворении яйцеклетки участвовали ядра двух сперматозоидов. Ядерно-цитоплазматические гибриды получали цитоплазму от одного вида , а ядра - от другого. Развившиеся особи всегда были мужского пола и по всем изученным признакам похожи на вид, от которого они получали ядра.
Однако цитоплазма играет очень важную роль в реализации наследственной информации и формировании некоторых признаков организма. Известно, что основная часть цитоплазмы поступает в зиготу с яйцеклеткой. Цитоплазма яйцеклетки отличается от цитоплазмы соматических клеток большим разнообразием белков, РНК и других видов молекул, синтезированных в оогенезе. Бовери, Конклин, Дриш и др. уже давно указывали на то, что определенные участки цитоплазмы яйцеклетки могут содержать факторы, определяющие судьбу тех или иных дифференцирующихся клеток.
26. Пространственная организация интрфазных хромосом внутри ядра, эухроматин, гетерохроматин.
И интерфазного ядра в целом пространственная организация хромосом
В результате разработки методов получения препаратов метафазных хромосом стали возможными проведение анализа числа хромосом, описание их морфологии и размеров. Правда, физические размеры и морфология хромосомы на цитологических препаратах очень сильно
зависели от стадии митоза и условий приготовления соответствующего цитологического препарата. Прошло много лет, прежде чем было показано, что размеры и морфология хромосом в G2 стадии клеточного цикла мало отличаются от реальных митотических хромосом.
Развитие клеточной и молекулярной биологии сделало возможными визуализацию индивидуальных хромосом в интерфазном ядре, их
трехмерную микроскопию и даже идентификацию отдельных районов. Исследования в этом направлении были проведены как на фиксированной, так и на живых клетках. Оказалось, что длинные профазные и прометафазные хромосомы, хорошо знакомые биологам по цитологическим препаратам, представляют собой просто результат растяжения хромосом в процессе распластывания их на стекле. На более поздних стадиях митоза хромосомы более эффективно сопротивляются растяжению и сохраняют свои естественные размеры. В экспериментах на живых клетках используются разнообразные способы флюоресцентного мечения и 4D -микроскопия. Так, для прижизненных наблюдений за индивидуальными хромосомами флюоресцентную метку сначала вводили в ДНК всех хромосом культивируемых в клеток , а затем питательную среду заменяли на
свободную от флюорохромов, клеткам давали возможность пройти несколько клеточных циклов. В результате в культуре появлялись клетки.
Этим термином обозначают комплекс ядерной ДНК с белками (гистоны, негистоновые белки).
Различают гетеро- и эухроматин.
Гетерохроматин - транскрипционно неактивный, конденсированный хроматин интарфазного ядра. Располагается преимущественно по периферии ядра и вокруг ядрышек. Типичный пример гетерохроматина – тельце Барра.
Хотя в исторической ретроспективе он изучен хуже, чем эухроматин, новые открытия заставляют считать, что гетерохроматин играет критически важную роль в организации и правильном функционировании геномов, начиная с дрожжей и кончая человеком. Его потенциальное значение подчеркивается тем фактом, что 96% генома млекопитающих состоит из некодирующих и повторяющихся последовательностей. Новые открытия, касающиеся механизмов формирования гетерохроматина, выявили неожиданные вещи
Эухроматин – транскрипционно активная и менее конденсированная часть хроматина, локализуется в более светлых участках ядра между гетерохроматином, богатые генами.Область хромосомы, которая плохо окрашивается или не окрашивается вообще. Диффузна в интерфазе. Активно транскрибируется. Эухроматин характеризуется меньшей по сравнению с гетерохроматином компактизацией ДНК, и в нем главным образом, как уже говорилось, локализуются активно экспрессирующиеся гены.
Эухроматин, или "активный" хроматин, состоит в основном из кодирующих последовательностей, составляющих лишь небольшую долю (менее 4%) генома млекопитающих.
Таким образом, собирательный термин "эухроматин" скорее всего обозначает сложное состояние (состояния) хроматина, охватывающее динамичную и сложную смесь механизмов, тесно взаимодействующих друг с другом и с хроматиновой фибриллой и предназначенных для осуществления транскрипции функциональных РНК.
27. Химический состав хромосом: Днк и белки.
Химическая и структурная организация хромосом
Хромосомы во взаимодействии с внехромосомными механизмами обеспечивают:
1) хранение, наследственной информации;
2) использование этой информации для создания и поддержания клеточной организации;
3) регуляцию считывания наследственной информации ;
4) самоудвоение генетического материала;
5) передачу его от материнской клетки дочерним.
Главные химические компоненты хромосом представлены ДНК, основными (гистоновые) и кислыми (негистоновые) белками, на долю которых приходится соответственно 40% и около 20%. В хромосомах содержатся РНК, липиды, полисахариды, ионы металлов.
В молекулах ДНК закодирована наследственная информация, что делает их ведущим функциональным компонентом хромосом.
ДНК эукариотических клеток представлена следующими фракциями:
1) уникальные нуклеотидные последовательности;
2) повторы определенной последовательности;
3) повторы.
Элементы хромосомы - центромер и хроматид
Гистоны представлены пятью главными фракциями и выполняют структурную и регуляторную роль. Число фракций негистоновых белков превышает 100. Среди них ферменты синтеза и процессинга РНК, редупликации и репарации ДНК. Кислые белки хромосом выполняют также структурную и регуляторную роль. РНК хромосом представлена отчасти продуктами транскрипции, еще не покинувшими место синтеза. Некоторым фракциям свойственна регуляторная функция. Регуляторная функция компонентов хромосом заключается в «запрещении» или «разрешении» считывания информации с молекулы ДНК.
Элементарной структурой хромосомы, различимой с помощью электронного микроскопа, является нить диаметром 10-13 нм, представляющая собой комплекс ДНК и гистоновых белков (нуклеогистон). Толщина нити зависит от располагающихся по ее длине телец - нуклеосом. Диаметр межнуклеосомных участков менее 1,5 нм, что совпадает с толщиной биоспирали ДНК. Ядра телец образованы 8-ю молекулами гистонов 4-х, разных типов - Н2а, Н2b, НЗ и Н4. Они служат основой, на которую «накручены» фрагменты ДНК длиной примерно в 200 пар нуклеотидов. Гистон H1 «сшивает» витки ДНК. Функциональное значение нуклеосом неясно. Есть данные, что транскрибируемые фрагменты ДНК, кодирующие рРНК, не имеют нуклеосомной структуры. В отношении других генов есть указания, что при транскрипции нуклеосомная структура утрачивается. Закручивание молекул ДНК на гистоновые тельца уменьшает длину биоспирали ДНК в 7 раз, т. е. служит целям упаковки наследственного материала.
Данные микроскопического и электронно-микроскопического изучения хроматина и митотических хромосом дают следующую схему структурной организации хромосомы. Биспираль ДНК диаметром 1,5 нм в результате скручивания и присоединения белка преобразуется в нуклеогистоновый комплекс с нуклеосомной структурой. Он имеет вид нити диаметром 10-13 нм. При дальнейшем скручивании и присоединении белков возникает нить диаметром 20-25 нм. Она обнаруживается с помощью электронного микроскопа как в интерфазных, так и в митотических хромосомах. В результате дальнейшего скручивания этой нити , происходящего многократно и дополняемого складыванием, образуются митотические хромосомы. Эта схема носит предварительный характер, она объединяет области интереса цитогенетика медико-генетической консультации (микроморфология митотических хромосом) и специалиста по функциональной организации хромосомы на ультраструктурном и молекулярном уровнях.
Реорганизация нити нуклеогистона с образованием более компактной структуры называется спирализацией (конденсацией), процесс, обратный описанному - деспирализацией (деконденсацией). Благодаря спирализации достигается плотная упаковка наследственного материала, что важно при перемещениях хромосом в процессе митоза. О плотности упаковки свидетельствуют следующие цифры. Ядро соматической диплоидной клетки человека содержит около 6 пг ДНК, что соответствует нити нуклеогистона длиной почти 2 м. Совокупная же длина всех хромосом клетки человека в метафазе митоза равна 150 мкм. Биоспираль из 100 г ДНК человека, если ее вытянуть в одну нить, покроет расстояние 2,5 X 1010 км, что более чем в 100 раз превосходит расстояние от Земли до Солнца.
Изложенные сведения об укладке нити нуклеогистона согласуются с генетическими представлениями о непрерывности и линейности расположения генов по длине хромосом. Они соответствуют допущению, что каждая хромосома содержит одну двойную спираль ДНК. В особых, так называемых политенных хромосомах клеток насекомых одновременно присутствует несколько двойных спиралей ДНК. Так как они уложены «бок в бок», такая конструкция совместима с принципом линейного и непрерывного размещения генов.
Для изучения кариотипа особое значение имеют митотические метафазные хромосомы. Они образованы двумя хроматидами. Последние являются дочерними хромосомами, которые в процессе митоза разойдутся в дочерние клетки. Хроматиды соединены в области первичной перетяжки (центромеры, кинетохора), к которой прикрепляются нити веретена деления. Фрагменты, на которые первичная перетяжка лепит хромосому, называются плечами, а концы хромосомы - теломерами. В зависимости от положения первичной перетяжки различают метацентрические (равноплечие), субметацентрические (умеренно неравноплечие), акроцентрические и субакроцентрнческие (выражение неравноплечие) хромосомы. У человека метацентрическими являются хромосомы 1 и 3 пар, Х-хромосома, субметацентрическими 2,6-12, 16-20 пары, акроцентрическими и субакроцентрическими- 4-5, 13-15, 21-22 пары и Y-хромосома. При использовании некоторых методов приготовления препаратов в хромосомах видны полу-хроматиды, однако вопрос об их присутствии в клетке нельзя считать решенным. Возможно, они являются результатом воздействия на вещество хромосомы материала, используемого для приготовления препарата. Некоторые хромосомы имеют вторичные перетяжки. Они возникают в участках неполной конденсации хроматина, например, в околоцентромерных участках длинного плеча 1, 9 и 16 хромосом человека. Вторичные перетяжки отделяют концевые участки коротких плеч 13-15, 21-22 хромосом человека в виде спутников. В области вторичных перетяжек некоторых хромосом располагаются ядрышковые организаторы. Они содержат гены, кодирующие рРНК, и служат местом образования ядрышка. Описанные структурные особенности используют для идентификации хромосом.
Хотя для интерфазных хромосом в целом свойственно деспирализованное состояние, степень спирализации отдельных фрагментов варьирует. Выделяют эухроматин, структурный гетерохроматин и факультативный гетерохроматин. Эухроматин образован участками хромосом, которые деспирализируются в конце митоза. В интерфазных ядрах - это слабо окрашивающиеся нитчатые структуры. В области эухроматина располагаются структурные гены. Структурный гетерохроматин отличается высокоспирализованным состоянием, которое сохраняется на протяжении всего митотического цикла. Он занимает постоянные участки , сходные в гомологических хромосомах. Обычно это фрагменты, прилегающие к области центромеры, а также расположенные на свободных концах (теломерах) хромосом. Этот вид гетерохроматина структурных генов, по-видимому, не содержит и функция его не ясна. В каждой хромосоме свой порядок расположения эу- и гетерохроматиновых участков. Это используется для идентификации отдельных хромосом в цитогенетических исследованиях человека. Факультативный гетерохроматин образуется при спирализации одной из двух гомологических хромосом. Типичный пример - генетически неактивная Х-хромосома соматических клеток женских особей млекопитающих и человека (тельца полового хроматина). Функциональная роль факультативной гетерохроматизации заключается в компенсации (снижении) дозы определенных генов.