Хроматин

Хроматин (от греч. chroma - краска) мелкие зернышки и глыбки материала, который обнаруживается в ядре клеток и окрашивается ос­новными красителями. Хроматин состоит из комплекса ДНК и белка и соответствует хромосомам, которые в интерфазном ядре представлены длинными, тонкими перекрученными нитями и неразличимы как инди­видуальные структуры. Выраженность спирализации каждой из хромо­сом неодинакова по их длине. Различают два вида хроматина - эухроматин и гетерохроматин.

Эухроматин соответствует сегментам хромосом, которые деспирализованы и открыты для транскрипции. Эти сегменты не окрашива­ются и не видны в световой микроскоп.

Гетерохроматин соответствует конденсированным, плотно скру­ченным сегментам хромосом (что делает их недоступными для транс­крипции). Он интенсивно окрашивается основными красителями, и в световом микроскопе имеет вид гранул.

Таким образом, по морфологическим признакам ядра (соотноше­нию содержания эу- и гетерохроматина) можно оценить активность процессов транскрипции, а, следовательно, синтетической функции клетки. При ее повышении это соотношение изменяется в пользу эухроматина, при снижении - нарастает содержание гетерохроматина. При полном подавлении функции ядра (например, в поврежденных и гибну­щих клетках, при ороговении эпителиальных клеток эпидермиса - кератиноцитов, при образовании ретикулоцитов крови) оно уменьшается в размерах, содержит только гетерохроматин и окрашивается основны­ми красителями интенсивно и равномерно. Такое явление называется кариопикнозом (от греч. karyon - ядро и pyknosis - уплотнение).

Распределение гетерохроматина (топография его частиц в яд­ре) и соотношение содержания эу- и гетерохроматина характерны для клеток каждого типа, что позволяет осуществлять их идентификацию

как визуально, так и с помощью автоматических анализаторов изобра­жения. Вместе с тем, имеются определенные общие закономерности распределения гетерохроматина в ядре: его скопления располагают­ся под кариолеммой, прерываясь в области пор (что обусловлено его связью с ламиной) и вокруг ядрышка (перинуклеолярный гетерохроматин), более мелкие глыбки разбросаны по всему ядру.

Тельце Барра - скопление гетерохроматина, соответствующее од­ной Х-хромосоме у особей женского пола, которая в интерфазе плотно скручена и неактивна. В большинстве клеток оно лежит у кариолеммы, а в гранулоцитах крови имеет вид маленькой добавочной дольки ядра ("барабанной палочки"). Выявление тельца Барра (обычно в эпители­альных клетках слизистой оболочки полости рта) используется как ди­агностический тест для определения генетического пола (обязателен, в частности, для женщин, участвующих в Олимпийских Играх).

Упаковка хроматина в ядре. В деконденсированном состоянии длина одной молекулы (двойной спирали) ДНК, образующей каждую хромосому, равна в среднем, около 5 см, а общая длина молекул ДНК всех хромосом в ядре (диаметром около 10 мкм) составляет более 2 м (что сравнимо с укладкой нити длиной 20 км в теннисный мячик диа­метром около 10 см), а в S-период интерфазы - более 4 м. Конкретные механизмы, препятствующие спутыванию этих нитей во время транс­крипции и репликации, остаются нераскрытыми, однако очевидна необ­ходимость компактной упаковки молекул ДНК, В клеточном ядре это осуществляется благодаря их связи со специальными основными (гистоновыми) белками. Компактная упаковка ДНК в ядре обеспечивает:

(1) упорядоченное расположение очень длинных молекул ДНК в небольшом объеме ядра;

(2) функциональный контроль активности генов (вследствие вли­яния характера упаковки на активность отдельных участков генома.

Уровни упаковки хроматина (рис. 3-20). Начальный уровень упа­ковки хроматина, обеспечивающий образование нуклеосомной нити ди­аметром 11 нм, обусловлен намоткой двойной нити ДНК (диаметром 2 нм) на блоки дисковидной формы из 8 гистоновых молекул (нуклеосомы). Нуклеосомы разделены короткими участками свободной ДНК. Второй уровень упаковки также обусловлен гистонами и приводит к скручиванию нуклеосомной нити с формированием хроматиновой фибриллы диаметром 30 нм. В интерфазе хромосомы образованы хроматиновыми фибриллами, причем каждая хроматида состоит из одной фибриллы. При дальнейшей упаковке хроматиновые фибриллы образу­ют петли (петельные домены) диаметром 300 нм, каждый из которых соответствует одному или нескольким генам, а те, в свою очередь, в результате еще более компактной укладки, формируют участки конденси­рованных хромосом, которые выявляются лишь при делении клеток.

В хроматине ДНК связана помимо гистонов также и с негистоновыми белками, которые регулируют активность генов. Вместе с тем, и гистоны, ограничивая доступность ДНК для других ДНК-связывзающих белков, могут участвовать в регуляции активности генов.

Функция хранения генетической информации в ядре в неизме­ненном виде имеет исключительно важное значение для нормальной жизнедеятельности клетки и всего организма. Подсчитано, что при ре­пликации ДНК и в результате ее повреждений внешними факторами в каждой клетке человека ежегодно происходят изменения 6 нуклеотидов. Возникшие повреждения молекул ДНК могут исправляться в ре­зультате процесса репарации или путем замещения после распознава­ния и маркировки соответствующего участка.

В случае невозможности репарации ДНК при слишком значитель­ных повреждениях включается механизм запрограммированной гибели клетки (см. ниже). В этой ситуации "поведение" клетки можно оценить как своего рода "альтруистическое самоубийство": ценой своей гибели она спасает организм от возможных негативных последствий реплика­ции и амплификации поврежденного генетического материала.

Способность к репарации ДНК у взрослого человека снижается примерно на 1% с каждым годом. Это снижение может отчасти объяс­нить, почему старение является фактором риска развития злокачест­венных заболеваний. Нарушения процессов репарации ДНК характерно для ряда наследственных болезней, при которых резко повышены как чувствительность к повреждающим факторам, так и частота разви­тия злокачественных новообразований.

Функция реализации генетической информации в интерфазном ядре осуществляется непрерывно благодаря процессам транскрипции. Геном млекопитающих содержит около ЗхЮ⁹ нуклеотидов, однако не более 1% его объема кодирует важные белки и принимает участие в ре­гуляции их синтеза. Функции основной некодирующей части генома не­известны.

При транскрипции ДНК образуется очень крупная молекула РНК (первичный транскрипт), которая связывается с ядерными белками с образованием рибонуклеопротеинов (РНП). В первичном РНК-транс­крипте (как и в матричной ДНК) имеются дискретные значащие после­довательности нуклеотидов (экзоны), разделенные длинными некодирую­щими вставками (нитронами). Процессинг РНК-транскрипта включает отщепление нитронов и стыковку экзонов - сплайсинг (от англ, splicing - сращивание). При этом очень крупная молекула РНК превращается в достаточно мелкие молекулы иРНК, отделяющиеся от связанных с ни­ми белков при переносе в цитоплазму. Лизосомы: строение, значение. Аппарат внутриклеточного переваривания.

Лизосомы (ранее называемые вторичными лизосомами) - орга­неллы, активно участвующие в завершающих этапах процесса внутри­клеточного переваривания захваченных клеткой макромолекул посред­ством широкого спектра литических ферментов при низких значениях рН (5.0 и ниже). Они формируются с участием поздних эндосом. Диа­метр лизосом обычно составляет 0.5-2 мкм, а их форма и структура могут существенно варьировать в зависимости от характера перевари­ваемого материала. Как и в случае гидролазных пузырьков, они досто­верно идентифицируются только на основании выявления в них гидро­литических ферментов. Название отдельных видов лизосом основано на наличии в их просвете морфологически распознаваемого материала;

в его отсутствие используется общий термин лизосома. После перевари­вания содержимого лизосомы образующиеся низкомолекулярные вещес­тва диффундируют через ее мембрану в гиалоплазму.

1) Фаголизосома формируется путем слияния поздней эндосомы или лизосомы с фагосомой, называемой также гетерофагосомой (от греч. heteros - другой, phagein - поедать и soma - тело) - мембранного пузырька, содержащего материал, захваченный клеткой извне и подле­жащий внутриклеточному перевариванию; процесс разрушения этого материала называется гетерофагией;

2) Аутофаголизосома образуется при слиянии поздней эндосомы или лизосомы с аутофагосомой (от греч. autos - сам, phagein - поедать и soma - тело) - мембранным пузырьком, содержащим собственные ком­поненты клетки, подлежащие разрушению. Процесс переваривания это­го материала называют аутофагией, Источником мембраны, окружаю­щей клеточные компоненты, служит грЭПС.

3) Мультивезикулярное тельце (от лат. multi - много и vesicula -пузырек) представляет собой крупную (диаметром 200-800 нм) сфери­ческую окруженную мембраной вакуоль, содержащую мелкие (40-80 нм) пузырьки, погруженные с светлый или умеренно плотный матрикс. Оно образуются в результате слияния ранних эндосом с поздней, причем мелкие пузырьки формируются, вероятно, путем отпочковывания внутрь от мембраны вакуоли. Матрикс тельца содержит литические ферменты и, очевидно, обеспечивает постепенное разрушение внутренних пузырь­ков.

4) Остаточные тельца - лизосомы, содержащие непереваренный материал, которые могут длительно находиться в цитоплазме или выде­лять свое содержимое за пределы клетки. Распространенным типом ос­таточных телец в организме человека являются липофусциновые грану­лы - мембранные пузырьки диаметром 0.3-3 мкм, содержащие трудно-растворимьш коричневый эндогенный пигмент липофусцин. Под элек­тронным микроскопом липофусциновые гранулы представляют собой структуры вариабельной формы, содержащие липидные капли, плотные гранулы и пластинки. В связи с их накоплением в некоторых клетках (нейронах, кардиомиоцитах) при старении, липофусцин рассматривают как "пигмент старения" или "изнашивания".

Секреция лизосомальных ферментов за пределы клетки осу­ществляется у остеокластов - клеток, разрушающих костную ткань, а также фагоцитов (нейтрофилов и макрофагов) при внеклеточном пе­реваривании различных объектов. Избыточная секреция этих ферментов может приводить к повреждениям окружающих тканей.

Роль гетерофагии в нормальной деятельности клеток и значение ее нарушений. Гетерофагия играет очень важную роль в функции клеток всех тканей и органов. Дефицит тех или иных лизо-сомальных ферментов (обычно обусловленный наследственными анома­лиями) может приводить к развитию ряда заболеваний, вызванных на­коплением в клетках непереваренных веществ (чаще всего гликогена, гликолипидов, гликозаминогликанов), которые нарушают их функцию (болезни накопления). При наиболее распространенных заболеваниях, относящихся к этой группе, повреждаются нейроны, макрофаги, фибро-бласты и остеобласты, что клинически проявляется разнообразными по тяжести нарушениями строения и функции скелета, нервной системы, печени, селезенки.

В почке в результате гетерофагии клетки захватывают белки из просвета канальцев и расщепляют их до аминокислот, которые далее возвращаются в кровь. Гетерофагия в клетках щитовидной железы (ти-роцитах) обеспечивает отщепление йодсодержащих гормонов от белко­вой матрицы и последующее всасывание их в кровь. Нарушение процес­са гетерофагии в указанных клетках вызывает тяжелые расстройства функции этих органов.

Особое значение Гетерофагия имеет для клеток, осуществляющих защитную функцию, в основе деятельности которых лежит поглощение извне и переваривание частиц или веществ. Так, фагоциты (макрофаги и нейтрофильные лейкоциты) захватывают и переваривают микроорга­низмы, попадающие в ткани макроорганизма или на их поверхность (на­пример, эпителия слизистых оболочек). При отсутствии или недостаточ­ной активности лизосомальных ферментов, разрушающих микробы (на­пример, при ряде генетически обусловленных нарушений), эти клетки неспособны эффективно осуществлять защитные функции, что приво­дит к развитию тяжелых хронических воспалительных заболеваний.

Наиболее патогенные микроорганизмы ускользают от повреждаю­щего действия фагоцитов, осуществляя это различным образом. Так, од­ни (например, возбудитель проказы) обладают устойчивостью к дейст­вию лизосомальных ферментов; другие микробы (например, возбуди­тель туберкулеза) способны подавлять процесс слияния фагосом с ли-зосомами, некоторые могут ускользать от разрушения, разрывая мем­браны фагосом или лизосом.

Роль аутофагии в нормальной деятельности клеток и значе­ние ее нарушений. Аутофагия обеспечивает постоянное обновление ("омоложение") клеточных структур благодаря перевариванию участков цитоплазмы, митохондрий, скоплений рибосом, фрагментов мембраны (убыль которых компенсируется их новообразованием). Этот процесс обновления в клетке тонко отрегулирован, причем каждый ее компо-

нент имеет определенную продолжительность жизни. Так, в нейронах пожилого человека, которые функционировали на протяжении многих десятилетий, большинство органелл не старше 1 мес. В клетках печени (гепатоцитах) большая часть цитоплазмы разрушается менее, чем за 1 нед. В некоторых случаях аутофагия может служить реакцией клетки на недостаточное питание. Частным случаем аутофагии является крино-фагия (от греч. krinein - отделяю, секретирую) - лизосомальное разру­шение избытка невыведенного секрета в железистых клетках. ВЗАИМООТНОШЕНИЯ КЛЕТКИ С ВНЕШНЕЙ СРЕДОЙ. ЭКЗОЦИТОЗ И ЭНДОЦИТОЗ: ВИДЫ И МЕХАНИЗМЫ.

Гликокаликс (поверхностный слой животных клеток) выполняет прежде всего функцию непосредственной связи клеток животных с внешней средой, со всеми окружающими ее веществами.

Плазматическая мембрана образует барьер, отграничивающий внутреннее содержимое клетки от внешней среды.

На поверхности микроворсинок происходит интенсивное переваривание и всасывание переваренной пищи.

1)Эндоцитоз - транспорт макромолекул, их комплексов и частиц внутрь клетки. При эндоцитозе определенный участок плазмалеммы захватывает, как бы обволакивает внеклеточный материал, заключая его в мембранную вакуоль, возникшую за счет впячивания мембраны. В дальнейшем такая вакуоль, соединяя с лизосомой, ферменты которой расщепляют макромолекулы до мономеров.

Эндоцитоз разделяют на фагоцитоз (захват и поглощение твердых частиц) и пиноцитоз (поглощение жидкости). Путем эндоцитоза осуществляется питание гетеротрофных протистов, защитные реакции организмов (лейкоциты поглощают чужеродные частицы) и др.

2)Экзоцитоз (экзо — наружу), благодаря нему, клетка выводит внутриклеточные продукты или непереваренные остатки, заключенные в вакуоли, или пузырьки. Пузырек подходит к цитоплазматической мембране, сливается с ней, а его содержимое выделяется в окружающую среду. Так выделяются пищеварительные ферменты, гормоны, гемицеллюлоза и др.