Цитоскелет клетки. 
Молекулярная структура и функции основных компонентов клетки

Микротрубочки и микрофиламенты образуют цитоскелет клетки — набор белков, обеспечивающих форму клетки, ее изменение, перемещение клетки и ее органелл, движение хромосом при делении, транспорт веществ. Кроме основных белков цитоскелета, важную роль в его организации и функционировании играют вспомогательные белки — молекулярные двигатели, которые обеспечивают: 1 — прикрепление органелл к цитоскелету; 2 — направление движения органелл; 3 — связь??? и координацию функций цитосклета.

Основные белки цитоскелета включают следующие типы белков: тубулин, актин, виментин, кератин, ядерные ламины, белки нейрофиламентов. Эти белки способны объединяться и образовывать линейные массивы свыше 10−15 мкм — филаменты. Процесс полимеризации (полимеризация — процесс синтеза высокомолекулярных соединений, состоящих из повторяющихся частей) происходит всегда в одном направлении, то есть, белковые молекулы добавляются только к одному концу растущего филамента. Филаменты полярны и имеют структурные различия на концах, обозначаемых плюс-конец (который растет) и минус-конец (который теряет белки до полной стабилизации).

Актин — самый распространенный белок клеток (5% от общего количества белка); он является глобулярным белком с молекулярной массой 43 кДа, полипептид которого содержит 375 аминокислотных остатков и прочно связан с молекулой АТФ. Диаметр глобулы 5 нм и она называется G-актин. Полимеризованная форма, в виде филамента, образуется путем некова-лентного соединения молекул G-актина и называется F-актин. Молекула F-актина напоминает две нитки бус, скрученных друг с другом. Актин сконцентрирован в основном в коре клетки под плазмолеммой. Между этими формами в клетке существует динамичное равновесие. Актиновые филаменты имеют «+» и «-» концы; в клетке постоянно идет распад фил/амента на минус-конце и рост на плюс-конце. Этот процесс называется тредмиллинг. Он играет важную роль в изменении агрегатного состояния клетки, подвижности клетки, перемещении органелл, образовании псевдо-одий, микроворсинок, эндоцитозе и экзоцитозе.

Тубулин — это димерный глобулярный белок с молекулярной массой 111 150, состоящий из двух субъединиц б и в, которые существуют в шести разных типах, каждый из них кодируется отдельным геном, б и в— субъединицы соединяются с образованием гетеродимеров, которые в свою очередь собираются продольно в протофиламенты при помощи полярных частей по принципу «замок — ключ».

Виментиноподобные белки. К ним относятся десмин, периферин, виментин. Десмин — основной белок промежуточных филаментов с молекулярной массой 53КДА, который связывает миофибриллы мышц; виментин с массой 54кДа составляет основу различных мезенхимных клеток; периферии — в нейронах.

Кератин — фибриллярные белки разнообразного типа с массой от 40 — 70кДа. Пептидная цепь имеет конформацию б-спирали. В волосе 3 такие спирали скручиваются, образуя протофибриллу; несколько протофибрилл скручиваются в микрофибриллу, последние — в макрофибриллу. В целом образуется система многожильного каната, в котором молекулы полипептида соединяются дополнительно дисульфидными связями, делая структуру еще прочнее. Кератины волос имеют 8 изоформ и относятся к тяжелым кератинам.

Кератины можно подразделить на два типа: I (кислые кератины) имеют 16 изоформ и II (щелочные кератины)-13 изоформ. Керативные филаменты могут состоять из разных кератиновых полипептидов и содержаться в эпителиальных клетках, нитях, волосах.

Белки нейрофилламентов составляют 3 класса: 1 — низкомолекулярные белки NF-L с массой 60кДа; 2 — средние белки NF-М с массой 70−100кДа; 3 — высокомолекулярные белки NF-Н с массой 100−130 кДа. Нейрофилламенты располагаются вдоль нейрона и сшиваются между С-концом поперечными мостиками, обеспечивающими эластичность нейронных отростков. Нейрофилламенты образуются путем скручивания двух мономеров полипептидов в димер; 2 димера образуют тетарамер; тетрамер является протофилламентом, 2 протофиламента скручивается в протофибриллу, последние-в филамент.

Ядерные ламины — сеть филаментов, расположенных на поверхности ядерной мембраны и состоящих из 3 родственных белков-ламин с молекулярной массой 65−75кДа. Ламины разрушаются во время митоза и восстанавливаются в конце митоза. Путем фосфорилирования серина в ламинах, они становятся растворимы; дефосфорилирование ламин восстанавливает их нерастворимость и облегчает восстановление ядерной ламины.

Вспомогательные белки или молекулярные двигатели

Вспомогательные белки или молекулярные двигатели — это белки, которые связывают филаменты друг с другом или с другими клеточными структурами и обеспечивают перемещение компонентов клетки, за счет энергии гидролиза АТФ. К ним относятся белки миозин, кинезины, динеины.

Миозин — составляет половину всех белков скелетных мышц, но встречается также вне мышечные молекулы миозина. Молекула миозина содержит две тяжелые полипептидные цепи (молекулярная масса каждой 200 кДа) и четыре легких (молекулярная масса 20 кДа). Тяжелые нити с С-конца имеют конформацию б-спирали и обе спирали скручены друг с другом. Этот участок называется стержневой домен; с N-конца нити имеют форму глобулы, образуя «головки» миозина, где находится двигательный домен, на котором происходит гидролиз АТФ. К каждой «головке» нековалентно присоединяется по две легкие цепи.

Энергия гидролиза АТФ, который каталитирует миозин, используется для сокращения мышцы.

Миозин скелетных мышц обозначается как миозин II и обеспечивает скольжение актиновых филаментов при мышечном сокращении. Другая форма миозина — миозин не мышечных клеток обозначается как миозин I и отличается от миозина II стержневым доменом.

Миозин II и актиновые филаменты могут формировать мышечноподобные структуры в немышечных клетках. Так, при делении клетки образуется сократительное кольцо, состоящее из миозина II и актиновых филаментов. Кольцо при делении сжимает середину клетки, в результате чего образуются две дочерние клетки. Этот процесс называется цитокинезом.

Образование миозина II и актиновых филаментов происходит в немышечных клетках при формировании стрессовых волокон и адгезивных поясов (о них речь пойдет позже). Миозин относится к двигательным белкам связанным с актином; обеспечивает перемещение пузырьков по актиновым филаментам, вызывает движение одного актина филамента по другому (миозин I), обеспечивает мышечное сокращение, кэпирование поверхностных молекул, клеточную полярность, цитокинез.

Кинезины и динеины — это микротубулярные двигательные белки (молекулярные двигатели), связанные с микротрубочками. Кинезины принадлежат к семейству белков, учавствующих в транспорте органелл, митозе, мейозе. Эти белки передвигаются к плюс-концу микротрубочки. Динеины участвуют в транспорте органелл, митозе, движении ресничек и жгутиков. Различают динеин цитоплазматический и динеин ресничек и жгутиков; последний имеет более сложное строение. Кинезины и динеины — высокомолекулярные соединения, состоящие из двух (у динеина большеe число) тяжелых и нескольких легких цепей. Тяжелые цепи (молекулярная масса 300 кДа) состоят из головного домена в форме глобулы, имеющего АТФ-связывающий участок и стержневого хвостового домена. Два головных домена связываются с микротрубочками и служат АТФазными двигателями; хвостовые домены связываются с органеллами и внутриклеточными компонентами, которые они транспортируют. Двигательные молекулы перемещаются только в одном направлении: кинезины к плюс-концу микротрубочки, динеины — к минус-концу.

Микротрубочки

Микротрубочки — это длинные нитевидные структуры, протянутые по всей цитоплазме и формирующие сеть, которая поддерживает структурную организацию и локализацию органелл. Они играют важную роль в: 1 — делении клетки; 2 — внутриклеточном транспорте (особенно перемешивании пузырьков; 3 — циркуляции веществ из комплекса Гольджи в ЭПС; 4 — обеспечении подвижности клетки.

Микротрубочки являются органеллами фибриллярного типа и представляют собой цилиндрические полые структуры, стенки которых состоят из 13 тубулиновых б/в гетеродимеров — протофиламентов. Диаметр полого цилиндра составляет 25 нм. Субъединицы тубулина располагаются в шахматном порядке. Протофиламенты соединяются в цилиндрическую закрученную структуру, соединяясь полярными частями субъединиц. От микротрубочек отходят ассоциированные с ними молекулы белков (ассоциированные с микротрубочками протеины или МАР).

МАР стабилизирует микротрубочки, участвует в регуляции разборки микротрубочек, а также связывают их с другими элементами цитоскелета и органеллами. Особую группу МАР составляют микротубулярные двигатели, которые перемещаются вдоль по трубочкам. МАР специфичны для каждого_типа клеток. Так, для нервных клеток характерны высокомолекулярные МАР (масса 200−300 кДа) — МАР-1 и МАР-2, а также тау-белки (молекулярная масса 55−65 кДа). Белки обоих классов имеют домен, связывающий микротрубочки с клеточными компонентами. Считается, что МАР предотвращают деполимеризацию и стабилизируют микротрубочки.

Микротрубочки являются динамичными структурами. Они имеют два конца: (-) и (+) — концы. Плюс-конец может расти очень быстро за счет наращивания молекулами тубулина (полимеризация микротрубочек); минус-конец теряет тубулиновые субъединицы (деполимеризуется) до тех пор пока не стабилизируется. Стабилизация минус-конца достигается присоединением (заякориванием) минус-конца (базального тельца) микротрубочки к центросоме, называемой также центром организации микротрубочек (ЦОМ), локализованном в центре клетки рядом с ядром. Т.о., микротрубочки растут от центра клетки к периферии. ЦОМ постоянно производит микротрубочки. Другие микротрубочки сокращаются за счет потери тубулиновых субъединиц. Сборка микротрубочек происходит в присутствии ГТФ, ионов Мg и температуре 37єС (это условия полимеризации тубулинов).

Сборка микротрубочек проходит три фазы: 1 — нуклеация — замедленная фаза — формируется ядро из субъединиц тубулина; 2 — элонгация — фаза полимеризации — ядро тубулина быстро удлиняется за счет свободных молекул тубулина. Полимеризация идет быстрее, чем деполяризация и микротрубочки быстро растут. 3 — фаза стабильного состояния — поляризация и деполяризация уравновешивают друг друга.

Движение микротрубочек и перемещение частиц по микротрубочкам обеспечивают молекулярныe двигатели, семейство моторных белков, участвующих в транспорте органелл, митозе и мейозе. К этим белком относятся динеины, кинезины и миозины I и II, которые взаимодействуют со многими компонентами цитоскелета (табл.). Моторные белки — это высокомолекулярные соединения, состоящие из двух тяжелых и нескольких легких цепей. Тяжелые цепи состоят из: 1-двигательного головного домена, имеющего форму глобулы и содержащего АТФ-связывающий участок; 2-стержневого хвостового домена, который взаимодействует с внутриклеточными структурами. Головные домены связываются с микротрубочками и служат АТФ-азными двигателями за счет гидролизации АТФ; хвостовые домены связываются с органеллами и другими структурами клетки, которые транспортируются этими двигателями (рис.).

Функции микротрубочек:

• 1 — выполняют роль цитоскелета;
• 2 — участвуют в транспорте веществ и органелл в клетке;
• 3 — участвуют в образовании веретена деления и обеспечивают расхождение хромосом в митозе и мейозе;
• 4 — входят в состав центриолей, ресничек, жгутиков;
• 5 — стабилизируют форму клетки. Если клетки обработать колхицином, разрушающим микротрубочки, то клетки изменяют форму, сжимаются, теряют способность делиться. Колхицин связывается со свободными мономерами тубулина, которые вследствие этого теряют способность вставляться в растущие микротрубочки. Рост ее с плюс-конца останавливается, а разрушение с минусконца продолжается вплоть до полного разрушения микротрубочки. Таким же свойством обладают винбластин и винкристин. Это явление используется в медикаментозной терапии онкологических больных. Антимитотические лекарственные вещества препятствуют образованию митотического веретена деления, останавливая быстрое деление клеток и рост опухолей.

Микрофиламенты

Микрофиламенты — это второй компонент цитоскелета. Различают два вида микрофиламентов: актиновые и промежуточные микрофиламенты.

Актиновные микрофиламенты.

Актиновые филаменты образованы белком актином и имеют следующие особенности:

• 1. Это линейные спиралевидные структуры, субъединицы которых ориентированы в одном направлении;
• 2. Более гибкие, тонкие и короткие по сравнению с микротрубочками;
• 3. Являются необходимыми компонентами сократительного аппарата мышечных клеток;
• 4. Составляют ядро микроворсинок клеток.

Каждый актиновый филамент состоит из закрученного в спираль полипептида; имеют быстрорастущий плюс-конец и медленно растущий минус-конец. Гены актина кодируют 6 изомеров актина, которые экспрессируются в разных клетках. Для роста (полимеризации) актина необходимы АТФ (гидролизуется в АТФ после встраивания субъединицы актина в филамент) и ионы К⁺ и Мg². Полимеризация актина идет также как и у микротрубочек в три фазы: 1 — замедленная фаза, в которой формируется ядро актина филамента; 2 — быстрая полимеризация, в течении которой короткие филаменты удлиняются; 3 — полимеризация на плюс-конце идет быстрее, чем минус-конце.

Актин участвует в образовании разных клеточных структур, например: 1 — выступы клеточной поверхности; 2 — актиновая кора (актиновые филаменты, прилегающие к плазматической мембране); 3-сократительное кольцо, стрессовые волокла и др. Поскольку актиновые филаменты везде одинаковы и изоформы актина очень схожи, то различия в структуре активного цитоскелета определяются их стабильностью, длиной и способом прикрепления, а эти качества зависят от актин-связывающих белков. К ним относятся профилины, тимозин-в4, спектрин. Они определяют количество G-актина, встраиваемого в филамент и свойства актиновых филаментов. Если профилин и тимозин-в4 предотвращают полимеризацию, то спектрин выполняет функцию актин-связывающих белков и функцию актин-сшивающих белков.

Актин-сшивающие белки формируют из актиновых филаментов клеточной коры (слой цитоскелета, прилегающий к плазмолемме и образованный микротрубочками и микрофиламентами) отдельные структуры со специфическими функциями (сократительное кольцо митоза, стрессовые пучки, параллельные пучки, гелеподобная сеть).

Актин-сшивающие белки делятся на следующие группы:

• 1. Белки, формирующие пучки, которые соединяют актиновые филаменты в параллельно упорядоченные структуры — пучки (фибрин и б-актин). Обеспечивают образование стрессовых волокон, обеспечивающих растяжение клетки; сократительного кольца при митозе, филоподии и ламеллоподии — выпячиваний плазматической мембраны, образующихся при миграции клеток. Выпячивания формируются за счет быстролокальной полимеризации актина на конце двигательного края клетки и диполяризации его с внутренней стороны, что обеспечивает подвижность клетки.
• 2.Гельформирующие белки, соединяют актиновые филаменты крест-накрест в неполную гелеподобную трехмерную сеть (филамин). Если концентрация Са І⁺ превышает в цитоплазме 0,1мкМ, гель становится более жидким. Этот процесс называется соляцией. При этом актиновый цитоскелет становится более текучим (перетекание цитоплазмы во время движения клетки амебы). Увеличение текучести актинового цитоскелета при увеличении концентрации Са²⁺ обеспечивает белок гельзолин, который разрушает сшивки между актиновыми филаментами клеточной коры. Переход акитинового цитоскелета из геля в золь является важным этапом в клеточной сигнализации (например, в процессе синаптической передачи в нервных клетках).

Функционирование клетки, ее движение, поддержание формы, реагирование на внеклеточные сигналы напрямую связаны с актиновыми филаментами. Это подтверждается действием веществ стабилизирующих или разрушающих актиновые филаменты. Цитохалазины — предотвращают поляризацию, то есть рост актиновых филаментов; фаллоидины — токсины грибов предотвращают деполяризацию актиновых филаментов. Длительное воздействие этих веществ токсично для клетки и ведет к ее гибели. Состояние актинового цитоскелета коркового слоя клетки связано с действием внеклеточных сигналов. Воздействие веществ, нарушающих поляризацию и деполяризацию актиновых филаментов, приводит к смерти клеток. Показано, что в клетках злокачественных опухолей изменение формы клеток может быть вызвано уменьшением активности актин-связывающих белков, регулирующих сборку актина. Так, при нарушении сборки актиновые филаменты становятся короче, тоньше, что делает клетки более подвижными и более способными к метастазированию. Одна из причин подобных нарушений — снижение тимозина-в4, который связывает мономеры актина. Опухолевый вирус SV-40 вызывает трансформацию фибробластов. Для этих клеток отмечено снижение уровня б-актина. При введении в клетку ДНК, кодирующей б-актин онкогенность подавляется.

Актиновые филаменты играют основную роль в формировании микроворсинок.

Микроворсинки — это тонкие пальцевидные выпячивания плазматической мембраны на поверхности многих клеток, особенно, эпителиальных, т.к. они увеличивают общую площадь клетки Клетка тонкого кишечника имеет тысячи микроворсинок, которые увеличивают ее всасывательную поверхность в 20 раз. Актиновые филаменты микроворсинок направлены (+)-концами наружу и удерживаются вместе актин-связывающим белком виллином, специфичным только для микроворсинок тонкого кишечника. В основании каждой микроворсинки пучок актиновых филаментов закрепляется терминальной сетью — сетью молекул спектрина и промежуточных филаментов (см. ниже), которая делает кору жесткой и удерживает микроворсинку строго перпендикулярно поверхности клетки. Актиновые филаменты связаны с корой клетки также при помощи мостиков, состоящих из миозина-I и кальций-связывающего белка — кальмодулина.

Таким образом, актиновый цитоскелет, расположенный в разных частях цитоплазмы обладает разными свойствами, что связано с взаимодействием в различных частях клетки с различными связывающими белками.

Промежуточные филаменты

Промежуточные филаменты придают клетке прочность, так как представляют собой крепкие, волокнистые, устойчивые к растяжению полипептиды (см. выше: Основные белки цитоскелета) — кератины, виментиноподобные белки, белки нейрофиламентов и ядерные ламины. Эти самые стабильные филаменты, распределяясь по клетке, образуют прочную сеть, выполняя опорную функцию. Промежуточными они называются из-за того, что их диаметр меньше диаметра микротрубочек, но больше актиновых филаментов.

Промежуточные филаменты состоят из нескольких субъединиц полипептидов: одни из различных типов белков (нейрофиламенты), другие из одного типа, но у всех промежуточных филаментов полипептиды являются длинными волокнистыми с N-концевым головным доменом, С-концевым хвостовым доменом и центральным стержневым доменом. Последний состоит из б-спирального участка, который содержит серию участков из 7 аминокислот. Промежуточный филамент образуется путем скручивания попарно б-спиралей полипептидов, образуя спиральный димер. Далее два спиральных димера скручиваются антипараллельно, то есть N-конец одного димера соединяется с С-концом другого, образуя тетрамер. Антипараллельность тетрамера придает ему особую прочность. Тетрамеры выравниваются вдоль оси филамента, связываясь свободными концами, что придает филаменту эластичность, образуя протофиламент. Соседние тетрамеры взаимодействуют в районе центрального домена. Семь или восемь вытянутых тетрамерных комплексов-протофиламентов образуют зрелый промежуточный филамент.

Промежуточные филаменты разных клеток содержат разные белки: в нейронах — нейрофиламенты, состоящие из белков NF-L, NF-M, NF-Н; в клетках нейроглин — кислые глиальные белки; в эпителиальных клетках — кератиновые филаменты; в мышечных — десминовые филаменты; в мезенхиме и миоцитах сосудов — виментиновые филаменты.

Клеточный центр.

Клеточный центр (центросома) — это органелла, представляющая собой аморфное тельце, которое находится вблизи ядерной оболочки и в интерфазной клетке состоит из двух цилиндрических полостных структур длиной до 0,5 мкм и диаметром до 0,2 мкм. Эти структуры называются центриоли. Центриоли расположены под прямым углом друг к другу. В клеточном центре (центросоме) в интерфазе образуются цитоплазматические трубочки, поэтому его называют центром организации микротрубочек (ЦОМ).

Каждая центриоль состоит из расположенных по кругу 9 триплетов микротрубочек. Между триплетами находятся мостики из белка динеина, который соединяет соседние триплеты. Формула центриоли — (9х3)+0. Каждый триплет связан с сферическими структурами — саттелитами. Когда клетка вступает в позднюю фазу Gпериода интерфазы вокруг центросомы начинают образовываться короткие — астральные микротрубочки, которые отходят от саттелитов, образуя астросферу или центросферу.

В S-периоде интерфазы центросома удваивается; к каждой зрелой центриолe под прямым углом образуется дочерняя центриоль. Затем короткие микротрубочки зрелых центриолей астросферы начинают увеличиваться и расталкивать пары центриолей к противоположным полюсам, становясь полярными микротрубочками. Пары, разошедшихся к полюсам центриолей, становятся центрами организации микротрубочек веретена деления.

Кроме этого, центриоли принимают участие в образовании ресничек и жгутиков и обеспечивают внутриклеточное передвижение органелл.

Реснички и жгутики.

Это специальные органеллы движения. Реснички — это микроскопические, волосовидные выросты клетки диаметром 250 нм, расположенные на поверхности клеток многих типов, включая клетки простейших. Наружная поверхность ресничек соответствует наружной мембране клетки. В основании ресничек лежат мелкие гранулы — базальные тельца, одинаковые по строению с центриолями, являющимися матрицей для роста ресничек. От базального тельца отходит тонкий цилиндр из микротрубочек — осевая нить или аксонема. Она состоит из 9 дуплетов микротрубочек. Каждый дуплет состоит из 2 слившихся микротрубочек — одной полной и одной неполной. Полная микротрубочка состоит из 13 тубулиновых субъединиц, неполная из 11. Дуплеты соединяются друг с другом: 1— белками, образующими сшивки, которые удерживают микротрубочки вместе (нексин); 2 — белками, являющимися молекулярными двигателями, которые вызывают скольжение и повороты соседних микротрубочек. Молекулярные двигатели перемещаются по микротрубочкам лишь в одном направлении: динеины обеспечивают движение органелл от периферии клетки к центру; кинезины — от центра к периферии. Оба белка содержат 2−3 тежелые цепи, которые состоят из двигательного и хвостового доменов. Хвостовой домен соединяется с микротрубочками, а головной гидролизует АТФ, при этом создается механохимическая сила, которая вызывает движение микротрубочек друг к другу, а поскольку дуплеты микротрубочек сшиты вместе, то это сила обеспечивает сгибательное движение.

В центре аксонемы находится центральная пара полных трубочек, соединенных друг с другом вспомогательными белками и окруженная специальной белковой оболочкой — муфтой или внутренней капсулой. От нее к дуплетам идут радиальные спицы. Формула ресничек — (9×2)+2. Жгутики имеют такое же строение, являясь удлиненной ресничкой.

Движение ресничек и жгутиков подобно удару хлыстом. Ресничка при ударе вперед вытягивается и сопротивляется окружающей среде; затем возвращается назад. Соседние реснички движутся не синхронно, что приводит к образованию волн, видимых как биение ресничек.

Реснички имеются у клеток эпителия трахей, бронхов и других частей дыхательного пути, обеспечивая перемещение слизи, задержку частиц; направляют мертвые клетки к ротовой полости, где они проглатываются. Несут реснички также клетки семявыводящих путей у мужчин. Жгутики имеются у спенрматозоидов и у некоторых простейших.

Реснички и жгутики выполняют следующие функции: 1 — перемещают жидкость и частицы около клеточной поверхности; 2 — обеспечивают движение одноклеточных в жидкой среде; 3 — проталкивают яйцеклетку по яйцеводу; 4 — обеспечивают движение сперматозоидов.

Нарушение структуры ресничек и жгутиков приводит к различным заболеваниям, например синдрому Картагенера. Этот синдром имеет наследственную природу и вызывается мутациями множества генов. При этом в одних случаях реснички могут терять центральную пару микротрубочек, в другихотсутствуют радиальные спицы, в третьих — дуплеты смещаются к центру. Такие больные страдают рецидивирующими бронхитами, синуситами, ринитами. У мужчин бесплодие вызывается отсутствием динеина микротрубочек. Общее название этих заболеваний — синдром неподвижных ресничек.

Включения.

Включения — это непостоянные компоненты цитоплазмы, не имеющие постоянной структуры и обнаруживаются в клетке в определенные периоды жизненного цикла. Различают следующие включения:

• 1. Трофические включения — это депонированные питательные вещества — гликоген и жир.
• 2.Пигментные включения — это химически неоднородная группа веществ. К ним относится гемоглобин эритроцитов, меланин меланоцитов (пигментные клетки), липофусцин нервных, печеночных клеток. Гемоглобин обеспечивает транспорт газов, меланин выполняет защитную функцию (цвет кожи, сетчатка глаз, волосы), липофусцин — пигмент старения, образуется в стареющих клетках.
• 3. Секреторные включения — биологически активные вещества, включения ферментов, слизистые включения бокаловидных клеток желудка. Эти включения имеют вид мембранных пузырьков.
• 4. Экскреторные включения — вещества, надлежащие выведению из клетки, так как являются конечными продуктами обмена. По структуре похожи на секреторные включения.
• 5. Специальные включения — фагоцитированные частицы (фагосомы), поступающие в клетку путем эндоцитоза (см.: Транспорт веществ).

Клеточное ядро.

Клеточное ядро является важнейшим структурным компонентом клетки (рис.). Количество ядер, величина и форма зависят от вида клетки и ее функционального состояния. Чаще всего встречаются одноядерные клетки, но бывают многоядерные клетки (гепатоциты, симпласт поперечно-полосатой мышечной ткани). Форма ядер зависит от формы клеток; уплощенное в плоских, округлое в кубических, эллипсоидной в призматических. Встречаются сегментированные, палочковидные, лопастные ядра. Локализованы ядра либо в центре клетки, либо в периферической части. Размеры зависят от активности клеток: чем функционально активнее клетка, тем крупнее ядро. Ядро является обязательным компонентом активно функционирующей клетки. Лишь постклеточные структуры, ошибочно называемые клетками ядра не имеют. К ним относятся эритроциты, роговые чешуйки эпителия кожи, тромбоциты, ядра которых теряются в ходе специфической дифференциации. Постклеточные структуры выполняют определенное время одну или несколько функций, затем гибнут. Остальные характерные для клетки функции и процессы у них отсутствуют.

В интерфазной клетке ядро состоит из 4 компонентов: хроматина, ядрышка, кариолеммы и кариоплазмы.

Структурная организация хроматина Основным носителем наследственного материала в клетке являются специализированные структуры, находящиеся в ядре — хромосомы. Термины предложен В. Вальдейером в 1888, благодаря способности хромосом окрашиваться основными красителями (от греч. хрома-цвет, сома-тело).

В химическом отношении хромосомы представляют собой нуклеопротеиновый комплекс, в котором хранится, передается потомству и реализуется наследственная информация.

В состав комплекса входят: молекула ДНК (40%), белки (50−60%), незначительное количество РНК (10% от количества ДНК). Белки делятся на две группы: гистоны (до 80%) и не гистоновые белки. Гистоны (основные белки) выполняют две функции: регуляторную (препятствуют считыванию информации с молекулы ДНК) и структурную (обеспечивают пространственную организацию ДНК в хромосомах). Число видов не гистоновых (кислых) белков превышает 100. Это ферменты синтеза и процессинга РНК, репликации и репарации ДНК и др. Кроме того, они также выполняют регуляторную функцию. РНК хромосом составляют продукты транскрипции, еще не покинувшие место синтеза. Помимо выше перечисленного в состав хромосом входят липиды, углеводы, ионы металлов в незначительном количестве.

Регуляторная роль компонентов хромосом заключается в «разрешении» и «запрещении» считывания информации с молекулы ДНК и, следовательно, хромосомы могут находится в двух функциональных состояниях: генетически транскрипции и активном (деспирализованном) с осуществлением процессов репликации и генетический неактивном (спирализованном), осуществляющим перенос информации в дочерние клетки (митоз).

В настоящее время известны два типа хромосом:

• 1) хромосомы прокариот в нуклеоиде в клеточных органеллах у эукариот (митохондрии и хлоропласты), которые является двуспиральной молекулой ДНК, кольцевой и сверх спирализованной формы.
• 2) хромосомы ядер эукариот, имеющие разную форму в митозе и интерфазе.

На разных этапах клеточного цикла молекулы ДНК в той или иной степени упакованы в нуклеопротеиновые структуры — хроматин.. Состояние хроматина изменяется в течение клеточного цикла. В интерфазе он распределен равномерно по всему объему ядра и не выявляется обычными микроскопическими методами. В фазе деления ядра хроматин образует компактные структуры — хромосомы, видимые в обычный световой микроскоп. Термин " хромосомы « также употребляют в более широком смысле, для обозначения генетического материала вообще. В этом смысле хроматин называют интерфазной хромосомой, а в фазе деления ядра —метафазной хромосомой. В составе хроматина около 23составляют белки, 13 -ДНК, 10% -РНК В процессе клеточного цикла хроматин претерпевает несколько уровней спирализации (компактизации): нуклеосомная нить, хроматиновая фибрилла, хромомеры, хромонемы, хроматиды.

Проблема компактизации молекулы ДНК является одной из главных в изучении строения митотических метафазных хромосом. Общая длина ядерной ДНК одной клетки составляет около 190 см. Она упакована в ядре, диаметр которого в миллион раз меньше. Поэтому молекула ДНК в ядре должна представлять весьма компактную структуру. Самая маленькая хромосома человека -22^я, составляет около 1,4 см. в длину и содержит 4,6×10⁷ пар оснований. Чтобы разместить такую молекулу ДНК на метафазной пластинке, уменьшить риск спутывания или разрыва ДНК в процессе митоза, необходимо упаковать ее в более короткие пучки — хромосомы. К концу профазы митоза 22^я хромосома укорачивается до 2 мкм, то есть в 7000 раз.

Для достижения такого уровня компактизации и одновременно сохранения эффективности основных генетических процессов, требующих локальной распаковки, структура метафазной хромосомы должна пройти несколько уровней организации. Ведущая роль в этих процессах принадлежит ядерным белкам: гистоновым и не гистоновым, причем последние взаимодействуют со строго определенными последовательностями ДНК.

Нуклесомная нить.

Белки хроматина — гистоны — представляют собой белки небольшого размера (11−21кДа), содержащие большое количество остатков аргинина и лицина с основными радикалами и валина с гидрофобными радикалами. типов Благодаря основным радикалам, гистоны взаимодействуют с молекулой ДНК; благодаря гидрофобным радикалам — друг с другом.. Различают 5 типов гистонов: Н1;Н2А;Н2В;Н3;Н4. Молекулы гистонов: Н2А, Н2 В, Н3, Н4 образуют белковые тела — коры, состоящие из 8 молекул (по 2 каждого вида) и имеющие форму цилиндра (рис.). Гистоны, образующие кор, называются сердцевинными или коровыми. На кор «накручивается» молекула ДНК, делая вокруг цилиндра около двух оборотов (рис.). На один оборот вокруг кора уходит 80 н.п.(нуклеотидных последовательностей) ДНК, в результате чего сайты, удаленные друг от друга на 80 н.п. в линейной ДНК, на поверхности кора лежат рядом. Участок ДНК накрученный на кор составляет 150 н.п. и называется коровым (core-ДНК, или n DNA). Комплекс коровых гистонов и коровых ДНК называется нуклеосома. Участки ДНК между нуклеосомами называются линкерными и состоят из 15−100 н.п. в разных клетках (в среднем 60н.п.). Линкерные участки связаны с еще одним гистоном Н1, который защищает эти участки от действия нуклеаз (рис.) .

Благодаря такой организации хроматин представляет собой нить, с нанизанными на нее бусинами, где каждая бусина является нуклеосомой. Более 90% ДНК в клетке присутствуют в составе нуклеосом. Ещё 10% приходится на линкерные участки и области ДНК (в несколько тысяч пар нуклеотидов), свободные от нуклеосом. Эти участки играют важную роль в дальнейшей спирализации ДНК и содержат сайты, специфически узнаваемые различными негистоновыми белками. (рис.).

После упаковки элементарной уотсон-криковской спирали ДНК, диаметром 2нм (нм — нанометр; 1нм = 10^-9 м), в нуклеосомные структуры, линейная длина молекулы ДНК уменьшается в 6 раз, диаметр её составляет 10 нм., длина 2 мм. Гистоновые белки ядра по массе равны содержанию ДНК. Их аминокислотные остатки могут подвергаться модификации: ацетилированию, фосфорилированию и метилированию. Модификации изменяют заряд и конформацию гистонов, что влияет на взаимодействие гистонов между собой и молекулой ДНК, в результате чего и происходят конформационные перестройки хроматина.

В ядре эукариот присутствуют также сотни разнообразных негистоновых белков: 1- структурных, обеспечивающих компактизацию ДНК наряду с гистоновыми, 2— регуляторных, к которым относится множество ферментов и не ферментных белков, участвующих в синтезе ДНК и регуляции действия генов, а именно, ферментов репликации, транскрипции и репарации. Все вместе они обеспечивают преобразование нуклеосомной нити в высококонденсированный комплекс белков и ДНК, который делает нить ДНК в 1000 раз короче.

Негистоновые белки комплементарны определённой последовательности нуклеотидов ДНК (сайту ДНК). К ним относятся белки с особыми структурными мотивами, обеспечивающими их связывание с ДНК: белки типа «цинковые пальцы», гомодимеры с структурой «спираль-поворот-спираль», белки с «лейциновой застежкой-молнией» (подробнее см. Белки). К группе структурных и регуляторных белков также относят белки высокой подвижности (HMG — белки). Они имеют молекулярную массу менее 30кДа и характеризуются высоким содержанием заряженных аминокислот.

Наднуклеосомная укладка ДНК Дальнейшая спирализация хроматина приводит к образованию плотного тела митотической хромосомы и включает следующие уровни: хроматиновая фибрилла, хромомерный и хромонемный, хроматидный и уровень метафазной хромосомы.

Хроматиновая фибрилла. Этот уровень компактизации обеспечивается гистоном Н1, который будучи связанным с линкерной ДНК, связывается также с соседними нуклеосомами и сближает их (рис.). При этом образуется глобула, из 6 нуклеосом (сверхбусина), которая составляет один виток спирали по типу соленоида (рис.).

Такая структура называется элементарная хроматиновая фибрилла или нуклеомер, имеет диаметр 30нм и длину 1,2 мм. Уровень компактизации составляет 40 раз (рис.). На один нуклеомер приходится 1600 н.п.

Хромомеры и хромонемы. Следующий уровень структурной компактизации ДНК связан с укладкой хроматиновой фибриллы в петли (рис.). Соленоидная хроматиновая фибрилла складывается в петли разной длины. В образовании петель участвуют негистоновые белки, которые способны узнавать специфические последовательности ДНК (SARпоследовательности), отдаленные друг от друга на расстоянии в несколько тысяч пар нуклеотидов. Эти белки образуют остов (scaffold), который связывается SAR-последовательностями ДНК (scaffold attachment regions) и, сближая их, образует петли (рис.). Каждая петля содержит от 20 до 80 тыс. пар нуклеотидов, что может соответствовать одному или нескольким генам и называется петлевой домен. В интерфазном ядре такие петли связаны с сетчатым белковым образованием, расположенным внутри ядерной оболочки и называемым ядерным матриксом, ламиной или ядерной пластинкой(рис.26). Белки ядерного матрикса называются ламины. Они соединяют хроматин с последовательностями ДНК, которые называются МАR-последовательностями(matrix attachment regions) (рис.).

В результате такой спирализации хроматиновая фибрилла диаметром 30 нм преобразуется в структуру диаметром 300 нм, называемую интерфазной хромонемой. Отдельные участки хромонемы подвергаются дальнейшей компактизации: соседние петли объединяются в структурные блоки в виде розеток (рис.), которые, спирализуясь, образуют компактные тельца (0,1−0,20мкм.) — хромомеры. Хромомеры — небольшие, сильно окрашивающиеся тельца, различающиеся по форме и размеру. Образуются за счет сильной компактизации ДНК; число и рисунок хромомер у данного организма на данной стадии клеточного цикла одинаковы и постоянны (рис.).

Петлевые домены и хромомеры расположены неравномерно. Неодинаковая степень спирализации разных участков хромосом имеет большое значение; в зависимости от степени спирализации выделяют эухроматин и гетерохроматин.

Эухроматин — это участки хроматина, имеющие меньшую степень спирализации в неделящихся клетках; на препаратах выглядят как более светлые участки. Эухроматин является активной областью хроматина, здесь постоянно идет транскрипция ДНК. На время митоза эти участки сильно спирализуются и транскрипция с них прекращается.

Гетерохроматин (рис.) — это сильно спирализованные, компактно конденсированные, неактивные участки хроматина. Транскрипция биологической информации в их пределах не происходит. Чаще всего гетерохроматин располагается в прицентромерных, иногда в теломерных участках хромосом или, весьма редко, как вкрапления в эухроматине. Такой гетерохроматин называется интеркалярным. В световом микроскопе он виден в виде глыбок или гранул. Часть гетерохроматина прилежит к кариолемме (примембранный хроматин), часть сосредоточена вокруг ядрышек (перинуклеарный хроматин).

Различают два вида гетерохроматина: конституционный и факультативный. Конституционный гетерохроматинэто хроматин с которого ни в одной клетке никогда не идет считывания информации в виде м-RНК. Расположен в прицентромерных и теломерных областях хромосомы. Его роль заключается: 1- в поддержании структуры ядра; 2- прикреплении хроматина к ядерной оболочке; 3- узнавании гомологичных хромосом в мейозе; 4- участие в в регуляции активности генов и разделении соседних генов. Факультативный гетерохроматин — это участки хроматина, спирализация (конденсация) которых служит механизмом выключения из активной функции генов, транскрипция которых не трбуется в клетках определенной специализации. Его практически нет в эмбриональных клетках, по мере их дифференциации количество этого хроматина увеличивается. Другим примером является одна из двух Х-хромосом женского пола, которая платно упакована в виде телец Бара (тельца полового хроматина). Гены этой хромосомы не транскрибируются. Образование хромонемы и хромомер укорачивают длину ДНК в 1000 раз.

Петельно — доменная структура хроматина имеет диаметр 300 нм и является интерфазной хромосомой. Её дальнейшая спирализация ведёт к образованию хроматиды с диаметром 600−700 нм.

Последняя степень спирализации (в 7000 раз) происходит в профазе митоза; в результате образуется метафазная хромосома с диаметром 1400нм. Укладка хроматиновой нити на этой ступени спирализации представляет собой её многократное складывание по длине хромосомы (рис.). Этот процесс начинается в профазе митоза, достигает максимального выражения в метафазе. В телофазе митоза происходит декомпактизация (деспирализация) вещества хромосомам, что приводит к восстановлению интерфазного хроматина.

Метафазная хромосома состоит из двух хроматид (дочерняя хроматида — результат репликации ДНК в синтетическом периоде интерфазы), соединенных между собой в районе центромеры или первичной перетяжки. В анафазе митоза хроматиды отделяются друг от друга, образуя дочерние хромосомы, распределяющиеся между дочерними клетками.

Центромера делит хромосому на два плеча и играет определенную роль в движение хромосомы во время клеточного деления. Её потеря приводит к нарушению подвижности и потери хромосомы.

В зависимости от места положения центромеры различают: метацентрические (равноплечие) хромосомы, у которых центромера расположена в центре хромосомы), субметацентрические (неравноплечие: центромера делит хромосому на короткое (р) и длинное (q) плечи), акроцентрические (палочковидные: центромера смещена к одному из концов хромосомы). Некоторые хромосомы имеют вторичные перетяжки, которые отделяют участки коротких плеч, называемые спутники. В районе спутников 13−15, 21, 22 хромосом содержится ядрышковый организатор, который принимает участие в формировании ядрышек и содержит гены р-РНК.

Концы плеч хромосом называются теломерами. Роль теломер — сохранение стабильности хромосом и препятствование слипанию хромосом. В теломерах содержится большое количество нуклеотидных повторов Т-Т-А-Г-Г-Г. В время деления число повторов уменьшается, а затем достраивается с помощью фермента теломеразы. Уменьшение активности этого фермента приводит к укорочению теломер и в норме к старению .

У прокариот основная часть наследственной информации содержится в единственной молекуле ДНК, не образующая нуклеосомную организацию хроматина эукариот. Хромосома прокариот представляет кольцевую молекулу ДНК, длиной около 1 мм. Вместо гистонов компактизацию ДНК обеспечивают негистоновые белки, путем образования петель, в которых ДНК собрана этими белками неизвестным образом в компактные структуры типа «бусин».

Такая форма компактизации ДНК называется нуклеоид.

Степень компактизации хроматина в разные этапы клеточного цикла представлена в таблице.

Таблица.