Ядро - это центр управления клетки

Ядро - это центр управления клетки; здесь хранится наш генофонд, причём каждая клетка содержит полный набор генов организма. Именно наличие ядра отличает эукариотические клетки от более примитивных прокариот - бактерий и архей. Существует несколько версий касательно происхождения данного компартмента: одни считают, что ядра, подобно митохондриям, происходят от бактерий, захваченных клетками на ранних стадиях эволюции; другие полагают, что ядро развилось уже внутри прокариотической клетки - причём есть мнение, что именно ядро первоначально и было клеткой, которая в дальнейшем нарастила вокруг себя дополнительную оболочку.

Ядро является крупнейшей органеллой эукариотической клетки (диаметр - 10 микрометров, занимает около 10% от объёма клетки), имеет сферическую форму и обладает двойными стенками, промежуток между которыми именуется пренуклеарным пространством или люменом; наружная мембрана образована путём слияния стенок ЭПС, полость которой сообщается с люменом. Для транспорта веществ - белков, РНК, нуклеотидов и др. - из цитоплазмы и в цитоплазму, служат ядерные поры: эти сложные белковые комплексы играют роль шлюзов, пропуская внутрь только те молекулы, к которым присоединена особая последовательность - сигнал ядерной локализации; или, напротив, высвобождая в цитоплазму белки и РНК, снабжённые сигналом ядерного экспорта. Для транспортировки веществ через ядерную мембрану служат специальные белки транспортины, которые связываются с грузом и с дополнительными белком Ran, который снабжает процесс энергией. Импортины транспортируют груз внутрь ядра, экспортины - наружу.

Внутренняя мембрана ядра выстлана так называемой ламиной - жёсткой белковой структурой, которая играет роль ядерного цитоскелета, позволяя органелле сохранять форму, а так же служа местом закрепления хромосом. Жидкое содержимое ядра именуется нуклеоплазмой или кариоплазмой. В ней присутсутвуют субкомпоненты, именуемые ядерными тельцами - они отчасти схожи с органеллами цитоплазмы, но не имеют мембран и активно обмениваются белками, из которых состоят, с кариоплазмой и друг с другом. Наиболее приметным из телец является ядрышко - крупное образование, формирующееся вокруг особых областей хромосом, которые именуются ядрышковыми организаторами; на этих участках содержатся гены, кодирующие рибосомную РНК, которая входит в состав рибосом; соответственно, основным назначением ядрышек является сборка рибосом из РНК и белков, поступающих из цитоплазмы. Другие ядерные тельца - кластосомы, спеклы, тельца Кхаля, - менее изучены, хотя известно, что их функции во многом перекрывают друг друга: участие в транскрипции, репарации, процессинге, экспрессии либо подавлении генов.

Но самая главная, самая знаменитая начинка ядра - это, конечно же, дизоксирибонуклеиновая кислота, ДНК, в структуре которой записаны наши гены. Молекула данного вещества состоит из двух необычайно длинных цепочек, закрученных вокруг друг друга - та самая легендарная двойная спираль, или дуплекс. Полимерные цепи состоят из повторяющихся мономерных блоков - нуклеотидов. "Скелетом" каждого такого блока служит сахар-дизоксирибоза, связанный с соседними нуклеотидами посредством фосфатных групп; а идентификатором нуклеотида является его азотистое основание, которое может быть одного из четырёх типов - аденин (А), гуанин (G), тимин (Т) или цитозин (С). Таким образом, "алфавит" ДНК состоит всего из четырёх букв; но бесчисленные сочетания, десятки и сотни тысяч азотистых оснований, позволяют кодировать огромные объёмы данных, ничуть не хуже, чем это делают компьютеры при помощи двоичного кода. Основания двух цепочек соединены друг с другом посредством водородных связей, строго определённым образом, который называется комплементарностью - аденин может взаимодействовать только с тимином, гуанин - только с цитозином. Таким образом, две цепочки дуплекса не одинаковы, а комплементарны: там, где в одной идёт, к примеру, последовательность ATG, в другой всегда будет TAC. Кроме того, каждая цепь имеет направление, от 3'-конца (читается как "три-штрих-конец") к 5'-концу; ферменты, осуществляющие различные операции с ДНК, могут двигаться по цепи лишь в одну сторону. Две цепочки дуплекса антипараллельны, т.е. направлены в противоположные стороны.

При диаметре всего в несколько нанометров, длина молекулы ДНК может достигать 8 сантиметров; существует так же другая мера длины - мегабаза, составляющая миллион пар оснований. При таких размерах даже одна молекула ДНК не смогла бы уместиться в ядре клетки, не будь она компактно упакована. Для этой цели служат белки-гистоны: двойная спираль накручивается на них, словно на бусины, образуя нуклеофиламент; этот филамент свивается в спиральную фибриллу; фибрилла образует петли, а те укладываются в розетчатые структуры. Смесь ДНК и гистонов именуется хроматином, а получившееся в итоге компактное тело - хромосомой. В нормальной человеческой клетке 46 хромосом, разбитых на 23 пары, в которых одна хромосома происходит от отца, а другая - от матери; такой геном называется диплоидным, в то время как у других видов он может быть гаплоидным (по одной хромосоме каждого типа), триплоидным (тройки хромосом), тетраплоидным и т.д. Отсутствие некоторых хромосом или, напротив, наличие лишних (анеуплодия), вызванное неправильным расхождением хромосом при делении клетки, приводит к различным заболеваниям. Лишние хромосомы (трисомия) означают выработку лишних белков соответствующими генами, что для зародыша, как правило, смертельно. Исключения бывают лишь в случаях самых бедных генами хромосом, включая 21-ю - трисомия по ней вызывает синдром Дауна.

Хромосомы обладают своими архитектурными особенностями, которых нет у обычной, распакованной ДНК: в частности, они имеют так называемую первичную перетяжку, так же именуемую центромерой - сужение, где происходит сборка белковых структур под названием кинетохоры. Эти структуры крайне важны в период митоза: когда клетка делится, оболочка ядра разрушается и веретено деления растаскивает хромосомы к разным клеточным полюсам; именно кинетохоры отвечают за контакт с микротрубочками веретена. Первичная перетяжка делит хромосому на два плеча, по соотношению которых выделяют три типа хромосом: метацентрические (плечи практически равны по длине), субметацентрические (одно плечо длиннее другого) и акроцентрические (второе плечо почти незаметно). Длинное плечо именуется так же дистальным, короткое - проксимальным. Некоторые хромосомы, кроме того, имеют вторичную перетяжку, отделяющую от основного тела небольшой фрагмент, именуемый спутником; на этих участках группируются ядрышковые организаторы.

Хромосомы в паре гомологичны - т.е. похожи друг на друга и несут сходный, хотя и не всегда одинаковый, набор генов. Исключение составляет пара половых хромосом у мужчины, где Х-хромосома соседствует с совсем короткой Y-хромосомой, содержащей в себе гены, отвечающие за развитие мужских признаков - гениталии, комплекция, выработка определённых гормонов и т.д. У женщин данная пара представлена двумя Х-хромосомами, хотя одна из них свёрнута в т.н. тельце Барра, активируясь только после попадания в половую клетку.

Хромосомы занимают особые участки в ядре - хромосомные территории; между этими территориями остаются промежутки - межхромосомные домены, служащие для перемещения РНК и белков.

Однако в полностью "заархивированное" состояние ДНК переходит только в период деления клетки, тогда как в интерфазе (этап клеточного цикла между делениями) хромосома то и дело "распутывается" на разных участках, чтобы сделать возможным доступ к генам. Конденсированный, плотно упакованный хроматин, содержимое которого не может быть прочитано, именуется гетерохроматином, в то время как деконденсированные, читаемые участки - эухроматином. Модификация гистонов и, как следствие, хроматина, является одним из способов регуляции активности генов.

Доступ к ДНК разнообразным белкам и белковым комплексам необходим, в первую очередь, для транскрипции - то есть реализации генетической информации и синтеза белков; подробнее об этом процессе мы расскажем в следующем посте. Существуют и другие фундаментальные процессы такого плана. Обширный комплекс ферментов, именуемый реплисомой, осуществляет репликацию ДНК, то есть её удвоение перед делением клетки: двигаясь вдоль двойной спирали, он разматывает её, разрывает водородные связи между цепочками, разделяет их и синтезирует для каждой цепи вторую, комплементарную ей - процесс именуется полуконсервативным, поскольку в каждом из получившихся дуплексов одна цепочка происходит от материнской, а другая - полностью новая. Именно после репликации, перед делением, хромосома приобретает характерный Х-образный вид, пока две копии (в этот период именуются хроматидами) остаются связаны в районе центромер.

С репликацией связан один очень важный аспект деления эукариотической клетки - укорачивание ДНК. Поскольку фермент ДНК-полимераза, синтезирующий новую цепь, не может начинать синтез с нуля, фермент праймаза создаёт для него небольшой стартовый РНК-фрагмент - затравку, или праймер. После синтеза ДНК праймеры удаляются, а фермент лигаза заделывает получившиеся бреши; однако он может двигаться только в одном направлении, от 5'-конца к 3'-концу - и, следовательно, не может залатать брешь на месте самого первого праймера. Таким образом, с каждой репликацией молекула ДНК становится немного короче. Для решения этой проблемы существую теломеры - участки на концах цепей, состоящие из бессмысленных повторяющихся фрагментов; именно они героически жертвуют собой, уменьшаясь с каждой транскрипции. В некоторых клетках (стволовых, половых, раковых) присутствует специальный фермент теломераза, который восстанавливает теломеры после деления клетки. В остальных клетках теломеры будут уменьшаться, пока не исчезнут совсем, и тогда начинается потеря генетической информации. И хотя этот процесс не является единственным фактором, определяющим время клеточной жизни (многие клетки во взрослом организме вообще не делятся до самой смерти), теломеры играют важную роль в наступлении старости.

Поскольку ДНК имеет свойство постоянно повреждаться из-за ошибок репликации и других факторов (радиация, ультрафиолетовое излучение, химическое и температурное воздействие), множество ядерных систем служат для ремонта ДНК - репарации; этот процесс периодически вызывает мутации генов, но зато продляет жизнь клетки, которая не может делиться при нечитаемой ДНК. Другим важным и весьма известным в научной фантастике процессом является рекомбинация - когда два разных дуплекса переплетаются друг с другом и обмениваются участками цепей, физически или путём их синтеза на матрице друг друга. Такой обмен, как правило, происходит между гомологичными хромосомами и служит для репарации, когда целый участок повреждённой ДНК оказывается удалён и нуждается в замене; однако процесс часто выходит за пределы репарируемого фрагмента (рекомбинация, сопровождаемая кроссинговером), служа увеличению генетического разнообразия путём создания новых комбинаций генов.

Комментарии: