Ядро - обязательная составная часть полноценной клетки. Оно содержит геном и продуцирует макромолекулы, контролирующие синтетические процессы цитоплазмы. Клетки без ядра (эритроциты млекопитающих, кровяные пластинки, центральные волокна хрусталика) не способны продуцировать белок и соответственно ограничены в метаболической активности. Форма ядер и их размеры в клетках различного типа весьма разнообразны и специфичны. Для большинства плоских, кубических и округлых клеток характерна шарообразная форма ядра. Такую же форму имеют отростчатые нервные клетки, тогда как в числе шарообразных клеток крови имеются клетки с сегментированными ядрами (рис. 6).
В ядре различают ядерную оболочку, хроматин, ядрышко и ядерный сок.
Рис. 6. Форма ядер в различных клетках:
1 - круглая, пузырьковидная; 2 - овальная; 3 - палочковидная; 4 - подковообразная; 5 - кольцевидная; 6 - неправильно-кольцевидная; 7 - подковообразная; S - трехлопастная.
Ядерная оболочка (кариолемма) состоит из двух элементарных липопротеидных мембран, разделенных перинуклеарным пространством в 20 - 100 нм (рис. 7 и 8). На определенном расстоянии мембраны ядерной оболочки формируют ядерные поры диаметром 80 - 90 нм. В области поры наружная и внутренняя мембраны ядерной оболочки сближаются и непосредственно переходят одна в другую. Количество пор зависит от функциональной активности клетки. В мембраны пор включены три ряда гранул по восемь гранул в каждом, расположенные последовательно со стороны ядра, в центре поры и со стороны цитоплазмы клетки. Каждая гранула снабжена фибриллой. Последние при определенном положении, перпендикулярном к стенке поры, в совокупности образуют "диафрагму", закрывающую пору (рис. 9). Электронно-микроскопическим анализом установлен непосредственный переход наружной мембраны ядерной оболочки в мембраны эндо-плазматической сети цитоплазмы, что, очевидно, необходимо учитывать при оценке возможных путей переноса веществ через ядерную оболочку.
Хроматин ядра получил свое название за способность интенсивно окрашиваться основными красителями (chroma - краска), что зависит главным образом от присутствия в ядре дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Последняя является характерной составной частью хромосом, определяющей закономерности основных жизненных процессов в клетках. Химический анализ хромосом свидетельствует, что выделенное из их ядер вещество (дезоксирибонуклеопротеид - ДНП) содержит ДНК (40% общей массы), незначительное количество РНК (до 1%) и белки (60%, 85% гистонов и 15% кислых белков).
Молекула ДНК представляет собой двойную спираль нуклеотпдов. Специфичность структуры молекул ДНК и РНК, характерная для каждого организма, определяется содержанием и последовательностью локализации в их составе нуклеотидов, различных по азотистым основаниям. Химический состав и строение ДНК,
Рис. 7. Электронная микрофотография ядра кроветворной клетки (ув. 16000):
1 - оболочка ядра; 2 - поры в оболочке; 3 - глыбки хроматина; 4 - ядрышко; 5 - гранулярная сеть (по Фаусету).
Рис. 8. Схема интерфазного ядра клетки (по Заварзину и Хазаровой):
1 - поверхностный аппарат ядра; 2, 3 - мембраны ядерной оболочки (2 - наружная, 3 - внутренняя, между ними перинуклеарное пространство); 4 - плотная пластика; 5 - поровой комплекс; 6 - рибосомы; 7 - гетерохроматин; 8 - эухроматин (ДЫП); 9 - элементы ядерного матрикса; 10 - РШТ-частицы; 11 - ядрышко; 12 - околоядерный хроматин.
Pиc. 9. Тонкая организация ядерной поры:
1 - перинуклеарное пространство; 2 - внутренняя ядерная мембрана; 3 - внешняя ядерная мембрана; 4 - периферические субъединицы; 5 - центральная гранула (по Франке).
механизм ее синтеза и синтеза РНК подробно излагаются в курсе генетики.
Из хроматина построены хромосомы. Однако хромосомы как палочковидные или нитевидные структуры видны только в определенные фазы деления клеток. В ядрах неделящихся клеток значительные участки каждой хромосомы деконденсированы или деспирализованы. Эти дисперсные, или растянутые, участки хромосом активны в процессах синтеза. Они плохо окрашиваются гистологическими красителями. Дисперсный хроматин называют эухроматином. Участки хромосом, которые остаются конденсированными, интенсивно окрашиваются и выглядят на гистологических препаратах как базофильные глыбки в ядре. Они функционально не активны.
Конденсированный хроматин в ядре неделящейся клетки называют гетерохроматином.
Белки хромосом представлены гистонами и негистоновыми белками.
Гистоны характеризуются высоким сродством к ДНК и образуют с ней характерные структурные комплексы. В составе хромосом различают пять фракций гистонов: H1, Н2а, Н2б, Н3, Н4. Четыре из них (Н2а, Н2б, Н3 и Н4 по две молекулы каждого вида) формируют глобули - нуклеосомы - 20 нм в диаметре. Участки молекул ДНК в два витка спирали (140 нуклеотидных пар молекулы) стабилизируются нуклеосомами. Нить ДНК, расположенная между нуклеосомами, имеет различную длину и состоит из 10 - 70 пар оснований. Молекула гистона Hl связана с этими сегментами хромосомы и участвует в установлении и стабилизации высокоупорядоченной структуры хромосомы (рис. 10).
Растянутая молекула ДНК нуклеосомы и промежуточных участков составляют филаменты (10 нм в диаметре). В присутствии ионов магния филаменты конденсируются с участием гистона H1 в структурные комплексы высшего порядка диаметром 20 - 30 нм и более.
Микроскопическая картина хроматина ядра клеток соответствует степени напряженности синтетических процессов определенных участков хромосом. При активизации последних хромосомы деспирализуются и рассредоточиваются - базофильная субстанция (эухроматин) исчезает. Функциональные неактивные участки хромосом уплотнены и микроскопически выявляются как базофильные глыбки хроматина (гетерохроматин). Количество и локализация конденсированного хроматина хромосом интерфазных ядер различных типов клеток соответствует специфичности активности их белкового обмена. Конденсированный хроматин преимущественно выявляется на внутренней поверхности ядерной оболочки и в разной степени в виде глыбок в других зонах ядра. Максимально конденсируется хроматин в период митотического деления клеток, когда хромосомы выключаются из процессов синтеза, уплотняясь, формируют характерные для каждого вида клеток наборы хромосом.
Ядрышко - тельце сферической формы диаметром 1 - 5 мкм, сильно преломляющее свет. Размеры его варьируют в зависимости от физиологического состояния клеток. Наиболее крупные ядрышки встречаются в быстро размножающихся эмбриональных клетках и клетках опухолей. Формирование ядрышка зависит от специфического участия хромосомы - ядрышкового организатора (рис. 11). Число ядрышек в ядре соответствует числу ядрышковых организаторов. Последние обычно располагаются в области вторичных перетяжек хромосом и содержат гены, кодирующие синтез рибосомальной РНК. Ядрышко окрашивается кислыми и особенно основными красителями.
Функция ядрышек - формирование рибосом. При небольших увеличениях электронного микроскопа в ядрышке обнаруживают аморфную часть и нуклеолонему (ядрышковая нить), представляющую собой сеть нитей толщиной 60 - 80 нм. При больших увеличениях электронного микроскопа можно видеть, что аморфная часть состоит из филаментов толщиной 5 - 8 нм, а нуклеолонема построена из филаментов толщиной 5 - 8 нм и гранул диаметром 15 - 20 нм. Филаменты и гранулы состоят из РНК. На периферии ядрышка располагается околоядрышковый хроматин. Его рассматривают как конденсированную часть хроматина ядрышкового организатора. Электронно-микроскопические исследования с использованием меченого уридина показали, что сначала метка включается в фибриллы, а затем в гранулы. Следовательно,
Рис. 10. Схема различных уровней строения ДАП:
1 - нуклеосомы; 2 - межнуклеосомальные участки ДНК; 3 - фибрилла ДНП с диаметром 20 - 25 нм (по Ченцову).
Рис. 11. Схема организации ядрышка:
1 - околоядрышковый хроматин; 2 - ДНК ядрышкового организатора (область ДНК с рибосомальными генами); 3 - фибриллярная зона; 4 - гранулярная зона; 5 - белки и РНП ядрышкового матрикса.
вначале формируются фибриллы, затем конфигурация их изменяется и они превращаются в гранулы. В ядрышке РНК связывается с белком. Здесь происходит сборка субъединиц рибосом, которые, по-видимому, и являются гранулярным компонентом ядрышка. Окончательное формирование рибосом происходит вые ядрышка.
Ядерный сок (кариоплазма) - микроскопически бесструктурное вещество ядра. Он содержит различные белки (нуклеопротеиды, гликопротеиды), ферменты и соединения, участвующие в процессах синтеза нуклеиновых кислот, белков и других веществ, входящих в состав кариоплазмы. Электронно-микроскопически в ядерном соке выявляют рибонуклеопротеидные гранулы 15 нм в диаметре.
В ядерном соке выявлены гликолитические ферменты и их субстраты, участвующие в синтезе и расщеплении свободных нуклеотидов и их компонентов, энзимы белкового и аминокислотного обмена и др. Сложные процессы жизнедеятельности ядра обеспечиваются энергией, освобождающейся в процессе гликолиза, ферменты которого содержатся в ядерном соке.
