Таким чином, у структурі ядерець можна розрізнити наступні п'ять компонентів: гранулярний, фібрилярні центри, щільний фібрилярний компонент, хроматин, білковий сітчастий матрикс.

Яким же чином розподілені всередині ядерець рДНК, рРНК і білки, де розташовуються матриці для синтезу рРНК, де первинні транскрипти, де попередники рибосом, зрілі рибосоми - всі ці питання були вирішені із застосуванням найрізноманітніших молекулярно-біологічних і цитологічних методів. Один з цих методів, - метод регресивного фарбування нуклеїнових кислот, заснований на тому, що іони уранілу, пов'язані з ДНК, більш легко вимиваються зі зрізів при обробці їх хелатином ЕДТА, ніж іони, пов'язані з РНК. Це дозволяє розрізнити в ядрі щільні пофарбовані структури, що містять РНК і структури втратили забарвлення, ті що містять ДНК. Так в різноманітних ядрах ділянки хроматину як конденсованого, так і дифузного втрачають забарвлення, а компоненти, що містять РНК - зберігають. У ядрі при цьому контрастно виділяються різноманітні РНП, що містяться в основному обсязі ядра та ядерця. При цьому в ядерцях інтенсивно забарвлені численні гранули, вони пофарбовані так само, як рибосоми цитоплазми. Пофарбованим є щільний фібрилярний компонент, фібрилярні центри пофарбовані слабкіше, а внутрішньоядерцевого і біляядерцевий хроматин виглядають світлими.

Залишався відкритим питання про природу фібрилярних центрів, оточених щільними РНК-містять фибрилами. Було виявлено за допомогою різних методів (специфічне фарбування за допомогою осмій-аміну, ДНКази, міченої золотом, зв'язуванням міченого актиноміцину, прямий молекулярної гібридизацією з міченої рДНК), що у складі фібрилярних центрів знаходиться ДНК, відповідальна за синтез рРНК. Зони фібрилярних центрів відрізняються від решти хроматину тим, що складаються з тонких хроматінових фібрил, значно збіднених гістонів Н1 (що показано за допомогою мічених колоїдним золотом антитіл).

Ці дослідження дозволили зв'язати один з одним дані молекулярної організації транскрибуючи рибосомних генів з даними морфології ядерець і з'ясувати топологію в обсязі ядерця процесу синтезу рРНК та утворення рибосом.

Мал.2.4 Електронна мікрофотографія ядерця

Мал.2.5 Клітина з сферичною формою ядра де чітко видно ядерця.

Структурні типи ядерець

Наведені вище опису дають основу для розуміння різноманітності будови ядерець в клітинах з відповідним рівнем синтезу рРНК. Однак крім різного ступеня вираженості гранулярного і фібрилярних компонентів існують і інші варіанти структурної організації ядерець. Зазвичай розрізняють кілька структурних типів ядерець: ретикулярний або нуклеолонемний, компактний, кільцеподібний, залишковий, сегрегований.

Ретикулярний тип ядерця найбільш характерний для більшості клітин, для нього властиво нуклеолонемна будова, велика кількість гранул і фибрилярного щільного матеріалу. У багатьох випадках фібрилярні центри виявляються погано, ймовірно через високого рівня транскрипції. Цей тип ядерець зустрічається в клітинах тварин і рослин. Так, наприклад, ретикулярний тип ядерця, властивий гігантським політенним хромосомам двокрилих комах, дуже схожий з таким на гігантських хромосомах антиподіальних клітин ячменю.

Компактний тип ядерця відрізняється від попереднього меншою вираженістю нуклеолонеми, більшою частотою зустрічальності фібрилярних центрів. Такі ядерця характерні для активно розмножуються клітин (клітини рослинних меристем, клітини культури тканини та ін.). Ймовірно, що обидва ці типи можуть переходити один в одного, в усякому разі, вони найчастіше зустрічаються в клітинах з високим рівнем синтезу РНК і білка.

Кільцеподібні ядерця зустрічаються в клітинах тварин. У світловому мікроскопі вони мають форму кільця з оптично світлою центральною зоною - це фібрилярний центр, оточений РНП-фибрилами і гранулами. Розмір цих ядерець становить близько 1 мкм. Типові кільцеподібні ядерця характерні для клітин з відносно низьким рівнем транскрипції.

Залишкові ядерця характерні для клітин повністю втратили здатність до синтезу рРНК (нормобласти, диференційована ентероцита, клітини шиповатого шару шкірного епітелію та ін.). Часто вони настільки малі і так оточені конденсованим хроматином, що насилу виявляються в світловому мікроскопі. У ряді випадків вони можуть знову активуватися і переходити в компактну або ретикулярну форму.

Сегрегіровані ядерця характерні для клітин, оброблених різними антибіотиками або хімічними речовинами, що викликають припинення синтезу рРНК (актиноміцин Д, амфотерицин та ін.), А також антибіотиками, що впливають на синтез ДНК і білків (мітоміцин, пуроміцин, багато канцерогенів і т.д.). Термін "сегрегація" використовується в даному випадку у зв'язку з тим, що відбувається як би поділ, відокремлення різних компонентів ядерець, що супроводжуються прогресивним зменшенням його об'єма.

Ядерце - джерело рибосом

Усередині інтерфазних ядер на фіксованих і забарвлених препаратах видно дрібні, зазвичай кулясті тільця - ядерця. Вперше ядерця були описані Фонтану в 1774 р У живих клітинах вони виділяються на тлі дифузної організації хроматину через свою світлозаломленість. Остання властивість пов'язано з тим, що ядерця є найбільш щільними структурами в клітині. Ядерця виявляються практично у всіх ядрах еукаріотів за рідкісним винятком. Це говорить про обов'язкову присутність цього компонента у клітинному ядрі.

У клітинному циклі ядерце присутній протягом всієї інтерфази: в профазі по мірі компактизації хромосом під час мітозу воно поступово зникає, і відсутній в мета - і анафазі, і знову з'являється в середині телофази, які зберігаються аж до наступного мітозу, або до загибелі клітини.

Довгий час функціональне значення ядерця було незрозуміло. Аж до 50 - років дослідники вважали, що речовина ядерця являє собою свого роду запас, який використовується і зникає в момент поділу ядра.

Однак ще в 30-х роках поруч дослідників (МакКлінток, Хейтц, Навашин) було показано, що виникнення ядерець пов'язано топографічно з певними зонами на особливих, ядерцеутворюючих хромосомах. Ці зони були названі ядерцевими організаторами, а самі ядерця представлялися як структурний вираз хромосомної активності. Пізніше в 40-х роках, коли було знайдено, що ядерця містять РНК, стала зрозуміла їх "базофілія", спорідненість до основних (лужних) фарбників, через кислої природи РНК. За даними цитохімічних і біохімічних досліджень основним компонентом ядерця є білок: на його частку припадає до 70-80% від сухої ваги. Такий великий вміст білка і визначає високу щільність ядерець. Крім білка в складі ядерця виявлені були нуклеїнові кислоти: РНК (5-14%) і ДНК (2-12%).

Уже в 50-х роках при вивченні ультраструктури ядерець в їх складі були виявлені гранули, подібні за своїми властивостями з цитоплазматичними гранулами рибонуклеопротеїдна природи, з рибосомами. Наступним етапом у вивченні ядерця було відкриття принципового факту - "ядерцевих організатор" є вмістилищем генів рибосомних РНК.

Поділ ядра і клітини

Це універсальний спосіб поділу соматичних клітин. Він властивий організмам усіх рівнів еволюційного розвитку, котрі мають сформоване ядро. Сукупність регульованих процесів, які відбуваються в клітині протягом часу, що минає від одного поділу до другого, називають міотичним циклом. Він складається з інтерфази та власне мітозу, що тісно пов'язані між собою, і триває приблизно 15 - 30 год.

Власне мітозу передує інтерфаза, в якій відбувається подвоєння молекули ДНК та синтез АТФ, необхідної для синтетичних процесів і перебудови під час мітозу.

Інтерфаза - най триваліший у часі відрізок міотичного циклу. Ядро відносно велике, з добре помітними одним - двома ядерцями слабкозернистою структурою. Хромосоми неконденсовані, забарвлення їх виявити не можна. В інтерфазі відбуваються важливі біохімічні процеси. Виділяють три періоди цієї інтерфази: пре синтетичний, синтетичний і пост синтетичний. У першому періоді відбувається ріст клітини, що утворилася, відтворення цитоплазматичних структур, синтез РНК і білка, накопичення енергії; у другому - реплікація молекул ДНК, утворення двох хроматид; у третьому - синтез білка, накопичення енергії. Власне мітоз поділяють на чотири фази: профазу, метафазу, анафазу, телофазу. Тривалість мітозу - 1 - 3 год.

Профаза - найдовша фаза мітозу (1-2год), в якій вся структура ядра перебудовується для поділу. На початку профази ядро збільшується в об'ємі, в ньому чітко видно скручені в клубок товсті хромосоми, які почали конденсуватися. На прикінці профази хромосоми вкорочуються, і тоді помітно, що вони складаються з двох хроматид, з'єднаних вузькою ділянкою - центромерою. Ядерце на цей час звичайно зникає (руйнується), ядерна оболонка також руйнується, зливаючись із цитоплазмою, розпадається на невеликі фрагменти, які не можна відрізнити від елементів ендоплазматичного ретикулума, нуклеоплазма змішується з гіалоплазмою. На полюсах клітини з'являються білкові нитки, які ростуть до центра. Починається формування міотичного (ахроматинового) веретена, котре забезпечує розходження хромосом до полюсів клітини.

Метафаза характеризується максимальним укороченням хромосом, які набувають форми типової для кожного виду рослин (каріотип). На початку метафази відокремлені і вкорочені хромосоми максимально конденсуються і рухаються до екваторіальної зони клітини, їх добре видно в світловому мікроскопі. Наприкіці метафази всі хромосоми розміщуються в екваторіальній зоні, утворюючи метафазну пластинку. У метафазі хроматини відокремлюються одна від одної, зв'язок між ними зберігається лише в центромері. З ниток хромосом формується веретено поділу. Закінчується метафаза формуванням міотичного веретена, яке з'єднує полюси з центром ерами хромосом. Тривалість метафази - 5 - 15 хв. Найвідмітнішою особливістю метафази є те, що центром ери хромосом, прикріплені до ниток веретена, розташовані в площині екваторіальної пластинки клітини.

Анафаза починається поділом центром ери і збігається з початком розходження дочірніх хромосом до полюсів клітин. Нитки веретена поділу вкорочуються і тягнуть хроматиди за центромери до полюсів клітини внаслідок скорочення тягнучих ниток. Кожна хроматида стає хромосомою. Отже, на кожному полюсі виявляється стільки хромосом, скільки їх було в початкової клітини. Анафаза - найкоротша фаза мітозу.

Телофаза - остання фаза мітозу. Вона починається з розташування дочірніх хромосом (кожна з них утворена однією хроматидою) біля полюсів клінити. В телофазі відбувається процес, протилежний тому, мав місце в профазі: з'являються ядерця, формуються ядерні оболонки навколо кожної з двох груп дочірніх хромосом, зникає веретено поділу. Тривалість телофази - 10 - 30 хв. На початку телофази хромосоми мають вигляд темних згустків на полюсах клітини, у кінці - їхній контур зникає. Одночасно в екваторіальній пластинці клітини з'являється фрагмопласт - волокна, розташовані перпендикулярно до цієї пластинки. У центрі фрагмопласта накопичуються пухирці Гольджі, які містять пектинові речовини. Вони дають початок клітинній пластинці, яка розростаючись відцентрово і розсуваючи фрагмопласт, досягає стінок материнської клітини.

Відбувається цитокінез, який завершує мітоз. Пізніше на клітинній пластниці х обох боків формуються первинні стінки. Під час поділу цитоплазми (цитокінез) в рослинних клітинах виникає цитоплазматична мембрана, яка поширюється відцентрово до периферії, розділяючи клітину навпіл, після чого з'являється міжклітинна речовина (серединна пластинка), а згодом - целюлозна оболонка.

В результаті міотичного циклу утворюються дві клітини, що мають таку ж кількість хромосом, як материнська клітина, причому вони ідентичні її хромосомам за структурою ДНК та розмірами, тобто забезпечується спадкова подібність дочірніх клітин до вихідної материнської.

Мал.2.6 Схема мітозу

Мал.2.7 Цитокінез (схема)

а) б) в)

г) д)

Мал.2.8 Клітини в період: а) інтерфази; б) профази; в) метафази; г) анафази; д) телофази; е) клітини в період інтерфази одразу після мітозу (електронна фотографія).

Амітоз

Це інший спосіб поділу соматичних клітин. Суть його полягає в тому, що ядро ділиться на дві або більше частин без будь-яких попередніх змін структури. Відразу після перешнуровування ядра відбувається поділ цитоплазми. Під час амітозу хромосоми розподіляються між дочірніми клітинами нерівномірно, тому не забезпечується їхня біологічна рівнозначність. Однак структурна організація клітин, що утворилися, не змінюється. Амітоз спостерігається в клітинах високо диференційованих і старих тканин.

Мейоз

Такий же універсальний процес, як і мітоз. Мейоз, або редукційний поділ ядра, який відбувається при статевому розмноженні, притаманний переважній більшості рослин, але він властивий лише певній групі клітин (звичайно, під час утворення спор). Суть мейозу полягає у зменшенні (редукції) кількості хромосом у кожній клітині, що утворюється, удвічі. Крім того, для нього характерні два поділи ядра, що проходять один за одним. Таким чином, в результаті мейозу з однієї вихідної диплоїдної клітини утворюється чотири гаплоїдних.

Біологічне значення цього процесу з'ясоване вже давно: завдяки мейозу зберігається певна кількість хромосом. Забезпечується це внаслідок відповідних перетворень, а саме: гаплоїдні статеві клітини - гамети (n) - під час статевого процесу зливаються і утворюють зиготу; при цьому кількість хромосом збільшується вдвічі (2n), а зигота дістає спадкову інформацію від обох гамет.

Мейоз проходить у два етапи, які відбуваються один за одним. У кожному з них також виділяють чотири фази (профазу, метафазу, анафазу і телофазу), однак вони принципово відрізняються від однойменних фаз мітозу. На відміну від мітозу, при мейозі відбувається перебудова хромосомного апарату ядра.

Перший поділ складний і специфічний, він супроводжується зменшенням числа хромосом. У профазі цього поділу гомологічні хромосоми можуть обмінятися ділянками (кросинговер). В анафазі до полюсів клітини розходяться не хроматини, як під час мітозу, а гомологічні хромосоми.

Другий поділ відбувається за типом мітозу. В результаті з однієї диплоїдної клітини утворюються чотири (тетрада) дочірніх з галоїдною клітиною хромосом. Різноманітність їхніх хромосомних наборів зумовлює різноманітність ознак у наступних поколінь, що є основою для еволюції виду.

В деяких випадках число хромосом перед утворенням статевих клітин не скорочується і вони залишаються диплоїдними. В результаті рослина, яка утворюється із зиготи, буде містити три - чотири хромосоми, а іноді й більше. Такі клітини і рослини, що складаються з них, називають поліплоїдними. Поліплоїдні рослини звичайно більші. Більшість високопродуктивних сортів помідорів, кукурудзи, пшениці та інших сільськогосподарських культур є поліплоїдними. Поліплоїдію можна спричинити штучно, піддаючи насіння рентгенівському опроміненню або обробляючи його різними хімічними речовинами тощо.

Мал.2.9 Мейоз (схема)

Роль ядра в житті клітини