Клеточное ядро

Ядро является первым органоидом клетки, который привлек внимание исследователей. Во всех учебниках цитологии центральное место занимают вопросы морфологии, физиологии и биохимии ядра. О ядре написано много сводок, монографий, в которых широко освещаются история развития учения о ядре, его морфология и функция. Мы приведем работы лишь последних лет, в которых с достаточной полнотой освещается литература о ядре (Brachet, 1957; Allfrey, Mirsky, Stern, 1955; Caspersson, 1950; Claude, 1949; Davidson, 1953; Kuster, 1956; Milovidov, 1949; Макаров, 1960). Интерес к этому органоиду обусловлен тем, что за клеточным ядром признается ведущая роль в жизнедеятельности клетки, морфогенезе, передаче наследственных свойств. Здесь не будем касаться всех аспектов исследования ядра, а лишь коротко остановимся на некоторых новых данных о его структуре, химическом составе и роли в метаболизме клетки.

Химический состав ядра клетки

Успехи исследований химического состава ядер в сильной степени зависели от качества методов выделения ядер в чистом виде, совершенства и чувствительности цитохимических и гистохимических методов.

Наиболее ценные результаты о составе ядер были получены при анализе выделенных ядер, поэтому исследователи так много уделяли внимания методам получения чистых ядер, не загрязненных другими органоидами клетки или продуктами их распада.

В последние годы для выделения ядер в основном используется метод дифференцированного центрифугирования в водной или безводной среде. При этом довольно часто преимущество отдается последнему способу, так как при выделении ядер в водной среде возможно вымывание компонентов ядра и адсорбция на их поверхности мелких гранул или же растворенных соединений в гомогенате.

Метод выделения ядер в неводной среде также имеет свои недостатки. Прежде всего, это большая сложность метода, а затем возможность резкого изменения активности ферментов.

Даунс (1955) приводит следующие данные о составе клеточных ядер (в % на сухое вещество): белка — 74-90; РНК — 2-5; ДНК — 4-12; липидов — 3-11. Довольно близкие цифры приводятся для ядер клеток растительных тканей: белка — 50-80%; ДНК — 5-10%; РНК — от 3,3% до 0,5%о; липидов — от 8 до 12% (Serra, 1955). Интересно отметить, что оба автора воздерживаются от приведения данных процентного содержания минеральных веществ, хотя в литературе неоднократно сообщалось о количестве в ядре минеральных веществ, полученных на основании микроозоления (Кизель, 1940).

Нужно сказать, что суммарное определение состава ядра на данном уровне развития наших знаний о функции органоидов клетки явно не удовлетворяет исследователей. Одним из наиболее надежных количественных показателей химического состава ядра являются липиды. Это объясняется главным образом тем, что большинство применимых методов для выделения ядер позволяет сохранить в них липиды в неизмененном виде. Кратко остановившись на химическом составе целого изолированного ядра, посмотрим, каким образом обнаруженные в ядре вещества распределяются между структурными элементами.

Белки клеточных ядер. Из приведенных выше данных следует, что основная масса клеточных ядер состоит из белков. Существовавшее длительное время представление, что ядра содержат только щелочные белки типа протаминов и гистонов, оказалось несостоятельным. По классификации И. Б. Збарского (1961), ядра содержат следующие белковые фракции: глобулиновую, дезоксинуклеопротеидную, кислый и остаточный белок. Необходимо отметить, что еще в 1936 г. А. Н. Белозерский показал, что ядра растительных клеток содержат большое количество кислого белка. Даунс (1955) в основном придерживается той же классификации ядерных белков, что и Збарский, а именно: гистоны, глобулины, кислые и остаточные белки.

Соотношение отдельных фракций белков в ядрах различных тканей очень сильно меняется, однако в нормальной ткани, по И. Б. Збарскому (1961), всегда преобладает дезоксинуклеопротеидная фракция. Необходимо отметить, что каждая из выделенных фракций не представляет собой гомогенного белка.

Несмотря на исключительную важность знания белков, необходимого для понимания функции ядра, наши сведения о них чрезвычайно ограничены, а следовательно, и классификация их далека от совершенства.

Нуклеиновые кислоты ядра. В связи с открытием огромной роли нуклеиновых кислот в метаболизме клетки, синтезе белков, росте, развитии, морфогенезе и явлениях наследственности в последнее десятилетие они оказались в центре внимания биологов всех специальностей.

Необходимо отметить, однако, что основная масса исследований по нуклеиновым кислотам относится к животной, а не к растительной клетке.

Уже давно забыто исходное представление о наличии двух нуклеиновых кислот — животной и растительной, или дрожжевой. Концепция об обязательном присутствии в каждой растительной и животной клетке обеих нуклеиновых кислот: рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой — развивалась как советскими, так и зарубежными исследователями (Белозерский, 1936; Feulgen, Behrens, Mahdihassan, 1937; Caspersson, 1941; Кедровский, 1942; Роскин, 1943; Brachet, 1944). Огромный размах работы и быстрое совершенствование методов исследования дали очень ценные результаты в ряде направлений. В частности, А. Н. Белозерским (1961) с сотрудниками было установлено принципиально очень важное положение: состав нуклеиновых кислот непостоянен, существует ясно выраженная видовая специфичность состава нуклеотидов в ДНК различных растений, животных и микроорганизмов. Нуклеотидный состав РНК изменяется в меньшей степени, но он также не остается стабильным.

Мы здесь не затрагиваем вопроса о структуре нуклеиновых кислот, их участии в метаболизме клетки, а хотим лишь подчеркнуть, что в органоидах клетки нуклеиновые кислоты, различного нуклеотидного состава и в разной степени полимеризованные, могут выполнять различную функцию.

В настоящее время можно считать твердо установленным, что дезоксирибонуклеиновая кислота клепчи не локализована в ядре. Выше (стр. 23) мы приводили средний процент содержания ДНК в ядре. Однако в литературе опубликованы многочисленные данные значительных отклонений от средних величин. Ряд исследователей показал, что при голодании животного процент ДНК в ядре сильно возрастает. Следовательно, содержание ДНК в ядрах чрезвычайно изменчиво не только в клетках различных организмов, но и в тканях одного органа. Многие исследователи утверждают, однако, что колебания содержания ДНК в ядре являются следствием изменения концентрации других компонентов, главным образом белка. Например, при голодании животного резко падает содержание белка в ядре; естественно процент ДНК сильно возрастет. В зависимости от физиологического состояния клетки возможны незначительные изменения абсолютного количества ДНК. Ряд исследователей (Boivin, R. Vendrely. С. Vendrely, 1948; С. Vendrely, R. Vendrely, 1948, 1949; C. Vendrely, 1952; Mirsky, Ris, 1947; Девидсон, 1952) рассчитали общее количество ДНК в органе или ткани, приходящееся на ядро, а точнее — на набор хромосом, и пришли к довольно важному заключению: среднее количество ДНК, приходящееся на одно клеточное ядро, в пределах данного вида, для нормальной покоящейся диплоидной соматической клетки является постояннйй величиной, а в гаплоидных половых клетках содержится половина этого количества ДНК. Это положение является существенным доводом в обосновании генетической роли ДНК. Не все исследователи разделяют эту точку зрения; в частности, такой авторитетный ученый, как Ж. Браше (1960), утверждает, что хотя содержание ДНК в общем коррелирует с плоид- ностью клетки, однако нет оснований утверждать, что набору хромосом соответствует строго постоянное количество ДНК. Необходимо отметить, что в литературе имеются указания, что не вся ДНК клетки локализована в ядре; небольшие величины ДНК обнаружены в других органоидах клетки.

Вопросы о содержании РНК в ядре также являются предметом многочисленных исследований. Выше мы привели средние цифры содержания этого компонента в ядре. В действительности не только процентное, но и абсолютное содержание РНК в ядре очень сильно колеблется; оно зависит от питания, рода ткани, физиологического состояния клетки, видовой принадлежности организма.

Следовательно, мы признаем некоторое постоянство ДНК в ядре и большую вариабильность отношения РНК/ДНК.

Ферменты ядра. Вопрос о содержании ферментов в ядре издавна привлекает внимание исследователей. Ведь еще в прошлом веке Ферворн (Verworn, 1892) высказал предположение, что ядро является центром синтетической деятельности клетки. Несколько позднее Ж. Леб развил представление о ядре как центре окислительных процессов в клетке. Э. Вильсон (1940) в своей монографии рассматривает ядро как место накопления (депо) ферментов и коферментов клетки.

Однако, когда были разработаны методики получения большого количества ядерного материала и определения в нем ферментативной активности, довольно быстро была установлена несостоятельность представления Леба и Вильсона. Хоуджбум и его сотрудники (Hogeboom, 1953) показали, что изолированные ядра не обладают ни сукциндегидразной, ни цитохромоксидазной активностью. Обнаружение этих ферментов в ядрах является следствием их загрязнения другими органоидами клетки или продуктами их разрушения.

Таким образом, в последнее время большинство исследователей разделяет мнение, что окислительные ферменты в ядрах отсутствуют. Обнаружены и исключения из этого правила; так, например, ядра эритроцитов птиц содержат цитрохро-моксидазу и сукциндегидрогеназу (Rubinstein, Denstedt и др. 1956; Defendi, Pearson, 1955). Однако при этом подчеркивается, что эритроциты птиц лишены митохондрий. Есть отдельные указания на наличие в ядрах небольших количеств цитохро-моксидазы. Тем не менее можно считать твердо установленным, что в ядрах отсутствуют основные ферменты цикла Кребса, этой важнейшей системы клетки, обусловливающей образование макроэргических фосфатов. В ядрах была обнаружена дегидраза яблочной кислоты, которая может осуществить лишь одну из ступеней цикла Кребса. Твердо установленные факты отсутствия в ядре окислительных ферментов развенчивали ядро как основной органоид клетки, регулирующий в ней весь обмен веществ.

Складывалось представление, что в энергетическом отношении ядро находится в прямой зависимости от других органоидов клетки, в частности от митохондрий, АТФ которых может поступать в ядра. Однако хорошо известно, что в живой клетке энергия может освобождаться и трансформироваться в АТФ в анаэробных условиях гликолитическим путем, поэтому в последние годы очень много уделялось внимания исследованию гликолитических ферментов в изолированных ядрах. В изолированных ядрах растений (Stern, Mirsky, 1952) и животных (Dounce, Beyer, 1948) было установлено довольно высокое содержание альдолазы, энолазы и дегидразы 3-фосфорглицеральдегида. Уже эти данные позволяли заключить, что гликолиз в ядрах является основным источником энергии, что в них преобладает анаэробный обмен. На V биохимическом конгрессе Г. Зильберт (1961) сообщил, что в ядрах обнаружены еще следующие гликолитические ферменты: гексокиназы, фосфофруктокиназы и приводящие к образованию АТФ на последних стадиях гликолиза фосфоглицераткиназа и пируваткиназа. Из этого следует, что в энергетическом отношении ядра являются совершенно независимыми органоидами клетки, их ферментный состав обеспечивает образование АТФ в процессе гликолиза. Наряду с этим в ядрах были обнаружены глютатион и аскорбиновая кислота.

Из гидролитических ферментов прежде всего необходимо отметить наличие в ядре щелочной фосфатазы. Хотя в последние годы и высказывались сомнения в присутствии щелочной фосфатазы в ядрах, однако очень четкая реакция Гомори на щелочную фосфатазу, полученная на срезах, а также на изолированных ядрах и хромосомах, является веским аргументом наличия в ядрах щелочной фосфатазы.

Общепризнанно, что ядра содержат ферменты, связанные с нуклеиновым обменом. Так, например, в них сконцентрированы аденозиндезаминаза и нуклеозидфосфорилаза. Хогебум и Шнейдер (Hogeboom, Schneider, 1952) обнаружили в ядрах фермент, участвующий в синтезе кофермента дифосфопиридиннеуклеотида (ДПН), образующийся за счет АТФ и никотинамидмононуклеотида. Из этого факта можно сделать общее заключение, что ядро является местом синтеза коферментов.

В последние годы (Herbert, Potter, Takaji, 1955 и др.) было установлено содержание в ядрах ферментов, принимающих непосредственное участие в обмене уридиннуклеотидов.

Чрезвычайно интересны данные о наличии в ядрах, изолированных в безводной среде, ферментов, активизирующих следующие аминокислоты: аланин, аспарагиновую кислоту, цистеин, глютаминовую кислоту, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, пролин, серин, треонин, триптофан, тирозин, валин, аргинин, глицин и фенилаланин. Ряд ферментов, активирующих аминокислоты, был обнаружен и в ядрах, выделенных в сахарозе (Гвоздев и Хесин, 1960).

Таким образом, данные исследований, проведенных в последние годы, свидетельствуют о высокой метаболической активности ядер, наличии в них большого количества ферментов, обеспечивающих освобождение энергии, ее трансформацию и осуществление многообразных синтезов.

Минеральные элементы ядра. Несмотря на то, что в последние годы удается выделить большое количество ядерного материала и получить из него от 0,5 до 10 % золы, содержание минеральных веществ и их локализация в ядре чрезвычайно мало изучены (Поульсон и Боуэн, 1955; Naora, Mirsky, Allfrey, 1961). Главным минеральным компонентом ядра является кальций, хотя в некоторых ядрах его не удается обнаружить. Довольно много в ядрах магния. Можно считать установленным, что ядра содержат Na, К, Fe, Cu, Mn, Zn, Co, Ca, Mg, Na и К могут быть обнаружены методами прямого химического анализа. О наличии других элементов свидетельствуют обнаруженные в ядрах ферменты в активном состоянии: каталаза, альдолаза, аргиназа, энолаза, щелочная фосфатаза, для которых названные выше элементы являются или составной частью, или же абсолютно необходимым активатором.

Ядерная оболочка

Данные электронномикроскопических исследований растительных и животных клеток показали, что ядерная оболочка состоит из двух слоев: внутреннего, сплошного слоя, в котором пока не удается обнаружить какой-либо структуры, и наружного, пронизанного порами диаметром 400 A (Callan, 1952). Даусон с сотрудниками (Dawson, и др. 1955) подсчитали, что оболочка ядра нейрона содержит 10 000 пор. Необходимо отметить, что ряд ученых (Kautz, De-Marsh, 1955) не разделяет описанных выше представлений о структуре оболочки ядра.

Вопрос о наличии в ядерной оболочке пор имеет очень важное и принципиальное значение так, как пористость ядерной оболочки делает возможным беспрепятственный обмен веществ, между ядром и цитоплазмой. Размеры пор допускают прохождение не только молекул белка и РНК, но и небольших агрегатов из них.

В состав оболочки ядра входят главным образом остаточ-ные белки (Збарский, 1961).

Хромосомы

Вопрос о структуре интеркинезного ядра, долгое время дискутировавшийся в литературе, в настоящее время потерял свою остроту. Сущность спора сводилась к тому, сохраняются ли хромосомы в покоящемся ядре. В ядре во время интерфазы трудно было выявить наличие структурных образований, однако рядом исследователей центрифугированием были выделены из разрушенных ядер тонкие нити и доказано, что они являются истинными хромосомами. Использование элек-тронного микроскопа позволило установить, что морфологической структурной единицей хромосомы является элементарная хроматиновая нить. Хромосома состоит из пучка таких нитей, расположенных параллельно ее длинной оси. Количество нитей различно в хромосомах разных организмов. Ряду исследователей (Mazia, 1954; Рис, 1960) удалось установить, что элементарная хроматиновая нить состоит из корпускул палочковидной формы длиной приблизительно 4000 А и диаметром 200 А. Эти корпускулы, соединяясь своими концами при помощи двухвалентных катионов — кальция и магния, образуют хроматиновую нить. Эта морфологическая элементарная единица хромосомы представляет собой нуклеопротеид, состоящий из ДНК, основного и негистонового белка. Если допустить, что элементарные единицы связаны между собой мостиками из двухвалентных катионов, т. е. связей с низкой энергией, то можно ожидать, что в определенных условиях будут получены искусственно вызванные разрывы и перестройка хромосом. Действительно, если растения выращивать в среде с недостатком магния и кальция, то частота спонтанных разрывов хромосом сильно возрастет.

Химический состав элементарных хромосомных нитей, а также хромосом, выделенных из разрушенного интерфазного ядра, пока еще очень плохо изучен. Мирский и Рис (Mirscky, Ris, 1947, 1949) много внимания уделяют исследованию хромосом, полученных из разорванных ядер соматических неделящихся клеток. Правда, пока нет твердой уверенности в том, что при этом все нити, выделенные центрифугированием, являются истинными хромосомами. Эти авторы показали, что около 90% сухого вещества таких хромосом состоит из нуклеогистона. Если из них удалить ДНК и гистон, остов их сохраняется; он состоит из смеси белков (в частности, содержащих триптофан), РНК (приблизительно 7-14%) и щелочной фосфатазы. Относительно последней высказывается предположение, что она не является обязательным компонентом хромосом, а может находиться в них в результате загрязнения.

Структуре и химизму хромосом посвящена обширная литература. Однако динамика хромосомного аппарата неразрывно связана с процессом митоза, который рассматривается ниже. Нам для выяснения роли ядра в метаболизме клетки важно было установить, что хромосомы состоят главным образом из ДНК, гистонового и негистонового белка, небольшого количества РНК.

Ядрышки

Ядрышки, их форма, количество и их положение в ядре, хорошо видны в обычном оптическом микроскопе. В фазово-контрастном микроскопе уже заметна гетерогенная структура ядрышка. Оно состоит из плотного компактного содержимого, в котором включены вакуоли разнообразных размеров. В живых клетках Acetabularia можно видеть, что ядрышки находятся в непрерывном движении. Электронный микроскоп уже позволил более детально изучить структуру ядрышек. Оказалось, что основное вещество ядрышка состоит из сильно переплетенных нитей, названных нуклеонемой и из аморфной части (Горощенко и Машанский, 1961; Kuff, Ноgeboom, Dalton, 1956; Кикнадзе, 1961). Последняя отнюдь не является бесструктурным образованием; в ней можно видеть очень мелкие гранулы, похожие на гранулы Палада. Нуклеонема также состоит из округлых очень плотных гранул (диаметром 100-150 А).

Химический анализ изолированных ядрышек (Vincent, 1952; Baltus, 1954), показал, что они содержат всего от 3 до 5% РНК на сухое вещество. Интересно, что нуклеотидный состав РНК ядрышка оказался отличным от РНК цитоплазмы. В изолированных ядрышках обнаружено значительное количество ДНК, а также гистонов (Mcnty, Litt, Kay, Dounce, 1956).

По данным Винсента (Vincent, 1952), большая часть белков ядрышек представляет собой фосфопротеиды; кроме того, в них обнаружены белки типа глобулинов. Отмечаются значительные различия в составе ядрышек разного происхождения.

По далеко не полным данным, ядрышки содержат следующие ферменты: кислую фосфатазу, нуклеозидфосфорилазу и фермент, синтезирующий дифосфопиридиннуклеозид (ДПН). Общепризнанным считается, что ядрышки образуются специализированными участками хромосом. Однако имеются указания (Rattenbury, Serra, 1952) о возможности образования ядрышек из ядерного сока, о его самостоятельном существовании. В общем нужно признать, что состав ядрышек и их функция еще очень плохо изучены.

Ядерный сок

Сведения о химическом составе ядерного сока чрезвычайно скудны и, главное, недостаточно надежны. Штих (Stich, 1951) в ядерном соке Acetabularia обнаружил РНК, белок и гликопротеиды.

В зародышевом пузырьке овоцитов лягушки были обнаружены следующие ферменты: дипептидаза, полипептидаза, рибонуклеаза, щелочная фосфатаза и в небольшом количестве эстераза; однако эти сведения нуждаются в тщательной проверке, так как вполне возможно, что ферменты попадают в ядерный сок из других компонентов ядра при фракционировании.

Поделиться:

Дополнительные материалы по теме: