Nucleul bm

7/23/2019 Nucleul bm

http://slidepdf.com/reader/full/nucleul-bm 1/10

1

Nucleu celular

1. Caracteristicile generale ale nucleului (mărime, formă, localizare).

2. Structura și funcția nucleului. Proteinele nucleare specifice.

3. Anvelopa nucleară. Organizarea moleculară a complexului porului nuclear. Transportul

substanțelor din nucleu şi în interiorul nucleului.

4. Matricea nucleară: organizarea moleculară şi funcția.5. Nucleolul și rolul său în biogeneza ribozomilor.

6. Cromatina: organizarea moleculară. Eucromatina și heterocromatina.

7. Nivelele de compactizare a ADNlui.

8. Elemente ale cromozomilor metafazici.



2

1. Caracteristicile generale ale nucleului (mărime, formă, localizare)

Fig.1 Poziţia şi conexiunile nucleului în celulă

Nucleul – este un compartiment celular care este prezent în toate celulele eucariote, cu excepția eritrocitelor mature. De obicei, nucleul este situat în centrul celulei sau excentric și

are forma rotundă sau ovală (fig 1). Cele mai multe celule au un singur nucleu, dar sunt celule cu două sau mai multe nuclee.

Exemplu de celule polinucleate pot fi miofibrilele musculaturii striate, formate prin fuziunea

mioblaştilor mononucleari. Dimensiunea nucleului poate varia de la 5 până la 10 microni. Deobicei, nucleul ocupă 10% din citoplasmă. Un indicator important al funcționalității celulei este

raportul nucleu-citoplasmă, care este mai mare în celulele tinere și active.

Nucleul - este centrul de control, coordonare și monitorizare a funcțiilor vitale alecelulelor eucariote. Ca centru informațional nucleul coordonează toate reacţiile chimice dedesfășurare a proceselor vitale prin controlul sintezei proteinelor-enzime celulare, iar organizarea

celulei - prin sinteza proteinelor structurale. În fluxul informațional, există trei puncte cheie:replicarea ADN, transcripția și translația informației genetice. Replicarea și transcripția se

desfășoară în nucleu, în timp ce translația - în citoplasmă.

În acest mod informația genetică înscrisă în moleculele de ADN se realizează în procesul de sinteză a proteinelor și se transmite celulelor fiice în timpul diviziunii celulare.

2. Structura și funcția nucleului. Proteinele nucleare specifice.

Principalele elemente ale nucleului sunt:

- Anvelopa nucleară,

- Matricea nucleară, - Nucleolii,

- Cromatina.



3

Fig.2 Structura nucleuluiFuncțiile de bază:

- Depozitarea și păstrarea informației genetice (aproximativ 98% din ADN-ul celular)

- Controlul activitatății celulei prin reglarea r ealizătii informaţiei genetice,

- Transmiterea informației genetice celulelor fiice.

Proteine nucleare specifice:

1) proteinele anvelopei nucleare:

- Nucleoporine: formarea porilor nucleari,

- Transportine: asigură transportul de substanțe din citoplasmă în nucleu (importine) și din

nucleu în citoplasmă (exportine);

2) proteinele matricei nucleare:

- Matrine - proteine structurale ale nucleoscheletului,

- SAP (scaffold asociated proteines) - asigură compactizarea ADNului în cromozomi,- Nucleoplasmine - reglează metabolismului si configurația altor proteine;

- Lamine - proteine fibrilare ce fixsează bulcele de cromatină și, indirect, reglează

transcri pția în nucleu;

3) Histonele sunt proteine cu proprietăți bazice ce participă la compactizarea ADN-ului și

reglează nespecific activitatea genei;

4) Nehistone:

- HMG (High Mobility Group) - o mica parte din proteinele nucleare non-histone cu

specifitate mare de unire la ADN;

- Enzimele de replicare, reparare, transcr ipție, și processing ;

- Proteine-situs specific e - cu rol de a recunoaște anumite situsuri în ADN, și de a efectua

o varietate de funcţii (plierea moleculei de ADN, originea replicării, controlultranscripției genelor ); Acestea includ proteinele "Helix-Turn-Helix» și «zinc finger».



4

3. Anvelopa nucleară. Organizarea moleculară a complexului porului nuclear.

Transportul substanțelor din nucleu și în interiorul nucleului.

Conținutul nucleului este separat de citoplasmă prin anvelopa nucleară, care constă din

două membrane și spațiu perinuclear . Membrana nucleară externă continuă cu REr și are pesuprafața sa ribozomi. Mem brana internă este în contact cu matricea nucleară. În locurile undemembrana internă continuă cu cea externă se formază porii nucleari, iar spațiul dintre membraneeste numit perinuclear, are o grosime de 20-40 nm și comunică cu REr. Porii nucleari ocupăaproximativ 10% din suprafața anvelopei nucleare.

De membrana internă sunt atașate proteinele fibrilare, care formează lamina nucleară.Aceasta este f ormată din proteine lamine (A, B și C) și îndeplinește următoarele funcțiiimportante:

- Menține integritatea și forma nucleului;

- Participă la dezintegrarea și reorganizarea anvelopei nucleare în timpul diviziunii celulare;

- Fixsaează fibrele de cromatină în interfază; - Formează complexul porilor nucleari.

O caracteristică a anvelopei nucleare este prezența porilor, pentru care numărul mediueste în jur de 3000, dar depinde de tipul și vârsta celulelor. Porii sunt înconjurați de structuri mari

circulare numite complexul porilor. Se compune din 3 inele de proteine, fiecare conținând 8granule proteice. În centru – este prezentă granula centrală cu rol de diafragmă fină. Porul

nuclear interacționează cu matricea nucleară prin intermediul unor filamente cu diametrul de 4-8

nm, care se termină cu o extremitate pe inelul intern.

Fig.3 Structura porului nuclear

Principala funcție a porilor nucleari este transportul substanțelor în nucleu și din nucleu.Din citoplasmă în nucleu sunt importate proteinele matricei nucleare, fermenții care asigurăsinteza acizilor nucleici, proteinele histone, ribozomale. Pentru transportarea proteinelor prin

porul nuclear ele sunt dotate cu secvențe semnal. Din nucleu în citoplasmă sunt exportate subunitățile ribozomale , moleculele ARN

(ARNm, ARNt). Moleculele ARN sunt transportate formînd complexe cu proteinele. Secvențele

semnal pot fi situate atât în proteine cât și în ARN. Acest tip de transport este activ și necesităcheltueli energetice. ARN nuclear mic iese din nucleu în citoplazmă, unde se cuplează cu



5

proteine speciale, formînd splicesoma,care se întoarce în nucleu pentru asigurarea splicengului (înlăturarea intronilor din preARNm ).

Lamina nucleară

Lamina nucleară aderă la membrana internă a nucleului, e formată dintr -o reția fibrilară,

interacționează cu structurile matricei nucleare și deasemenea cu componentele fibrilare acomplexului porului nuclear. Lamina internă împreună cu complexul porului nuclear formează o parte din scheletul nuclear, numit complexul lamină-por . Acest complex conține 2-3% din

cantitatea totală de proteine nucleare. Este format din proteine nonhistone (95%), preponderent

acide. Pe suprafața internă a complexului lamină- por se localizează nucleozid-3-fosfataza, care

se presupune că ar fi transportat ARN în citoplazmă.

Lamina este compusă din proteinele filamentelor intermediare, cu aceași orientație, numite lamine. În celulele umane ea se formează din lamina A,B și C. Lamina A se găsește încelulele diferențiate și unele cellule stem. Lamina B este în fiecare celulă, lamina С – doar înunele țesuturi.

Lamina nucleară îndeplinește următoarele funcții:• menține integritatea și forma nucleului, • responsabilă de dezintegrarea și reorganizarea anvelopei nucleare în procesul mitozei, • fixează filamentele/fibrele cromatinei în interfază, • asigură localizarea și lucrul complexului porilor nucleari.

4. Matricea nucleară: organizarea moleculară și funcțiile

Conceptul de matrice nucleară a fost propus în 1975, pe baza experimentelor în care saarătat că după o procesare(prelucrare) specifică a nucleului în el rămân proteine insolubile. Se

crede că aceste proteine sunt similare proteinelor citoscheletului celulei.

Matricea nucleară e formată din două părți:1)

Fracția labilă e constituită din proteine solubile cu masa moleculară mică, substanțeneorganice și apă;

2)

Matricea nucleară propriu zisă, e constituită dintr -o rețea de proteine insolubile cumasa moleculară mare – nonhistone, fermenți, nucleoplasmine.

Proteinele non-histone - sunt o familie heterogenă de proteine cu o greutate molecularădiferită, și cu caracteristici chimice tot diferite. Spre deosebire de histone, cele mai multe dintre

aceste proteine sunt bogate în triptofan; Acestea au capacitatea de a evolua pe scară largă,trecând rapid de la un statut funcțional la altul. Enzimele nucleare catalizează în principal sintezaADN, ARN și procesingul.

Funcțiile matricei nucleare:

- Asigură forma, organizarea internă și stabilitatea nucleului interfazic;

- Participă la compactizarea cromatinei; - Asigură procesele de replicare și transcripție.



6

Matricea nucleară poate schimba fluxul membranei nucleare, care este necesară pentru aîndeplini funcțiile de bază ale matricei și în special transportul de subunități a ribozomilor princomplexul porilor. Matricea nucleară poate modifica structura cromatinei, care este importantă înreplicarea ADN-ului și transcrierea ARN (activarea și inactivarea genelor). In timpul mitozei,95% din proteinele matricei nucleare sunt distribuite în citoplasmă. În nucleul nou format după

diviziune, în ansamblarea acestor proteine o importanță majoră au procesele de glicozilare.Scheletul în nucleol îndeplinește o funcție de sprijin în momentul depunerii subunitățilorribozomale.

5. Nucleolul și rolul lui în biogeneza ribozomilor

Nucleolul este prezent în toate celulele eucariote, în afară de blastomeri, care nu au

biosinteză proteică proprie (fig.4). E compus din: ADN – 3%, ARN – 7% și proteine – 90%.

Nucleolul nu este delimitat de conținutul nucleului printr -o membrană. Numărul și

mărimea nucleolilor depinde de perioada ciclului celular în care se află celula (în celulele umane

teoretic pot fi până la 10 nucleoli la începutul interfazei și unul mare la sfîrșit). Nucleoli ocupăaproximativ 30% din volumul total al nucleului. Există o corelație între volumul nucleului șinucleolului - volumul nucleo-nucleolar. Cu cât mai activă este celula, cu atât mai mare este

acest raport.

Cu microscopul electronic în nucleol pot fi distincte 3 componente:

- Componenta granulară, formată din particule cu diametrul 15-20 nm, reprezentată de precursorii ribozomali;

- Componenta fibrilară densă, formată dintr -o mulțime subțiri de fibrile (5 nm), reprezentatăde ADN și ARN transcripți primar i;- Componenta amorfă – la periferia nucleolului.

Rolul primordial al nucleolului – este sinteza ARN ribozomal și formarea precursorilor

ribozomali. În componența nucleolului se găsesc bucle mari de ADN, ce conțin gene ARNr .Aceste bucle poartă denumirea de organizatori nucleolari și la om se găsesc pe cromozomii (13, 14, 15, 21, 22 ), care controlează formarea nucleolului la sfîrșitul mitozei.



7

Biogeneza ribozomilor: În nucleol are loc sinteza a trei fracţii de ARNr (5,8S; 18S; 28S)şi stocarea precursorilor ribozomali. De pe ADN se transcrie un precursor - ARNr 45S, care este

procesat în trei fracţii mai mici (28S; 18S; 5,8S). ARNr 5S este sintetizat în afara nucleolilor.

Moleculele de ARNr se asociază cu proteine ribozomale sintetizate în citoplasmă şi importate înnucleu. Particulele ribonucleoproteice (RNP) sunt transportate în citoplasmă sub formă de

subunităţi ale ribozomilor (40S şi 60S).

6. Cromatina: organizarea moleculară. Eucromatina şi heterocromatina.

Cromatina reprezintă structura nucleoproteică localizată în nucleu şi se caracterizează prin forma extinsă şi despiralizată a cromozomilor în interfază.

Cromatina este compusă din ADN, proteine histone, proteine nehistone şi ARN. Astfel,cromatina poate fi considerată o nucleoproteidă în care proteinele histone şi nehistoneinteracţionează atât între ele, cât şi cu ADN-ul.

Proteine histonice (40%) - polipeptide bazice, ce conţin peste 22% aminoacizi bazici, înspecial arginină şi lizină. Există cinci fracţii de histone: H1, H2A, H2B, H3, H4 (tab. 6.1).

Proteinele histonice nu au specificitate de ţesut.

Tabel 1 Caracteristica proteinelor histone

Tipul de

histonăAminoacizii

predomina

nţi

Număraminoacizi

Masa

moleculară

H1 Lizina 215 21500

H2A Leucina,

lizina

129 14000

H2B Serina,

prolina,lizina

125 13775

H3 Arginina,

conţinecisteină

135 15320

H4 Arginina,

lizina

102 11280

Proteinele histone stabilizează dublul helix de ADN, inducînd o structură terţiară – nivel

elementar de organizare a ADN la eucariote. Din punct de vedere funcţional ele represeazănespecific transcripţia, împiedicând unirea ARN-polimerazei la ADN.

Proteinele nonhistone - proteine acide (20%) cu un conținut ridicat de aminoacizi acizi(glutamic, aspartic). Proteinele nonhistone sunt foarte heterogene, au mobilitate mare, un rol

catalitic în metabolismul ADN și expresia genelor (polimeraze, ligaze, topoizomeraze, factori de

transcripție, și altele.). Acestea includ, de asemenea proteine specifice (SAP, zinc-finger) și proteine ale axului cromozomial. Proteinele nonhistone se conțin în cantități mari în țesuturileactive, în timp ce histonele prezintă cantități egale în toate țesuturile.

ARN se conține în cromatină, fiind produsul transcripției de pe ADN, în specialtranscripții primari și snARN (de exemplu, ARN din componența primazei, telomerazei, etc.).

Cromatina se clasifică în două categorii (eucromatina și heterocromatina), care diferă

după: gradul de colorare, gradul de spiralizare și condensare, secvențele de ADN, momentulreplicarii și activitatea genetică.



8

Eucromatina reprezintă regiunea cromatinei care conţine gene structurale şi este porţiunea funcţional activă a ADN-ului, de pe care are loc transcripţia. Aceasta este slabcondensată şi, deci, se replică timpuriu, la începutul perioadei S a interfazei.

Heterocromatina reprezintă segmente de cromatină inactivă genetic, care nu se supunetranscripţiei. Este mai puternic condensată şi se replică tardiv în faza S. Se disting două tipuri de

heterocromatină: constitutivă şi facultativă. Heterocromatina facultativă reprezintă secvenţecare în anumite condiţii se pot despiraliza şi transforma în eucromatină. Heterocromatinaconstitutivă conţine ADN repetitiv sau satelit. Acest tip nu se transformă niciodată îneucromatină. Localizarea segmentelor heterocromatice în cromozomii omologi este identică.

7. Nivelurile de organizare a cromozomilor

Împachetarea ADN-ului într -un cromozom presupune existenţa câtorva nivele deorganizare sau condensare, fiecare fiind responsabil de un anumit grad de ̎micşorare ̎ a lungimii

ADN-ului. Nivelurile de compactizare a ADN-ului se deosebesc prin: gradul de condensare

ADN, diametrul fibrei de cromatină, mecanismul de formare, activitatea transcripțională și perioada ciclului celular.

Primul nivel – nucleozomic – este determinat de asamblarea ADN-ului cu histonele, ce formeazăfilamentul de cromatină (DNP) cu diametrul 11 nm (fig. 5).

Fiecare nucleozom constă dintr -un miez histonic (core) format din: 8 proteine: 2H2A,

2H2B, 2H3, 2H4 şi o secvenţă de ADN cu o lungime de 146 pb. ADN-ul înfăşoară de ~2 orioctamerul histonic, formînd un complex stabil – nucleozomul. Fiecare nucleozom este separat

de secvență linker ADN cu o lungime de 8-114 perechi de baze. Datorită nucleozomilor ADN sescurtează ~ de 6 ori, și are aspectul unui “şirag de mărgele”. La acest nivel de transcripția este

posibilă.



9

Al doilea nivel – solenoidul – este

reprezentat de fibra de cromatină de 30 nm cerezultă din superspiralizarea filamentului decromatină . Acest nivel de compactizarescurtează molecula de AD N de 40-60 ori

(fig.6) . Solenoidul reprezintă o superspiralăde dreapta cu şase nucleozomi per tur (fig. 6.B,C). Trecerea cromatinei de la nivelul I la II

şi invers este determinată de modificărilechimice ale histonei H1. Fosforilarea H1 se

asociază cu superspiralizarea DNP, iar

defosforilarea H1 – cu despiralizarea

solenoidului (fig. 6. A) . Acest mecanism este

important în reglarea activităţii genelor.Histona H1 este asociată atât cu miezul

nucleozomic, cât şi cu segmentul ADN linkerşi are rol în stabilitatea nucleozomului. La

acest nivel se blocheză transcripția.

Al treilea nivel- bucle (300 nm,700 nm) se formează prin asocierea ADN la axăcromozomială (scaffold) prin intermediul unor

proteine acide SAP (Scaffold Associated Protein)

care recunosc secvențe specifice de nucleotide dindiferite regiuni ale fibrei de cromatină (fig.7).Proteinele SAP formează axul cromozomial de carese fixează buclele. Trebuie de remarcat faptul călungimea buclelor variază și se presupune că estedepinde de caracteristicile funcționale ale diferitelorregiuni ale cromatinei. Transcrierea ADN-ului este

blocat la acest nivel.

Al patrulea nivel reprezintă condensarea şi plicaturarea buclelor ce duce la formareacromatidelor cromozomului metafazic. Fiecare cromatidă are grosimea de la 700 la 900 nm.Molecula ADN în cromosom se scurtează de 10000 ori. Datorită proprietăţii cromatinei de a se

compactiza în nucleul celulei umane cu diametrul de 4 încap 46 molecule de ADN cu

lungimea totală de circa 2 m. Mecanismul de compactizre la acest nivel include fosforilarea

proteinei H1, dar și fosforilarea lamininei și disocierea anvelopei nucleare. Transcriptia la acest

nivel este imposibilă.

Studiile recente au demonstrat rolul modificărilor chimice a histonelor în compactizarea

ADN-ului în cromozomi, și controlul activității genelor:

• Metilarea H3 (Lys4) - expresia activă a genei,

•

Metilarea H3 (Lys9) - atenuarea (încetinirea) transcripției, • Acetilarea histonelor - relaxarea cromatinei, transcripția,



10

• Dezacetilarea histonelor - compactizarea cromatinei, blocarea transcripției, • Fosforilarea H1 – supercondensarea ADN,

• Defosforilarea H1 – decondensarea ADN.

8. Elementele cromozomului metafazic

Cromozomul metafazic este format din 2 cromatide surori identice unite prin centromer la

nivelul constricţiei primare (fig. 8).

Centromerul este format din heterocromatină constitutivă, reprezintă segmentul de unire a

cromatidelor surori prin intermediul proteinelor-coenzine şi de asamblare a kinetocorilor.

Centromerul împarte cromozomul în două braţe: braţul p - proximal,

mai scurt; braţul q - distal, mai lung. Regiunea centromerică acromozomului este formată din ADN şi proteine specifice. ADNcentromeric conţine secvenţe necodante, repetitive în tandem bogate în

perechi A/T.

Funcțiile centromerului:- Menţinerea celor două cromatide surori până la sfârşitul

anafazei mitozei;

- Locul formării kinetocorilor ;- Recunoașterea cromozomilor omologi în meioză;

- Inreracțiune cu microtubulii fusului de diviziune.

Telomerii reprezintă complexe din ADN şi proteine specializate careformează capetele cromozomilor eucariotelor.

La eucariote

ADN are

structură liniară, de aceea pentrua asigura protecţia de

exonucleaze şiindividualitatea

cromozomilor (împiedicăreanrajamentele cromozomice), există telomerii - secvențe localizate la capetele cromozomiloreucariotelor. Regiunile telomerice conțin secvențe scurte repetate de ADN bogate în guanină șicitozină care formează o buclă prin legături necomplementare de hidrogen (fig.9).

Funcțiile regiunilor telomerice:

•

Împiedică fuziunea cromozomilor • Asigură individualitatea și integritatea cromozomilor

• Protecția cromozomilor de exonucleaze

• Asigură conjugarea și recombinarea corectă a cromozomilor

Documents

Nucleul bm