Что такое ядро в биологии. Определение

Ядро – необходимая структура любой клетки организма. Что такое ядро? В биологии это важнейший компонент каждого организма. Ядро можно обнаружить и у одноклеточных простейших, и у высокоорганизованных представителей эукариотического мира. Главная функция этой структуры – хранение и передача генетической информации, которая здесь же и содержится.

После оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом происходит слияние двух гаплоидных ядер. После слияния половых клеток образуется зигота, ядро которой уже несет диплоидный набор хромосом. Это значит, что кариотип (генетическая информация ядра) уже содержит копии генов и матери, и отца.

Диплоидное ядро присутствует практически во всех эукариотических клетках. Гаплоидным ядром обладают не только гаметы, но и многие представители простейших организмов. Сюда относятся некоторые одноклеточные паразиты, водоросли, свободноживущие формы одноклеточных. Стоит отметить, что большинство из перечисленных представителей имеют гаплоидное ядро лишь на определенной стадии жизненного цикла.

Состав ядра

Какова характеристика ядра? Биология тщательно изучает состав ядерного аппарата, т. к. это может дать толчок в развитии генетики, селекции и молекулярной биологии.

Ядро – это двумембранная структура. Мембраны являются продолжением эндоплазматической сети, что необходимо для транспорта образованных веществ из клетки. Содержимое ядра называется нуклеоплазма.

Хроматин – основное вещество нуклеоплазмы. Состав хроматина разнообразен: здесь находятся в первую очередь нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), а также белки и многие ионы металлов. ДНК в нуклеоплазме расположена упорядочено в виде хромосом. Именно хромосомы при делении удваиваются, после чего каждый их наборов переходит в дочерние клетки.

РНК в нуклеоплазме чаще всего встречается двух типов: мРНК и рРНК. Матричная РНК образуется в процессе транскрипции – считывания информации с ДНК. Молекула такой рибонуклеиновой кислоты позже покидает ядро и в дальнейшем служит матрицей для образования новых белков.

Рибосомальная РНК образуется в специальных структурах под названием ядрышки. Ядрышко построено из концевых участков хромосом, образованных вторичными перетяжками. Эта структура может быть видна в световой микроскоп в виде уплотненного пятнышка на ядре. Рибосомальные РНК, которые синтезируются здесь, также поступают в цитоплазму и далее вместе с белками образуют рибосомы.

Непосредственное влияние на функции оказывает состав ядра. Биология как наука изучает свойства хроматина для лучшего пониманию процессов транскрипции и деления клетки.

Функции ядра. Биология процессов в ядре

Первой и самой важной функцией ядра является хранение и передача наследственной информации. Ядро – уникальная структура клетки, т. к. в нем содержится большая часть генов человека. Кариотип может быть гаплоидный, диплоидный, триплоидный и так далее. Плоидность яда зависит от функции самой клетки: гаметы гаплоидные, а соматические клетки диплоидные. Клетки эндосперма покрытосеменных растений триплоидные, и, наконец, многие сорта посевных культур имеют полиплоидный набор хромосом.

Передача наследственной информации в цитоплазму из ядра происходит при образовании мРНК. В процессе транскрипции нужные гены кариотипа считываются, и в итоге синтезируются молекулы матричной или информационной РНК.

Также наследственность проявляется при делении клетки митозом, мейозом или амитозом. В каждом из случаев ядро выполняет свою определенную функцию. Например, в профазе митоза разрушается оболочка ядра и сильно компактизированные хромосомы попадают в цитоплазму. Однако в мейозе перед разрушением мембраны в ядре происходит кроссинговер хромосом. А в амитозе ядро вовсе разрушается и вносит небольшой вклад в процессе деления.

Кроме того, ядро косвенно участвует в транспорте веществ из клетки из-за непосредственной связи мембраны с ЭПС. Вот что такое ядро в биологии.

Форма ядер

Ядро, его строение и функции могут зависеть от формы мембраны. Ядерный аппарат может быть округлым, вытянутым, в виде лопастей и т. д. Часто форма ядра специфична для отдельных тканей и клеток. Одноклеточные организмы различаются по типу питания, жизненного цикла, а вместе с тем различаются и формы мембраны ядер.

Разнообразие в форме и размере ядра можно проследить на примере лейкоцитов.

• Ядро нейтрофилов может быть сегментированным и не сегментированным. В первом случае говорят о подковообразном ядре, и такая форма характерна для молодых клеток. Сегментированное ядро – это результат образования нескольких перегородок в мембране, в результате чего образуется несколько частей, связанных между собой.
• У эозинофилов ядро имеет характерную гантелевидную форму. В этом случае ядерный аппарат состоит из двух сегментов, связанных перегородкой.
• Почти весь объем лимфоцитов занят огромным ядром. Лишь небольшая часть цитоплазмы остается по периферии клетки.
• В железистых клетках насекомых ядро может иметь разветвленное строение.

Количество ядер в одной клетке может быть разным

Не всегда в клетке организма присутствует только одно ядро. Порой необходимо присутствие двух или более ядерных аппаратов для осуществления нескольких функций одновременно. И наоборот, некоторые клетки могут вовсе обходиться без ядра. Вот некоторые примеры необычных клеток, в которых ядер больше одного или оно вообще отсутствует.

1. Эритроциты и тромбоциты. Эти форменные элементы крови транспортируют гемоглобин и фибриноген соответственно. Чтобы одна клетка смогла вместить максимальное количество вещества, она утратила свое ядро. Характерна такая особенность не для всех представителей животного мира: у лягушек в крови находятся огромные по размерам эритроциты с ярко выраженным ядром. Это показывает примитивность данного класса в сравнении с более развитыми таксонами.

2. Гепатоциты печени. Эти клетки содержат в себе два ядра. Одно из них регулирует очистку крови от токсинов, а другое отвечает за образование гемма, который в последующем войдет в состав гемоглобина крови.

3. Миоциты поперечно-полосатой скелетной ткани. Мышечные клетки многоядерные. Это связано с тем, что в них активно проходит синтез и распад АТФ, а также сборка белков.

Особенности ядерного аппарата у простейших

Для примера рассмотрим два вида простейших: инфузории и амебы.

1. Инфузория-туфелька. Этот представитель одноклеточных организмов имеет два ядра: вегетативное и генеративное. Т. к. они отличаются как по функциям, так и по размерам, такая особенность получила название ядерного дуализма.

Вегетативное ядро отвечает за повседневную жизнедеятельность клетки. Оно регулирует процессы ее метаболизма. Генеративное ядро участвует в клеточном делении и в конъюгации – половом процессе, при котором происходит обмен генетической информацией с особями того же вида.

2. Амебы. Яркие представители — дизентерийная и кишечная амебы. Первая относится к агрессивным паразитам человека, а вторая – обычный симбионт, который живет в кишечнике и не причиняет никакого вреда. Т. к. дизентерийная амеба паразитирует тоже в кишечнике, важно отличать эти два вида между собой. Для этого используют особенность ядерного аппарата: у дизентерийной амебы может быть до 4 ядер, а у кишечной амебы от 0 до 8.

Заболевания

Многие генетические заболевания связаны с нарушениями в наборе хромосом. Вот список наиболее известных отклонений в генетическом аппарате ядра:

• синдром Дауна;
• сиддром Патау;
• синдром Эдвардса;
• синдром Клайнфелтера;
• синдром Шерешевского-Тернера.

Список можно продолжать, и каждая из болезней отличается порядковым номером пары хромосом. Также подобные заболевания часто затрагивают половые X и Y хромосомы.

Заключение

Ядро играет важную роль в процессе жизнедеятельности клетки. Оно регулирует биохимические процессы, является хранилищем наследственной информации. Транспорт веществ из клетки, синтез белков также связаны с функционированием этой центральной структуры клетки. Вот что такое ядро в биологии.

Источник: FB.ru

Ядро, структура и функции

Говоря о клеточном ядре, мы имеем в виду собственно ядра эукариотических клеток. Их ядра построены сложным образом и довольно резко отличаются от УядерныхФ образований, нуклеоидов, прокариотических организмов.
последних в состав нуклеоидов (ядроподобных структур) входит одиночная кольцевая молекула ДНК, практически лишенная белков. Иногда такую молекулу ДНК бактериальных клеток называют бактериальной хромосомой , или генофором (носителем генов). Бактериальная хромосома не отделена мембранами от основной цитоплазмы, однако собрана в компактную ядерную зону — нуклеоид , который можно видеть в световом микроскопе после специальных окрасок.

Сам термин УядроФ впервые был применен Броуном в 1833 г. Для обозначения шаровидных постоянных структур в клетках растений. Позднее такую же структуру описали во всех клетках высших организмов.

Клеточное ядро обычно одно на клетку (есть примеры многоядерных клеток), состоит из ядерной оболочки, отделяющей его от цитоплазмы, хроматина, ядрышка, кариоплазмы (или ядерного сока) (рис). Эти четыре основных компонента встречаются практически во всех неделящихся клетках эукариоти-ческих одно- и многоклеточных организмов.

Ядра имеют обычно шаровидную или яйцевидную форму; диаметр первых равен приблизительно 10 мкм, а длина вторых — 20 мкм.

Ядро необходимо для жизни клетки, поскольку именно оно регулирует всю ее активность. Связано это с тем, что ядро несет в себе генетическую (наследственную) информацию, заключенную в ДНК.

 

Ядерная оболочка

Эта структура характерна для всех эукариотических клеток. Ядерная оболочка состоит из внешней и внутренней мембран, разделенных перинуклеарным пространством шириной от 20 до 60 нм. В состав ядерной оболочки входят ядерные поры.

Мембраны ядерной оболочки в морфологическом отношении не отличаются от остальных внутриклеточных мембран: они имеют толщину около 7 нм и состоят из двух осмиофильных слоев.

В общем виде ядерная оболочка может быть представлена, как полый двухслойный мешок, отделяющий содержимое ядра от цитоплазмы. Из всех внутриклеточных мембранных компонентов таким типом расположения мембран обладают только ядро, митохондрии и пластиды. Однако ядерная оболочка имеет характерную особенность, отличающую ее от других мембранных структур клетки. Это наличие особых пор в оболочке ядра, которые образуются за счет многочисленных зон слияний двух ядерных мембран и представляет собой как бы округлые перфорации всей ядерной оболочки.

 

Строение ядерной оболочки

Внешняя мембрана ядерной оболочки, непосредственно контактирующая с цитоплазмой клетки, имеет ряд сруктурных особенностей, позволяющих отнести ее к собственно мембранной системе эндоплазматического ретикулума. Так, на внешней ядерной мембране обычно располагается большое количество рибосом. У большинства животных и растительных клеток внешняя мембрана ядерной оболочки не представляет собой идеально ровную поверхность — она может образовывать различной величины выпячивания или выросты в сторону цитоплазмы.

Внутренняя мембрана контактирует с хромосомным материалом ядра (см. Ниже).

Наиболее характерной и бросающейся в глаза структурой в ядерной оболочке является ядерная пора . Поры в оболочке образуются за счет слияния двух ядерных мембран в виде округлых сквозных отверстий или перфораций с диаметром 80-90 нм. Округлое сквозное отверстие в ядерной оболочке заполнено сложноорганизованными глобулярными и фибриллярными структурами. Совокупность мембранных перфораций и этих структур называют комплексом пор ядра. Тем самым подчеркивается, что ядерная пора не просто сквозная дыра в ядерной оболочке, через которую непосредственно вещества ядра и цитоплазмы могут сообщаться.

Сложный комплекс пор имеет октагональную симметрию. По границе округлого отверстия в ядерной оболочке располагаются три ряда гранул, по 8 штук в каждом: один ряд лежит со стороны ядра, другой — со стороны цитоплазмы, третий расположен в центральной части пор. Размер гранул около 25 нм. От этих гранул отходят фибриллярные отростки. Такие фибриллы, отходящие от периферических гранул, могут сходиться в центре и создавать как бы перегородку, диафрагму , поперек поры. В центре отверстия часто можно видеть так называемую центральную гранулу.

Число ядерных пор зависит от метаболической активности клеток: чем выше синтетические процессы в клетках, тем больше пор на единицу поверхности клеточного ядра.

Количество ядерных пор в различных объектах

 

Химия ядерной оболочки

В составе ядерных оболочек обнаруживаются небольшие количества ДНК (0-8%), РНК (3-9%), но основными химическими компонентами являются липиды (13-35%) и белки (50-75%), что для всех клеточных мембран.

Состав липидов сходен с таковым в мембранах микросом или мембранах эндоплазматической сети. Ядерные оболочки характеризуются относительно низким содержанием холестерина и высоким — фосфолипидов, обогащенных насыщенными жирными кислотами.

Белковый состав мембранных фракций очень сложен. Среди белков обнаружен ряд ферментов, общих с ЭР (например, глюкозо-6-фосфатаза, Mg-зависимая АТФаза, глютамат-дегидрогеназа и др.) не обнаружена РНК-полимераза. Тут выявлены активности многих окислительных ферментов (цитохромоксидазы, НАДН-цитохром-с-редуктазы) и различных цитохромов.

Среди белковых фракций ядерных мембран встречаются основные белки типа гистонов, что объясняется связью участков хроматина с ядерной оболочкой.

 

Ядерная оболочка и ядерно-цитоплазматический обмен

Ядерная оболочка — система, разграничивающая два основных клеточных отсека: цитоплазму и ядро. Ядерные оболочки полностью проницаемы для ионов, для веществ малого молекулярного веса, таких, как сахара, аминокислоты, нуклеотиды. Считается, что белки молекулярного веса до 70 тыс. И размером не больше 4,5 нм могут свободно диффундировать через оболочку.

Известен и обратный процесс — перенос веществ из ядра в цитоплазму. Это в первую очередь касается транспорта РНК синтезируещегося исключительно в ядре.

Еще один путь транспорта веществ из ядра в цитоплазму связан с образованием выростов ядерной оболочки, которые могут отделяться от ядра в виде вакуолей, содержимое их затем изливается или выбрасывается в цитоплазму.

* * *

Таким образом, из многочисленных свойств и функциональных нагрузок ядерной оболочки следует подчеркнуть ее роль как барьера, отделяющего содержимое ядра от цитоплазмы, ограничивающего свободный доступ в ядро крупных агрегатов биополимеров, барьера, активно регулирующего транспорт макромолекул между ядром и цитоплазмой.

Одной из основных функций ядерной оболочки следует считать также ее участие в создании внутриядерного порядка, в фиксации хромосомного материала в трехмерном пространстве ядра.

 

Ядерный матрикс

Этот комплекс не представляет собой какую-то чистую фракцию, сюда входят компоненты и ядерной оболочки, и ядрышка, и кариоплазмы. С ядерным матриксом оказались связаны как гетерогенная РНК, так и часть ДНК. Эти наблюдения дали основание считать, что матрикс ядра играет важную роль не только в поддержании общей структуры интерфазного ядра, но и может участвовать в регуляции синтеза нуклеиновых кислот.

 

Хроматин

При наблюдении некоторых живых клеток, особенно растительных или же клеток после фиксации и окраски, внутри ядра выявляются зоны плотного вещества. В состав хроматина входит ДНК в комплексе с белком. В интерфазных клетках хроматин может равномерно заполнять объем ядра или же располагаться отдельными сгустками (хромоцентры). Часто он особенно четко выявляется на периферии ядра (пристеночный, примембранный хроматин) или образует внутри ядра переплетения довольно толстых (около 0.3 мкм) и длинных тяжей, образующих подобие внутриядерной цепи.

Хроматин интерфазных ядер представляет собой несущие ДНК тельца (хромосомы), которые теряют в это время свою компактную форму, разрыхляются, деконденсируются. Степень такой деконденсации хромосом может быть различной в ядрах разных клеток. Когда хромосома или ее участок полностью деконденсирован, тогда эти зоны называют диффузным хроматином . При неполном разрыхлении хромосом в интерфазном ядре видны участки конденсированного хроматина (иногда называемого гетерохроматин). Показано, что степень деконденсации хромосомного материала в интерфазе может отражать функциональную нагрузку этой структуры. Чем более диффузен хроматин интерфазного ядра, тем выше в нем синтетические процессы. Падение синтеза РНК в клетках обычно сопровождается увеличением зон конденсированного хроматина.

Максимально конденсирован хроматин во время митотического деления клеток, когда он обнаруживается в виде плотных телец — хромосом. В этот период хромосомы не несут никаких синтетических нагрузок, в них не происходит включение предшественников ДНК и РНК.

Исходя из этого можно считать, что хромосомы клеток могут находиться в двух структурно-функциональных состояниях:

В химическом отношении препараты хроматина представляют собой сложные комплексы дезоксирибонуклеопротеидов, в состав которых входит ДНК и специальные хромосомные белки — гистоны. В составе хроматина обнаружено также РНК. В количественном отношении ДНК, белок и РНК находятся как 1:1,3:0,2. О значении РНК в составе хроматина еще нет достаточно однозначных данных. Возможно, что эта РНК представляет собой сопутствующую препарату функцию синтезирующейся РНК и поэтому частично связанной с ДНК или это особый вид РНК, характерный для структуры хроматина.

 

ДНК хроматина

В препарате хроматина на долю ДНК приходится обычно 30-40%. Эта ДНК представляет собой двухцепочечную спиральную молекулу. ДНК хроматина обладает молекулярной массой 7-9*10 ⁶ . Такую сравнительно малую массу ДНК из препаратов можно объяснить механическими повреждениями ДНК в процессе выделения хроматина.

Общее количество ДНК, входящее в ядерные структуры клеток, в геном организмов, колеблется от вида к виду. Сравнивая количество ДНК на клетку у эукариотических организмов, трудно уловить какие-либо корреляции между степенью сложности организма и количеством ДНК на ядро. Примерно одинаковое количество ДНК имеют различные организмы, как лен, морской еж, окунь (1,4-1,9 пг) или рыба голец и бык (6,4 и 7 пг).

У некоторых амфибий в ядрах количество ДНК больше, чем в ядрах человека, в 10-30 раз, хотя генетическая конституция человека несравненно сложнее, чем у лягушек. Следовательно, можно предполагать, что УизбыточноеФ количество ДНК у более низко организованных организмов либо не связано с выполнением генетической роли, либо число генов повторяется то или иное число раз.

Сателлитная ДНК, или фракция ДНК с часто повторяющимися последовательностями, может участвовать в узнавании гомологичных районов хромосом при мейозе. По другим предположениям, эти участки играют роль разделителей (спейсеров) между различными функциональными единицами хромосомной ДНК.

Как оказалось, фракция умеренно повторяющихся (от 10 ² до 10 ⁵ раз) последовательностей принадлежит к пестрому классу участков ДНК, играющих важную роль в обменных процессах. В эту фракцию входят гены рибосомных ДНК, многократно повторенные участки для синтеза всех тРНК. Более того, некоторые структурные гены, ответственные за синтез определенных белков, также могут быть многократно повторены, представлены многими копиями (гены для белков хроматина — гистонов).

Итак, ДНК эукариотических клеток гетерогенна по составу, содержит несколько классов последовательностей нуклеотидов:

ДНК прокариотического организма представляет собой одну гигантскую циклическую молекулу. ДНК эукариотических хромосом представляет собой линейные молекулы, состоящие из тандемно (друг за другом) расположенных репликонов разного размера. Средний размер репликона около 30 мкм. Тем самым в составе генома человека должно встречаться более 50 000 репликонов, участков ДНК, которые синтезируются как независимые единицы. Эти репликоны имеют начальную и терминальную точки синтеза ДНК.

Представим себе, что у эукариотических клеток каждая из хромосомных ДНК, как и у бактерий, является одним репликоном. В этом случае при скорости синтеза 0,5 мкм в минуту (для человека) редупликация первой хромосомы с длиной ДНК около 7 см должна занять 140 000 минут, или около трех месяцев. На самом же деле благодаря полирепликонному строению молекул ДНК весь процесс занимает 7-12 ч.

 

Белки хроматина

К ним относятся гистоны и негистоновые белки.

Гистоны — сильноосновные белки. Их щелочность связана с их обогащенностью основными аминокислотами (главным образом лизином и аргинином). Эти белки не содержат триптофана. Препарат суммарных гистонов можно разделить на 5 фракций:

Н ₁ (от английского histone) — богатый лизином гистон, мол. Масса 2100;

Н _2а — умеренно богатый лизином гистон, масса 13 700;

Н _2б — умеренно богатый лизином гистон, масса 14 500;

Н ₄ — богатый аргинином гистон, масса 11 300;

Н ₃ — богатый аргинином гистон, масса 15 300.

В препаратах хроматина эти фракции гистонов обнаруживаются в приблизительно равных количествах, кроме Н ₁ , которого примерно в 2 раза меньше любой из других фракций.

Для молекул гистонов характерно неравномерное распределение основных аминокислот в цепи: обогащенные положительно заряженными аминогруппами наблюдается на концах белковых цепей. Эти участки гистонов связываются с фосфатными группировками на ДНК, в то время как сравнительно менее заряженные центральные участки молекул обеспечивают их взаимодействие между собой. Таким образом, взаимодействие между гистонами и ДНК, приводящее к образованию дезоксирибонуклеопротеинового комплекса, носит ионный характер.

Гистоны синтезируются на полисомах в цитоплазме, этот синтез начинается несколько раньше редупликации ДНК. Синтезированные гистоны мигрируют из цитоплазмы в ядро, где и связываются с участками ДНК.

Функциональная роль гистонов не вполне ясна. Одно время считалось, что гистоны являются специфическими регуляторами активности ДНК хроматина, но одинаковость строения основной массы гистонов говорит о малой вероятности этого. Более очевидна структурная роль гистонов, которая обеспечивает не только специфическую укладку хромосомной ДНК, но и играет роль в регуляции транскрипции.

Негистоновые белки — наиболее плохо охарактеризованная фракция хроматина. Кроме ферментов, непосредственно связанных с хроматином (ферменты, ответственные за репарацию, редубликацию, транскрипцию и модификации ДНК, ферменты модификации гистонов и других белков), в эту фракцию входит множество других белков. Весьма вероятно, что часть негистоновых белков представляет собой специфические белки — регуляторы, узнающие определенные нуклеотидные последовательности в ДНК.

РНК хроматина составляет от 0,2 до 0,5% от содержания ДНК. Эта РНК представляет собой все известные клеточные типы РНК, находящиеся в процессе синтеза или созревания в связи с ДНК хроматина.

В составе хроматина могут быть обнаружены липиды до 1 % от весового содержания ДНК, их роль в структуре и функционировании хромосом остается неясной.

 

Хромосомы

Первичная степень укладки молекул ДНК — хромосомная фибрилла. Наблюдения за структурой хроматина с помощью электронного микроскопа показали, что в составе ядра на ультратонких срезах всегда видны фибриллярные элементы. Впервые их обнаружил Х. Рис (1957), который и дал им название элементарных хромосомных фибрилл.

 

Морфология хромосом

Морфологию хромосом лучше всего изучать в момент их наибольшей конденсации, в метафазе и в начале анафазы. Хромосомы животных и растений в этом состоянии представляют собой палочковидные структуры разной длины с довольно постоянной толщиной, у большей части хромосом удается легко найти зону первичной перетяжки , которая делит хромосому на два плеча (рис). Хромосомы с равными или почти равными плечами называют метацентрическими , с плечами неодинаковой длины — субметацентрическими. Палочковидные хромосомы с очень коротким, почти незаметным вторым плечом — акроцентрические .

В области первичной перетяжки расположена центромера, или кинетохор. Это пластинчатая структура, имеющая форму диска. Она связана тонкими фибриллами с телом хромосомы в области перетяжки. От него отрастают пучки микротрубочки митотического веретена, идущие в направлении к центриолям. Они принимают участие в движении хромосом к полюсам клетки при митозе.

Обычно одна хромосома имеет только одну центромеру (моноцентрические хромосомы), но могут встречаться хромосомы дицентрические и полицентрические.

Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку . Последняя обычно расположена вблизи дистального конца хромосомы и отделяет маленький участок, спутник. Вторичные перетяжки называют, кроме того, ядрышковыми организаторами, так как именно на этих участках хромосом в интерфазе происходит образование ядрышка. Здесь же локализована ДНК, ответственная за синтез рРНК.

Плечи хромосом оканчиваются теломерами, конечными участками. Теломерные концы хромосом не способны соединяться с другими хромосомами или их фрагментами, в отличие от концов хромосом, лишенных теломерных участков, которые могут присоединяться к таким же разорванным концам других хромосом.

Размеры хромосом у разных организмов варьируют в широких пределах. Так, длина хромосом может колебаться от 0,2 до 50 мкм. Самые мелкие хромосомы обнаруживаются у некоторых простейших, грибов. Наиболее длинные — у некоторых прямокрылых насекомых, у амфибий и у лилейных. Длина хромосом человека находится в пределах 1,5-10 мкм.

Число хромосом у различных объектов тоже значительно колеблется, но характерно для каждого вида. У некоторых радиолярий число хромосом достигает 1000-1600. Рекордсменом среди растений по числу хромосом (около 500) является папоротник ужовник, 308 хромосом у тутового дерева, у речного рака 196 хромосом. Наименьшее количество хромосом (2 на диплоидный набор) наблюдается у одной из рас аскариды, у сложноцветного Haplopappus gracilic — всего 4 хромосомы (2 пары).

Совокупность числа, величины, величины и морфологии хромосом называется кариотипом данного вида. Даже у близких видов хромосомные наборы отличаются друг от друга или по числу хромосом, или по величине хотя бы одной или нескольких хромосом. Следовательно, структура кариотипа может быть таксономическим признаком.

 

Ядрышко

Практически во всех живых клетках эукариотических организмов в ядре видно одно или несколько обычно округлой формы тельц, сильно преломляющих свет, — это ядрышки, или нуклеолы.

Ядрышко — не самостоятельная структура или органоид. Оно — производное хромосомы, один из ее локусов, активно функционирующий в интерфазе.

В процессах синтеза клеточных белков ядрышко клетки является местом образования рибосомных РНК и рибосом, на которых происходит синтез полипептидных цепей.

 

Количество ядрышек в клетке

Начиная с зеленых водорослей, грибов и низших простейших и кончая высшими организмами, все клетки имеют обязательные внутриядерные структуры — ядрышки. Это правило имеет большое число исключений, которые только подчеркивают важность и необходимость ядрышка в жизненном цикле клетки. К таким исключениям относятся клетки дробящихся яиц, где ядрышки отсутствуют на ранних этапах эмбриогенеза, или клетки закончившие развитие и необратимо специализировавшиеся, например, некоторые клетки крови.

Количество ядрышек в клетке может меняться, однако их число на ядро зависит от генного баланса клетки. Было найдено, что в образовании ядрышек участвуют определенные места некоторых хромосом, связь которых с ядрышком можно хорошо проследить в телофазе и профазе. Такие хромосомы, как правило, имеют вторичные перетяжки, зоны которых представляют собой места, где идет развитие ядрышек. Мак Клинток (1934) назвал эти участки хромосом Уядрышковыми организаторамиФ.

Места вторичных перетяжек особенно характерны для расположения ядрышковых организаторов, но последние иногда могут находиться на концах хромосом или в нескольких местах по длине хромосомы.

Общее число ядрышек на ядро определяется числом ядрышковых организаторов и увеличивается согласно плоидности ядра. Однако часто количество ядрышек на ядро бывает меньше числа ядрышковых организаторов. Было показано, что ядрышки могут сливаться; кроме того, в образовании одного ядрышка иногда участвует несколько организаторов.

Еще в работах М.С.Навашина (1934) было показано, что хромосомный локус, который в нормальных условиях образует крупное ядрышко, становится неактивным, когда после гибридизации в ядре появляется более УсильныйФ локус на другой хромосоме. Тот факт, что в определенных условиях может подавляться активность одних ядрышковых организаторов или же повышаться активность других, бывших до этого в латентном, скрытом состоянии, указывает на то, что в клетках поддерживается определенный баланс количества ядрышкового материала или, другими словами, регулируется УваловаяФ продукция, выдаваемая ядрышками.

Исходя из перечисленных выше фактов, можно сделать следующие заключения:

 

Физиология и химия ядрышка

Ядрышко по сравнению с другими компонентами клетки характеризуется как самая плотная структура с наиболее высокой концентрацией РНК, с чрезвычайно высокой активностью в отношении синтеза РНК.

Концентрация РНК в ядрышках всегда выше концентрации РНК в других компонентах клетки, так концентрация РНК в ядрышке может быть в 2-8 раз выше, чем в ядре, и в 1-3 раза выше, чем в цитоплазме. Отношение концентрации РНК в ядре, ядрышке и цитоплазме клеток печени мыши составляет 1:7,3:4,1, в клетках поджелудочной железы — 1:9,6:6,6.

В ядрышке не обнаруживается ДНК, но все же при исследовании фиксированных клеток вокруг ядрышка всегда выделяется зона хроматина. Этот околоядрышковый хроматин, по данным электронной микроскопии, представляется, как интегральная часть сложной структуры ядрышка.

Ядрышко — одно из самых активных мест в клетке по включению предшественников в РНК. Ядрышковая РНК является предшественником цитоплазматической РНК.

Цитоплазматическая РНК синтезируется в ядрышке.

 

РНК ядрышек

Оценивая общее содержание в ядрышковых фракциях белков, РНК и ДНК, можно видеть, что на долю РНК приходится около 10% всей массы ядрышка.

Содержание РНК, ДНК и белка в изолированных ядрышках (сухой вес в %)

Так как основную массу цитоплазматической РНК составляет рибосомная РНК, то можно сказать, что ядрышковая РНК принадлежит к этому классу.

Подтверждением представлений того, что именно ядрышко является местом синтеза рРНК и образования рибосом, послужило то, что из ядрышковых препаратов были выделены РНП-частицы, которые как по составу РНК (по седиментационным свойствам), так и по размеру можно охарактиризовать как рибосомы или их предшественники с различными коэффициентами седиментации.

 

ДНК ядрышек

Биохимическими исследованиями обнаружено в выделенных ядрышках определенное количество ДНК, которую можно отождествить с околоядрышковым хроматином или с ядрышковыми организаторами хромосом. Содержание ДНК в выделенных ядрышках — 5-12% от сухого веса и 6-17% от всей ДНК ядра.

ДНК ядрышкового организатора — это та самая ДНК, на которой происходит синтез ядрышковой, т.е. рибосомной, РНК.

Таким образом из биохимических работ появились представления о том, что в ядрышке на ДНК локализованы многочисленные одинаковые гены для синтеза рРНК. Синтез рРНК идет путем образования огромного предшественника и дальнейшего его превращения (созревания) в более короткие молекулы РНК для большой и малой субъедениц рибосом.

Изучая ядрышки ооцитов тритонов, исследователи столкнулись с интересным явлением — сверхчисленностью ядрышек. У X. laevis во время роста ооцита появляется до 1000 мелких ядрышек, не связанных с хромосомами. Именно эти ядрышки выделил О.Миллер. вместе с этим на ядро ооцита увеличивается количество рДНК. Это явление получило название амплификации . Оно заключается в том, что происходит сверхрепликация зоны ядрышкового организатора, многочисленные копии отходят от хромосом и становятся дополнительно работающими ядрышками. Такой процесс необходим для накопления огромного (10 ¹² ) количества рибосом на яйцевую клетку, что обеспечит в будущем развитие эмбриона на ранних стадиях даже при отсутствии синтеза новых рибосом. Сверхчисленные ядрышки после созревания яйцевой клетки исчезают.

 

Ультраструктура ядрышек

При изучении большого числа различных клеток животных и растений отмечена волокнистая или сетчатая структура ядрышек, заключенная в более или менее плотную диффузную массу. Были предложены названия для этих частей: волокнистая часть — нуклеонема и диффузная, гомогенная часть — аморфное вещество, или аморфная часть. Сделанные почти одновременно с этим электронно-микроскопичес-кие исследования также выявили волокнисто-нитчатое строение ядрышек.

Однако такое нитчатое строение ядрышка не всегда четко выражено. У некоторых клеток отдельные нити нуклеонем сливаются, и ядрышки могут быть совершенно однородными.

При более пристальном изучении ядрышка можно заметить, что основные структурные компоненты ядрышка — плотные гранулы диаметром около 15 нм и тонкие фибриллы толщиной 4-8 нм. Во многих случаях (ооциты рыб и амфибий, меристематические клетки растений) фибриллярный компонент собран в плотную центральную зону (сердцевина), лишенную гранул, а гранулы занимают переферическую зону ядрышка. В ряде случаев (например, клетки корешков растений) в этой гранулярной зоне не наблюдается никакой дополнительной структуризации.

Было найдено, что аморфные участки ядрышек неоднородны. В их структуре выявляются малоокрашенные зоны — фибриллярные центры — и окружающие их более темные участки, тоже имеющие фибриллярное строение.

Кроме этих двух компонентов ядрышек в последнее время большое внимание уделялось строению околоядрышкового хроматина. Этот хроматин и внутриядрышковая сеть ДНК являются единой системой и представляют собой интегральный компонент ядрышка.

Гранулы и фибриллярная часть состоят из рибонуклеопротеидов.

Показано, что именно светлые фибриллярные центры содержат рДНК.

 

Судьба ядрышка при делении клеток

Известно, что ядрышко исчезает в профазе и появляется вновь в средней телофазе.

По мере затухания синтеза рРНК в средней профазе происходит разрыхление ядрышка и выход готовых рибосом в кариоплазму, а затем и в цитоплазму. При конденсации профазных хромосом фибриллярный компонент ядрышка и часть гранул тесно ассоциируют с их поверхностью, образуя основу матрикса митотических хромосом. Этот фибриллярно-гранулярный материал, синтезированный до митоза, переносится хромосомами в дочерние клетки.

В ранней телофазе по мере деконденсации хромосом происходит высвобождение компонентов матрикса. Его фибриллярная часть начинает собираться в мелкие многочисленные ассоциаты — предъядрышки , которые могут объединяться друг с другом. По мере возобновления синтеза РНК предъядрышки претерпевают перестройку, что выражается в появлении в их структуре гранул РНК, а затем в становлении дефинитивной формы нормально функционирующего ядрышка.

Роль ядра.

Ядро осуществляет две группы общих функций: одну, связанную собственно с хранением генетической информации, другую — с ее реализацией, с обеспечением синтеза белка.

В первую группу входят процессы, связанные с поддержанием наследственной информации в виде неизменной структуры ДНК. Эти процессы связаны с наличием так называемых репарационных ферментов, ликвидирующих спонтанные повреждения молекулы ДНК (разрыв одной из цепей ДНК, часть радиационных повреждений), что сохраняет строение молекул ДНК практически неизменным в ряду поколений клеток или организмов. Далее, в ядре происходит воспроизведение или редупликация молекул ДНК, что дает возможность двум клеткам получить совершенно одинаковые и в качественном и в количественном смысле объемы генетической информации. В ядрах происходят процессы изменения и рекомбинации генетического материала, что наблюдается во время мейоза (кроссинговер). Наконец, ядра непосредственно участвуют в процессах распределения молекул ДНК при делении клеток.

Другой группой клеточных процессов, обеспечивающихся активностью ядра, является создание собственно аппарата белкового синтеза. Это не только синтез, транскрипция на молекулах ДНК разных информационных РНК и рибосомных РНК. В ядре эукариотов происходит также образование субъедениц рибосом путем комплексирования синтезированных в ядрышке рибосомных РНК с рибосомными белками, которые синтезируются в цитоплазме и переносятся в ядро.

Таким образом, ядро представляет собой не только вместилище генетического материала, но и место, где этот материал функционирует и воспроизводится. Поэтому выпадение лил нарушение любой из перечисленных выше функций губительно для клетки в целом. Так нарушение репарационных процессов будет приводить к изменению первичной структуры ДНК и автоматически к изменению структуры белков, что непременно скажется на их специфической активности, которая может просто исчезнуть или измениться так, что не будет обеспечивать клеточные функции, в результате чего клетка погибает. Нарушения редупликации ДНК приведут к остановке размножения клеток или к появлению клеток с неполноценным набором генетической информации, что также губительно для клеток. К такому же результату приведет нарушение процессов распределения генетического материала (молекул ДНК) при делении клеток. Выпадение в результате поражения ядра или в случае нарушений каких-либо регуляторных процессов синтеза любой формы РНК автоматически приведет к остановке синтеза белка в клетке или к грубым его нарушениям.

Значение ядра как хранилища генетического материала и его главная роль в определении фенотипических признаков были установлены давно. Немецкий биолог Хаммерлинг одним из первых продемонстрировал важнейшую роль ядра. Он выбрал в качестве объекта своих экспериментов необычайно крупную одноклеточную (или неклеточную) морскую водоросль Acetabularia . Существует два близко родственных вида A. medierranea и A. crenulata , различающихся только по форме УшляпкиФ.

В ряде экспериментов, в том числе таких, в которых УшляпкуФ отделяли от нижней части УстебелькаФ (где находится ядро), Хаммерлинг показал, что для нормального развития шляпки необходимо ядро. В дальнейших экспериментах, в которых соединяли нижнюю часть, содержащую ядро одного вида с лишенным ядра стебельком другого вида, у таких химер всегда развивалась шляпка, типичная для того вида, которому принадлежит ядро.

При оценке этой модели ядерного контроля следует, однако, учитывать примитивность организма, использованного в качестве объекта. Метод пересадок был применен позднее в экспериментах, проведенных в 1952 г. двумя американскими исследователями, Бриггсом и Кингом, с клетками лягушки Rana pipenis . Эти авторы удаляли из неоплодотворенных яйцеклеток ядра и заменяли их ядрами из клеток поздней бластулы, уже проявлявших признаки дифференцировки. Во многих случаях из яиц реципиентов развивались нормальные взрослые лягушки.

 

Литература:

При подготовке реферата были использованы материалы, полученные из Всемирной Биологической Сети (BIOSCI) посредством сети Internet.

Источник: www.educationspb.ru

Ядро клетки: общие понятия

Ядро необходимо для жизнедеятельности клетки, оно регулирует её активность. Это связано с тем, что в ядре содержится генетическая информация в виде молекулы ДНК (рис. 1). В ядре локализовано более 90% клеточной ДНК.

Рис. 1. Наследственная информация клетки: ядро, содержащее хроматин, хроматин, суперспирализованный в хромосому и участок ДНК (входящей в состав хроматина), содержащий значащую последовательность нуклеотидов

Ядро имеет шаровидную форму диаметром около 10 микрон (рис. 2).

Рис. 2. Ядро: размеры и строение

Ядро состоит из ядерной оболочки, нуклеоплазмы или ядерного сока, в котором располагается хроматин, и одного или нескольких ядрышек (рис. 2).

В световом микроскопе оболочка, окружающая ядро, представляется одинарной, поэтому её в свое время назвали ядерной мембраной. Позже, однако, выяснилось, что эта ядерная оболочка состоит из двух мембран. Наружная переходит непосредственно в ЭПС (рис. 3), и, подобно ЭПС, может быть усеяна рибосомами, в которых идет синтез белка. Ядерная оболочка пронизана ядерными порами, через них происходит обмен различными веществами между ядром и цитоплазмой, например, выход в цитоплазму мРНК, рибосомных субчастиц, или поступление в ядро рибосомных белков, нуклеотидов и молекул, регулирующих активность ДНК.

Рис. 3. Положение ядра в клетке

Поры имеют определенную структуру, представляющую собой результат слияния наружной и внутренней мембран ядерной оболочки. Содержимое ядра представляет собой гелеобразный матрикс, это нуклеоплазма или ядерный сок. В ядерном соке располагается хроматин и одно, или несколько ядрышек. В нуклеоплазме также располагаются различные ионы, белки – ферменты и нуклеотиды.

Хроматин состоит из многих витков ДНК, присоединённых к белкам основной природы – гистонам. Гистоны и белки объединены в структуру, по виду напоминающую бусины, их называют нуклеосомами. Перед делением клетки ДНК плотно скручиваются, образуя хромосомы. Во время метафазы под микроскопом хромосомы выглядят, как удлинённые палочковидные тельца, состоящие из двух плеч, которые разделены между собой центромерой. Если рассмотреть содержимое клеточного ядра в промежутке между делениями в интерфазе, то окажется, что нити хроматин скручены, так как только в таком состоянии могут функционировать гены, участки молекулы ДНК которых ответственны за синтез того или иного белка. (Видео).

Ядрышки внутри ядра – хорошо заметная структура. В них происходит синтез рРНК и сборка субъединиц рибосом, которые затем выходят через ядерные поры в цитоплазму, и формируют уже зрелые рибосомы, на которых происходит синтез белка (рис. 4)

Рис. 4. Ядрышко – место транскрипции – этапа реализации наследственной информации в ядре

Кариотип

Хромосомный набор называется кариотипом (рис. 5).

Рис. 5. Кариотип человека – мужчины (в правом нижнем углу хромосомы ХУ) – фотографии анафазных хромосом

Кариотип – это набор хромосом, содержащийся в клетках тела, характерный для какого-либо вида живых существ. Кариотип неповторим. Даже если число хромосом в клетках каких-то двух видов будет одинаковым, например, у картофеля и шимпанзе по 48 хромосом в клетке, то их форма и строение все равно будет различными.

В любом многоклеточном организме существует два типа клеток, а именно половые и соматические клетки (Схема 1).

Схема 1.

Клетки тканей любого многоклеточного организма называются соматическими. Ядра таких клеток содержат диплоидный полный или двойной набор хромосом (рис. 6), который обозначается 2n.

Рис. 6. Кариотип диплоидных и гаплоидных клеток

Исходно одна половина достается от материнской яйцеклетки, а вторая – от отцовского сперматозоида. Парные (одинаковые по величине, форме и строению) хромосомы получили название гомологичных хромосом (рис. 7).

Рис. 7. Восстановление диплоидного набора хромосом при слиянии гамет

Исключение составляют половые хромосомы (рис. 8), например, у всех млекопитающих – это X, доставшаяся от матери, и одна из двух X или Y, доставшаяся от отца.

Рис. 8. Половые хромосомы и наследование пола

При образовании половых клеток в каждую попадает одна хромосома из пары гомологичных. То есть, если у человека в соматических клетках содержится 46 хромосом, то в половых клетках – 23 хромосомы. Диплоидный набор восстанавливается при оплодотворении.

Не существует зависимости между количеством хромосом и уровнем организации данного организма. Некоторые примитивные организмы могут иметь большее количество хромосом (см. видео). У канарейки 80 хромосом, у курицы 78, у хвоща 216, а вот у человека всего 46 хромосом.

Функции ядра

Давайте охарактеризуем функции ядра.

Во-первых, это хранение и передача наследственной информации, поскольку в ядре содержится молекула ДНК.

Во-вторых, это реализация наследственной информации, связанная с участием в синтезе белка.

Ведущая роль ядра в наследственности

В ядре клетки находятся хромосомы, которые содержат молекулу ДНК – хранилище наследственной информации, поэтому ядро играет ведущую роль в наследственности. Данное важное положение доказано рядом точных опытов.

Приведем один из них. В Средиземном море обитает несколько видов одноклеточных зеленых водорослей – ацетабулярий. Они состоят из тонких стебельков, на верхних концах которых располагаются шляпки. По форме шляпок различают виды ацетабулярий (см. видео). В нижнем конце стебелька ацетабулярии находится ядро.

У ацетабулярии одного вида искусственно удалили шляпку и ядро, а к стебельку подсадили ядро, извлеченное из ацетабулярии другого вида (Рис. 9).

Рис. 9. Последовательность опытов с ацетабулярией, которые доказывают функциональное значение ядра

Через некоторое время на водоросли с подсаженным ядром образовалась шляпка, характерная для того вида, которому принадлежало пересаженное ядро.

Таким образом, именно в ядре содержится наследственная информация, которая определяет признаки и свойства данного организма.

Синдром Дауна

Данное явление представляет собой одну из форм хромосомной патологии, при которой кариотип человека составляет не 46 хромосом, а 47 (рис. 10).

Рис. 10. Кариотип мужчины с синдромом Дауна – трисомией 21 хромосомы

Таким заболеванием страдают как мальчики, так и девочки. Данный синдром был назван в честь английского врача Дж. Дауна (рис. 11). Именно он стал первым человеком, который смог описать данную патологию.

Рис. 11

Это достаточно распространённая врожденная патология на сегодняшний день. В первую очередь, она связана с возрастом матери. После 35 лет увеличивается риск появления именно детей с синдромом Дауна.

У детей с синдромом Дауна череп круглой формы, разрез глаз косой, затылок скошен (см. видео). Подрастая, дети с синдромом Дауна становятся приземистыми. Руки, ноги у них короче, чем у обычных людей.

Кроме этого, дети с синдромом Дауна склонны к избыточному весу. Если говорить о психическом развитии, то, как правило, они отстают в психическом развитии и развиваются как бы в замедленной съемке. То есть они, в принципе, могут освоить школьную программу до 4 класса, но осваивают её в течение 8 – 10 лет.

Как правило, у большинства взрослых больных наблюдаются те или иные признаки умственной отсталости. Конечно, многое зависит от тяжести заболевания, многие больные занимаются творчеством, и даже пишут книги (рис. 12).

Рис. 12. Люди, страдающие синдромом Дауна, способны к нормальной адаптации в обществе

Лечение детей с синдромом Дауна – это терапия с применением витаминов, а также лекарственных препаратов, ускоряющих психическое развитие, занятия с грамотными педагогами и логопедами (см. видео).

Также ребенку необходимо помочь сформировать все основные навыки, а именно: речь, моторику, слух и зрение.

Источник: interneturok.ru