Строение и функции клеточного ядра

Ядро представляет собой часть клетки, ограниченную ядерной оболочкой, которая образована двумя мембранами с узким пространством между ними. Внутреннее содержимое ядра посредством пор связано с каналами эндоплазматической сети. Наличие пор является характерной особенностью ядерной оболочки. Поры обеспечивают непрерывный транспорт химических веществ из ядра в цитоплазму и обратно.

Ядро чаще всего расположено в центре клетки, но в некоторых случаях (например, у многих растительных клеток) оно быть смещено на периферию. Размеры ядер колеблются от 0,5 до 500 мкм; форма может быть сферической, яйцевидной, реже ядра бывают лентовидными или сегментированными (например, у некоторых лейкоцитов). Большинство клеток содержит одно ядро, но встречаются и многоядерные клетки: у некоторых одноклеточных, например, число ядер может достигать нескольких десятков и даже сотен.

Внутреннее содержимое ядра (кариоплазма) в промежутках между делениями клетки заполнено деспирализованными хромосомами, образующими хроматин. Кроме того, в ядре выделяются одно или несколько (до пяти) ядрышек — уплотненных участков округлой формы, содержащих рибонуклеиновую кислоту (РНК).

Роль ядра в жизнедеятельности клетки во многом определяется функциями хромосом. Каждая хромосома представляет собой нитевидную структуру, образованную дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК) и белками, из которых примерно половину составляют белки упаковки ДНК — гистоны. Хромосомная нить разделяется на две, часто неравные, части (плечи) первичной перетяжкой — центромерой.

В промежутках между делениями клетки хромосомы сильно вытянуты в длину и занимают весь объем ядра, вследствие чего в этот период их невозможно различить даже с помощью электронного микроскопа. При подготовке клетки к делению в хромосомах происходит удвоение (репликация) ДНК, и возле каждой из них происходит достройка второй, идентичной по строению нити (рис. 14). Такие будущие дочерние хромосомы, соединенные общей центромерой, называются хроматидами. В процессе митотического деления происходит спирализация удвоенных хромосом, после чего они становятся хорошо видны даже при небольших увеличениях светового микроскопа.

Хромосомный набор Клетки каждого вида животных и растений характеризуются строго определенным набором хромосом с учетом их числа и формы — кариотипом. Хромосомный набор отдельно взятой клетки может быть непарным, или гаплоидным, когда каждая разновидность характерных для него хромосом представлена в единственном числе. Такой набор принято условно обозначать латинской буквой n. Чаще встречаются диплоидные клетки, в которых каждая хромосома представлена дважды, т. е. хромосомный набор имеет парное строение (2n). Парные (одинаковые по форме) хромосомы называются гомологичными. В тех случаях, когда число гомологичных хромосом каждого вида превышает 2, говорят о полиплоидном (триплоидном 3n, тетраплоидном 4n и т. д.) хромосомном наборе. Среди эукариот преобладают диплоидные клетки (рис. 15). Так, в организме человека гаплоидными являются только половые клетки, а полиплоидный набор свойствен лишь нескольким разновидностям высокоспециализированных клеток, например гигантским клеткам красного костного мозга.

Функции хромосом Роль ядра в жизнедеятельности клетки во могом определяется функциями хромосом, которые отвечают за хранение, воспроизведение и распределение (передачу) наследственной информации. В структуре ДНК, 98% клеточных запасов которой сосредоточено в хромосомах, посредством генетического кода зашифрована информация о структуре клеточных белков. В этом заключается хранение наследственной информации в хромосомах. Ее воспроизведение осуществляется путем удвоения (репликации) ДНК и последующего удвоения хромосом с образованием в составе каждой из них второй хроматиды. Наконец, распределение или передача наследственной информации происходит в процессе клеточного деления.

Хромосомы принимают участие и в реализации генетической информации. Начальное звено этого процесса представляет собой снятие копий с участков молекул ДНК для доставки их в цитоплазму, где осуществляется белковый синтез. Важную роль в жизнедеятельности клетки играет ядрышко, которое является местом синтеза РНК. Этот процесс называется транскрипцией, и центральным его моментом является синтез молекул информационной РНК, которые представляют собой копии участков молекул ДНК. С этим связана исключительно важная роль ядра в регуляции обмена веществ. Последний представляет собой совокупность огромного числа химических реакций, протекающих, как правило, при участии катализаторов, в роли которых выступают белки-ферменты. Регуляция синтеза ферментов через изменения скорости синтеза информационной РНК может определять скорость отдельных стадий обмена веществ и обеспечивать саморегуляцию химической активности клетки.

Обеспечение нормальной работы ядра в значительной мере достигается благодаря транспортной функции ядерной оболочки, которая осуществляется через поры, занимающие до 5% ее поверхности. Из цитоплазмы в ядро поступают белки, включая гистоны (собственного аппарата белкового синтеза в ядре нет), а из ядра в цитоплазму — молекулы РНК.