Клеточное ядро Физические свойства и химический состав клеточного ядра. Строение ядра. Физиологическая роль ядра

Физические свойства и химический состав клеточного ядра. Ядро — важнейший компонент живой клетки. Безъядерные клетки имеются у очень немногих организмов - у бактерий и сине-зеленых водорослей. В их клетках ядро не дифференцировано и ядерное вещество находится в диффузном состоянии.

Впервые ядро было описано Р. Броуном в 1831 г. С этого времени ядро стали считать обязательной составной частью клетки. Ядро, его морфологию и функции исследовали Флемминг, Страсбургер, Чистяков, Геккель, Баранецкий, Навашин, Герасимов, Беляев и многие другие ученые. Интенсивное исследование ядра с помощью новейших технических средств продолжается и в наше время.

Ядро представляет собой эластичное тело, отделенное от цитоплазмы ядерной оболочкой. Форма ядра, как правило, округлая, но бывает веретеновидная, нитевидная, лопастная и др. Ядро всегда располагается в цитоплазме, В клетках с развитой вакуолью — в постенном слое или в ядерном кармашке, соединенном тяжами цитоплазмы с ее постенным слоем.

Большинство клеток содержит одно ядро, однако известны двуядерные и многоядерные клетки. Некоторые из них образуются закономерно в ходе развития организма, другие — случайно, под воздействием неблагоприятных факторов.

По физическому состоянию и химическим свойствам ядро близко к цитоплазме, но его удельный вес, вязкость, преломление света несколько выше. Химическими компонентами ядра являются белки и нуклеиновые кислоты. Например, изолированные ядра проростков гороха, по данным Бернстил, содержат дезоксирибонуклеиновой кислоты — 14,0%, рибонуклеиновой кислоты — 12,1, основных белков —22,6, прочих белков — 51,3%.

В процессе деления клетки ядро подвергается сложным и упорядоченным превращениям. При этом его отдельные компоненты становятся ясно видимыми. В неделящейся клетке строение ядра кажется более простым и само ядро производит впечатление однородного тела. В жизни клетки различают два периода, или две фазы,— деление и период между двумя делениями, или интерфаза (от лат. inter — между, греч. phasis — проявление). Совокупность этих двух фаз составляет жизненный цикл клетки. У одних клеток он короткий, и клеточные деления следуют одно за другим. Другие клетки после своего образования больше не делятся и существуют в состоянии интерфазы до отмирания. В растительных организмах таких клеток большинство, они образуют постоянные высокоспециализированные ткани.

Строение ядра. Ядро состоит из ядерной оболочки, или мембраны, хроматиновых структур, ядрышка и ядерного сока

Ядерная оболочка очень тонка (300—500А). Она состоит из двух элементарных мембран, между которыми имеется полость. Ядерная оболочка пронизана порами, (округлые отверстия диаметром 200—300А), заполненными специфическим веществом, отличным по своим физическим свойствам от основной массы ядра и цитоплазмы. Предполагается, что поры способны изменять свою форму, размеры, открываться и закрываться.

Ядерная оболочка имеет морфологическую и генетическую связь с мембранами эндоплазматической сети цитоплазмы. Генетическая связь выражается в том, что ядерная мембрана является производным цитоплазмы. В заключительной фазе клеточного деления можно наблюдать, как ядерная мембрана формируется из отдельных фрагментов эндоплазматической мембраны. Морфологическая связь проявляется в том, что ядерная мембрана в определенных точках непосредственно переходит в мембрану эндоплазматической сети. Связь же ядерной мембраны через эндоплазматическую сеть с плазмалеммой и, следовательно, с межклеточной средой многими исследователями оспаривается. Ядерная мембрана и мембрана эндоплазматической сети тождественны по своей физико-химической структуре.

Хроматиновые структуры — важнейшие морфологические и функциональные компоненты ядра.

Хроматиновое (от греч. chroma — краска) вещество ядра получило свое название благодаря способности легко воспринимать окраску. Хроматин окрашивается основными красками — гематоксилином, сафранином, кармином и др. Химический состав хроматина характеризуется высоким содержанием нуклеопротеидов (90% и больше).

Хроматин существует в интерфазном ядре в виде спирально закрученных нитей. Нити располагаются относительно равномерно по всему ядру в виде тончайшей хроматиновой сети, которая в световой микроскоп, как правило, не просматривается. В отдельных же точках они образуют более плотные и сближенные витки спирали, и тогда такие участки хроматина видны как зерна или глыбки, названные хромоцентрами. Морфологическое состояние хроматина в интерфазном ядре относительно постоянно для данного типа клеток и различно для разных типов. У ряда растений весь хроматин в интерфазе находится в виде тонкой сетки, у других образует более компактные тельца, или в строении интерфазного ядра сочетаются те и другие элементы.

В процессе клеточного деления хроматиновое вещество концентрируется в форме хромосом. Хромосомы в растительных клетках впервые были описаны Гофмейстером при изучении пыльцы традесканции, но значение их еще долгое время оставалось неясным. Общеизвестно, что форма и число хромосом постоянны для каждого вида живых существ. Их изменение вызывает изменение морфологических и функциональных признаков организма. Количество хромосом у разных видов различно: от нескольких единиц до нескольких десятков и даже сотен. Например, рожь имеет 14 хромосом, фасоль — 22, кукуруза — 20, картофель — 48, сосна — 24 и т. д. Такое количество хромосом свойственно клеткам вегетативного тела растений. У специальных клеток размножения — спор и гамет — хромосом вдвое меньше. Клегки, имеющие одинарный набор хромосом, называются гаплоидными (от греч. haploos — одиночный, eidos — вид), клетки с двойным набором — диплоидными (от греч. diploos — двойной, eidos).

В диплоидном наборе имеются пары гомологичных хромосом, одинаковых по форме, размерам, тонкому субмикроскопическому строению и функции. Одна из них попадает в зиготу из мужской гаметы, другая — из женской.

В органическом мире встречаются клетки с несколькими наборами хромосом: с тремя, четырьмя, шестью. Они соответственно называются триплоидными, тетраплоидными, гексаплоидными или общим термином — полиплойдными. Растения, клетки которых обладают полиплоидным набором хромосом, отличаются, как правило, интенсивным ростом и большой вегетативной массой, поэтому полиплоидные формы ценятся в растениеводстве. Причины возникновения полиплоидных форм различны. Изменчивость, вызываемая полиплоидией, дает богатый материал для естественного отбора, поэтому данное явление имеет большое значение в процессе эволюции органического мира.

Хромосомы имеют вид коротких нитевидных фигур или изогнутых палочек. Точка перегиба хромосомы называется первичной перетяжкой или центромерой. Она слабо окрашивается и видна на препаратах как более светлая зона, имеет прямое отношение к движению хромосомы в процессе клеточного деления. В зависимости от положения центромеры хромосомы бывают с равными и неравными «плечами».

Кроме первичной перетяжки, отдельные хромосомы имеют еще вторичные, не вызывающие перегиба хромосомы. Положение вторичной перетяжки, ее длина постоянны для определенного вида хромосом. Некоторые хромосомы имеют еще спутник — округлое или палочковидное тело той же природы. С основным телом хромосомы спутник соединяется тонкой хроматиновой нитью. Иногда спутником считают часть хромосомы, отделенную вторичной перетяжкой. Хромосомы со спутниками характерны для растительных клеток.

Структурной основой хромосомы являются спирально закрученные нити — хромонемы. Основное вещество хромосомы, в которое погружены хромонемы, называется матриксом. Плотность хромонем неоднородна. Уплотненные участки представляют собой сближенные витки спирали и называются хромомерами. Концентрация ДНК в этих участках наибольшая. Степень спирализации хромонем изменяется в процессе развития клетки. В интерфазе они наименее спирализованы и достигают своей максимальной длины. При таком морфологическом состоянии хромосом синтетическая активность клетки максимальна. Наибольшей степени спирализации и компактности они достигают в метафазе клеточного деления. Такое изменение состояния хроматинового вещества имеет важное биологическое значение: содержащийся в хроматине генетический материал приобретает в форме хромосом наиболее «транспортабельный» вид.

Замечательной особенностью хромосом является их способность к самоудвоению. Этот процесс происходит в интерфазе, в период, предшествующий клеточному делению. В основе удвоения хромосом лежит процесс удвоения молекул ДНК, называемый редупликацией или репликацией. Молекула ДНК, как известно, представляет собой две полинуклеотидные цепи, спирально закрученные вокруг общей оси. В период редупликации, предшествующий клеточному делению, молекула ДНК раскручивается на две свободные полипептидные цепи. Каждая из них служит основой, матрицей, для воспроизведения второй дополнительной цепи. На ней из соответствующих нуклеотидов, имеющихся в клеточной среде, синтезируется вторая полинуклеотидная цепь, тождественная утраченной. Вместо одной молекулы ДНК образуются две, идентичные первой. Таким образом обеспечивается в ряде поколений постоянство состава ДНК, содержащей основную генетическую информацию. В результате редупликации ДНК удваиваются хромонемы и хромосомы становятся двойными. К началу клеточного деления они состоят из двух половин, называемых хроматидами. Из них формируются хромосомы дочерних клеток, совершенно тождественные исходной хромосоме.

Ядрышко — образование более плотное, чем основная масса ядра, собственной оболочки не имеет, состоит из крупных гранул, по форме и размерам близко к рибосомам. Матрикс ядрышка имеет жидкую консистенцию. В процессе клеточного деления ядрышко растворяется, по окончании деления восстанавливается. Генетически и морфологически оно связано с хромосомами. Ядрышко формируется в области вторичной перетяжки. Его физиологическая роль — синтез РНК и накопление запасных веществ, не исключены и другие функции.

Ядерный сок, иначе кариоплазма, или кариолимфа (от греч. karyon — ядро, lumpha — вода), представляет собой систему гидрофильных коллоидов. Консистенция его варьирует от очень жидкой до очень плотной. По химическому составу ядерный сок близок к матриксу цитоплазмы. В живой клетке он кажется бесструктурным. О роли ядерного сока известно немного. Возможно, посредством его осуществляется физиологическая связь ядерных структур.

Физиологическая роль ядра. Ядро играет очень важную роль в жизнедеятельности клетки. Первые попытки выяснить эту роль принадлежат И. И. Герасимову. Объектом его исследования служила нитчатая зеленая водоросль спирогира. Воздействуя некоторыми факторами — низкими температурами, наркотиками,— Герасимов нарушал нормальный ход клеточных делений и в результате получал безъядерные и двуядерные клетки. Наблюдая за дальнейшим развитием одноядерных, двуядерных и безъядерных клеток, Герасимов отметил, что безъядерные клетки отстают в росте, не способны к делению, в них не происходит утолщения оболочки и образования новой, прекращается синтез крахмала. Таким образом, отсутствие ядра сказывается почти на всех физиологических процессах, протекающих в живых клетках.

В последние годы физиологическая роль ядра активно и успешно изучается с применением современных методов исследования. Выяснено, что клетки, лишенные ядра, обнаруживают полное нарушение нормального обмена веществ и со временем погибают. Но не всегда последствия энуклеации - извлечения ядра – наступают немедленно.

Ядро играет главенствующую роль в сохранении и передаче наследственной информации. Впервые такую мысль (ядро — репродуктивная часть клетки, орган наследственности) высказал Э. Геккель (1866) Ядро контролирует синтез клеточных белков. Двуцепочечная. молекула ДНК, находящаяся в ядре, расщепляется, и на освободившихся участках из соответствующих нуклеотидов синтезируется молекула РНК. Порядок чередования нуклеотидов в этой новой молекуле является комплементарным (дополнительным) по отношению к молекуле ДНК. Процесс синтеза РНК на молекуле ДНК как на матрице получил название транскрипции. Синтезированная в ядре РНК, поступая в цитоплазму, несет в себе наследстве иную информацию, которая заключается в специфической для данного вида последовательности нуклеотидов. Этот вид РНК называется информационной и обозначается и-РНК. В цитоплазме и-РНК вступает в контакт с рибосомами, где и происходит синтез полипептидных цепей. Аминокислоты, предварительно активизированные с участием ферментов и АТФ, доставляются на рибосому также молекулами РНК. Этот вид РНК в соответствии со своей функцией называется транспортной (т-РНК) или растворимой. Существуют разные виды т-РНК. Каждый из них соединяется только с определенной аминокислотой. Транспортная РНК, несущая молекулу аминокислоты, вступает в связь с определенным участком и-РНК, последовательность трех нуклеотидов которого соответствует ее активному участку. Эти соответствующие друг другу участки называются кодоном (на и-РНК) и антикодоном (на т-РНК). Таким образом, доставленная на рибосому аминокислота находит свое место в будущей молекуле белка. «Соседние» аминокислоты соединяются друг с другом, образуя полипептидные цепочки. Следовательно, порядок нуклеотидов в молекуле и-РНК обусловливает последовательность аминокислот в молекуле белка. От этой последовательности зависят его химические и физические свойства, его видовая специфичность. Синтез полипептидной цепи, в которой последовательность аминокислот определяется последовательностью нуклеотидов в молекуле и-РНК называется трансляцией. В конечном итоге ДНК определяет качества и свойства специфичных для данного вида белков, а следовательно, и свойства организма.

Ядро не является автономной, частью живой клетки. Оно существует и выполняет свою физиологическую роль только в тесном взаимодействии с цитоплазмой. Ядро и цитоплазма со всеми клеточными органеллами в тесном взаимодействии друг с другом образуют единое целое — живую клетку, основную структурную и функциональную единицу жизни.

Лекция 7