11. Клеточное ядро. Хромосомы

Определения и обозначения

Клеточное ядро — органоид эукариотической клетки, в котором хранится основная часть наследственной информации. Ядро участвует в управлении клеточными процессами, поскольку в нём находится ДНК с инструкциями для работы клетки. Благодаря этому клетка может согласовывать свой рост, обмен веществ и деление.

Хроматин — комплекс ДНК и белков в ядре. В интерфазе, то есть между делениями клетки, он обычно не собран в плотные отдельные хромосомы. Менее плотная упаковка помогает клетке обращаться к нужным участкам ДНК.

Хромосома — компактно упакованная структура из ДНК и белков. Такая упаковка помогает сохранить наследственный материал и распределить его при делении клетки. Поэтому хромосомы особенно хорошо различимы, когда клетка готовится делиться.

Кариотип — характерный для вида набор хромосом, описываемый их числом, размерами и формой. Кариотип позволяет сравнивать наборы хромосом разных организмов или клеток. Одного числа для полной характеристики недостаточно.

Как это устроено

Ядро отделено от цитоплазмы ядерной оболочкой, которая помогает поддерживать особые условия для хранения и использования ДНК. Оболочка не должна полностью изолировать ядро: клетке необходимо получать вещества и передавать наружу продукты работы. Поэтому в ней есть поры, через которые происходит регулируемый обмен между ядром и цитоплазмой. Так сочетаются защита наследственного материала и связь с остальной клеткой.

Внутреннее пространство ядра заполнено нуклеоплазмой — средой, в которой находятся хроматин и другие структуры. В ядрышке образуются компоненты рибосом, необходимых клетке для синтеза белков. Хроматин содержит ДНК, поэтому именно в нём сосредоточена наследственная информация. Такое распределение позволяет ядру одновременно хранить ДНК и обеспечивать процессы, связанные с работой клетки.

ДНК в ядре связана с белками: вместе они образуют хроматин. Его уплотнение меняется в течение клеточного цикла, потому что клетке нужны разные свойства наследственного материала на разных этапах. В интерфазе менее плотно упакованные участки доступны для использования, например для считывания информации. Перед делением ДНК нужно надёжно организовать и подготовить к распределению, поэтому упаковка становится плотнее.

При подготовке клетки к делению хроматин уплотняется, и становятся заметны хромосомы. Если ДНК уже удвоилась, каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид — одинаковых копий наследственного материала. Они соединены в области центромеры. Такая организация помогает сначала сохранить копии вместе, а затем разделить их между дочерними клетками.

Для каждого вида характерен свой набор хромосом — кариотип; в клетках одного организма набор обычно сохраняет характерное для этих клеток число и особенности хромосом. Число хромосом важно для передачи наследственной информации, но не служит мерой сложности организма. У разных видов оно различается и не растёт пропорционально сложности строения. Поэтому кариотип описывают не только числом, но также размерами и формой хромосом.

Состояние наследственного материала в интерфазе и при делении клетки

Сравнивайте состояния по строкам: так легче увидеть, как меняется упаковка и зачем это нужно клетке. Удвоение ДНК происходит до деления, поэтому не следует путать число хромосом с числом хроматид или молекул ДНК. Таблица показывает общую картину: доступность ДНК и её компактность связаны с задачами конкретного этапа.

Разбор задач

Задача 1. Назовите две структуры ядра, через которые обеспечиваются его основные функции, и укажите роль каждой. Нужно связать устройство ядра с защитой наследственной информации и обменом с цитоплазмой. Для ответа достаточно назвать оболочку и поры, не смешивая их функции.

1. Ядерная оболочка отделяет содержимое ядра от цитоплазмы.
2. Ядерные поры обеспечивают обмен веществами между ядром и цитоплазмой.
3. Следовательно, оболочка защищает и разграничивает, а поры поддерживают связь ядра с клеткой.

Ответ: ядерная оболочка отделяет ядро от цитоплазмы, а ядерные поры обеспечивают обмен веществами между ними.

Задача 2. В клетке перед делением после удвоения ДНК обнаружили хромосомы, состоящие из двух хроматид. Сколько молекул ДНК приходится на такую хромосому? Здесь важно считать молекулы ДНК в одной хромосоме, а не общее число хромосом в клетке. Каждая хроматида содержит одну молекулу ДНК.

1. В условии указано, что одна хромосома состоит из двух хроматид.
2. С каждой хроматидой связана одна молекула ДНК.
3. Значит, в этой хромосоме две молекулы ДНК.

Ответ: две молекулы ДНК.

Задача 3. В соматической клетке организма 2n = 12. Сколько хромосом будет в каждой дочерней клетке после митоза и сколько хроматид будет у каждой хромосомы к началу деления, если ДНК уже удвоилась? Сначала определим исходное число хромосом, а затем отдельно посчитаем хроматиды. Митоз сохраняет число хромосом в дочерних клетках.

1. Запись 2n = 12 означает, что в соматической клетке 12 хромосом.
2. Удвоение ДНК создаёт по две сестринские хроматиды в каждой хромосоме, но до их разделения число хромосом остаётся 12.
3. При митозе копии расходятся, и каждая дочерняя клетка получает по одной копии каждой хромосомы.

Ответ: в каждой дочерней клетке будет 12 хромосом; к началу деления каждая хромосома состоит из двух хроматид.

Типичные ошибки

Ошибка: считать хроматин и хромосомы разными по составу веществами. Оба названия относятся к ДНК, связанной с белками, но описывают разную степень упаковки. Путаница возникает потому, что в интерфазе хроматин выглядит иначе, чем плотные хромосомы при делении. Проверьте себя: меняется упаковка наследственного материала, а не его основной состав.

Ошибка: путать хромосому с хроматидой. Хроматида — одна из частей удвоенной хромосомы, а не другое название любой хромосомы. Часто путают эти понятия, потому что до разделения хроматид они тесно соединены. Спросите себя, описывает ли термин целую структуру или одну из её копий.

Ошибка: считать, что после удвоения ДНК сразу удвоилось число хромосом. Удваивается ДНК, и хромосома становится двухроматидной, но до разделения сестринских хроматид число хромосом прежнее. Путаница возникает, если считать каждую копию отдельной хромосомой до её расхождения. Проверяйте, разделились ли хроматиды: если нет, хромосома остаётся одной.

Ошибка: считать, что у всех видов одинаковое число хромосом или что большее число означает большую сложность. Набор хромосом характерен для вида, а число не измеряет сложность организма. Такая ошибка возникает из-за попытки сравнивать организмы по одному показателю. Для проверки помните: кариотип описывают числом, размерами и формой хромосом.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о строении эукариотической клетки, роли ДНК и белков, а также о различиях клеток растений и животных. Уплотнение хромосом и расхождение сестринских хроматид связаны с клеточным циклом и митозом: они помогают передать наследственный материал дочерним клеткам. Понимание кариотипа пригодится при изучении наследственности и мейоза. Эти знания также используют при кариотипировании и разборе хромосомных нарушений.

Что запомнить

• Ядро хранит основную часть наследственной информации эукариотической клетки.
• Ядерная оболочка отделяет ядро от цитоплазмы, а поры обеспечивают обмен между ними.
• Ядрышко участвует в образовании компонентов рибосом.
• Хроматин состоит из ДНК и белков.
• При делении клетки хроматин уплотняется и становится заметен в виде хромосом.
• После удвоения ДНК хромосома состоит из двух сестринских хроматид, соединённых в области центромеры.
• Число и особенности хромосом входят в характеристику кариотипа вида.