§16. Ядро. Прокариотная клетка

Определения и обозначения

Ядро — мембранный органоид эукариотической клетки, в котором хранится основная часть наследственной информации. Проще говоря, это отдельный «отсек» клетки с ДНК и механизмами управления генами. Знание его строения помогает объяснить, как эукариотическая клетка хранит и использует наследственную информацию.

Ядерная оболочка — двойная мембрана с ядерными порами, отделяющая содержимое ядра от цитоплазмы. Поры работают как регулируемые каналы: через них проходят, например, молекулы РНК и белки. Благодаря оболочке процессы, связанные с ДНК, пространственно отделены от многих процессов цитоплазмы.

Нуклеоид — участок цитоплазмы прокариотической клетки, содержащий основную молекулу ДНК и не окружённый мембраной. Это не отдельный органоид, а область, где сосредоточена и уплотнена бактериальная хромосома. Термин нужен, чтобы не смешивать организацию наследственного материала прокариот с ядром эукариот.

Прокариотическая клетка — клетка без оформленного ядра и мембранных органоидов, к которой относятся бактерии и археи. В ней есть цитоплазма, мембрана и рибосомы, а многие виды имеют клеточную стенку. Такое определение позволяет отличить прокариот от эукариот, клетки которых содержат ядро и другие мембранные органоиды.

Как это устроено

Ядерная оболочка состоит из внешней и внутренней мембран, между которыми находится перинуклеарное пространство. В оболочке имеются ядерные поры, через которые избирательно перемещаются молекулы между ядром и цитоплазмой. Такое устройство сохраняет отдельную среду для работы с ДНК, но не изолирует ядро полностью: клетка постоянно обменивается с ним необходимыми веществами.

Внутри ядра ДНК соединена с особыми белками и образует хроматин. Упаковка нужна потому, что молекула ДНК очень длинная и в расправленном виде не поместилась бы в небольшом объёме ядра. Степень упаковки также влияет на активность генов: более доступные участки легче считываются, а плотно упакованные участки обычно работают слабее.

В ядре имеется ядрышко — плотный участок, где синтезируются рибосомные РНК и формируются части рибосом. Ядрышко не окружено отдельной мембраной, но отличается составом и выполняемыми процессами. Готовые субъединицы рибосом затем выходят через ядерные поры в цитоплазму, где участвуют в синтезе белка.

У прокариот основная ДНК расположена в нуклеоиде, который находится непосредственно в цитоплазме. Обычно это одна кольцевая хромосома, хотя организация генетического материала у разных прокариот может различаться. Кроме неё, в клетке могут быть плазмиды — небольшие кольцевые молекулы ДНК, способные нести дополнительные гены и копироваться независимо от основной хромосомы.

Помимо нуклеоида, прокариотическая клетка включает клеточную мембрану, цитоплазму и рибосомы. У многих прокариот есть клеточная стенка, поддерживающая форму и защищающая клетку, а также капсула, жгутики или другие поверхностные образования. Набор таких структур неодинаков, поэтому нельзя считать, что каждая бактерия имеет все возможные оболочки и выросты.

У эукариот ядерная оболочка отделяет место транскрипции от цитоплазмы, где идёт трансляция. Сначала в ядре по участку ДНК создаётся иРНК, затем она проходит через пору и направляется к рибосоме. У прокариот такого барьера нет, поэтому рибосома может начать трансляцию иРНК ещё во время её синтеза.

Сравнение ядра эукариотической клетки и нуклеоида прокариотической клетки

Таблицу удобно читать по строкам: каждый признак сразу сопоставляет две организации генетического материала. Для определения типа клетки сначала проверьте наличие оболочки вокруг участка с ДНК, затем уточните форму хромосомы и связь транскрипции с трансляцией. Отдельный признак не всегда достаточен, поэтому надёжнее использовать несколько строк одновременно.

Разбор задач

Задача 1

Условие: ДНК находится в нуклеоиде, в клетке есть рибосомы и клеточная стенка, но отсутствует ядерная оболочка. Определите тип клетки. Нужно опереться не на один признак, а на сочетание строения и расположения ДНК.

1. Найдём главный признак: нуклеоид означает, что ДНК расположена в немембранной области цитоплазмы.
2. Проверим его по условию: ядерной оболочки нет, значит, оформленного ядра также нет.
3. Рибосомы и клеточная стенка совместимы с прокариотической организацией и не превращают нуклеоид в ядро.

Ответ: это прокариотическая клетка, например клетка бактерии. Её основная ДНК находится в нуклеоиде, а не в ядре, поэтому клетка не относится к эукариотам.

Задача 2

Условие: сравните клетку бактерии и клетку растения по расположению ДНК, наличию ядра и возможности одновременного протекания транскрипции и трансляции. Требуется объяснить не только различия, но и их причину. Причина связана с наличием или отсутствием ядерной оболочки.

1. У бактерии основная ДНК расположена в нуклеоиде, а у растения — главным образом в ядре, окружённом двойной оболочкой.
2. В растительной клетке транскрипция идёт в ядре, после чего иРНК выходит в цитоплазму к рибосомам, поэтому два процесса разделены.
3. У бактерии иРНК не должна проходить через ядерную оболочку, поэтому рибосома может начать трансляцию ещё во время транскрипции.

Ответ: бактерия не имеет оформленного ядра, а растительная клетка имеет. Одновременная транскрипция и трансляция возможна у бактерии, но для обычной организации растительной клетки эти процессы пространственно разделены.

Задача 3

Условие: на электронной микрофотографии нужно определить, где находится ядро или нуклеоид. На изображении следует найти область, связанную с ДНК, и проверить, окружена ли она мембраной. Окончательный вывод делают по совокупности признаков клетки.

1. Сначала ищем границу вокруг участка с генетическим материалом: двойная оболочка с порами указывает на ядро.
2. Если отдельной мембранной границы нет, а ДНК находится в общей цитоплазме, это признак нуклеоида.
3. Затем проверяем дополнительные признаки: у эукариот обычно видны другие мембранные органоиды, а у прокариот — рибосомы, клеточная стенка и более простая внутренняя организация.

Ответ: мембранный участок с ДНК следует назвать ядром, а немембранную область цитоплазмы — нуклеоидом. Форма участка сама по себе не решает задачу: главным доказательством служит наличие или отсутствие ядерной оболочки.

Типичные ошибки

Называть нуклеоид ядром. Ошибка возникает потому, что и ядро, и нуклеоид содержат ДНК. Проверьте себя вопросом: есть ли вокруг участка двойная мембрана с порами; если нет, это нуклеоид.

Считать, что у прокариот совсем нет ДНК. Такое заключение появляется из-за неверного отождествления ДНК с ядром. У прокариот основная ДНК находится в нуклеоиде, а дополнительные гены могут располагаться в плазмидах.

Утверждать, что ядерная оболочка состоит из одной мембраны. Иногда оболочку представляют как обычную клеточную мембрану, забывая о её двойном строении. Для проверки вспомните: ядерная оболочка образована двумя мембранами и содержит поры.

Считать, что все структуры прокариот и все органоиды эукариот есть у любых клеток. Ошибка связана с запоминанием «типичной» клетки как универсальной схемы. Сверяйте каждый признак отдельно: мембранные органоиды характерны для эукариот, а поверхностные образования прокариот встречаются не у всех видов.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении клетки, клеточной мембране, цитоплазме, рибосомах и молекуле ДНК. Эти элементы объясняют, где хранится наследственная информация и как она используется. Без представления о мембране трудно понять отличие ядра от нуклеоида.

Тема связана с хранением наследственной информации, клеточным делением, репликацией ДНК и работой генов. Разделение ядра и цитоплазмы влияет на последовательность синтеза РНК и белка. Поэтому строение клетки помогает объяснить особенности её жизненных процессов.

Различия прокариот и эукариот понадобятся при изучении бактерий, генетики, биотехнологии и эволюции клеток. Например, плазмиды используют для переноса генов, а отсутствие ядерной оболочки объясняет быстрый ответ бактерий на изменения среды. Сравнение двух типов клеток помогает проследить усложнение клеточной организации.

Что запомнить

• Ядро есть у эукариотических клеток, но отсутствует у прокариот.
• Ядро окружено двойной ядерной оболочкой с порами.
• В ядре ДНК связана с белками и образует хроматин.
• Нуклеоид — немембранный участок прокариотической клетки с основной ДНК.
• У прокариот обычно имеется кольцевая хромосома, а также могут быть плазмиды.
• У эукариот транскрипция происходит в ядре, а трансляция — в цитоплазме.
• У прокариот транскрипция и трансляция могут протекать одновременно.