2.8. Клеточное ядро. Хромосомы

Определения и обозначения

Клеточное ядро — органоид эукариотической клетки, где хранится основная часть наследственной информации и регулируется работа клетки. Эукариотическими называют клетки, у которых есть оформленное ядро. Благодаря ядру клетка сохраняет инструкции, необходимые для синтеза веществ и выполнения её функций.

Хроматин — комплекс молекул ДНК и белков в ядре; из него формируются хромосомы. ДНК содержит гены — участки с наследственной информацией. Белки помогают упаковать длинные молекулы ДНК и влияют на доступность генов для работы.

Хромосома — упакованная структура из ДНК и белков, содержащая гены и становящаяся особенно заметной при делении клетки. Она представляет собой организованную форму наследственного материала, а не отдельный от хроматина вид вещества. Такая упаковка помогает подготовить ДНК к распределению между клетками.

Кариотип — характерный для вида набор хромосом, описываемый их числом, формой и размерами. Сравнивая эти признаки, можно описать хромосомный набор организма и отличить его от наборов других видов. Кариотип также используют, чтобы выявлять некоторые нарушения в наборе хромосом.

Как это устроено

Ядро окружено двойной ядерной оболочкой, которая отделяет его содержимое от цитоплазмы. Такое разделение создаёт внутри ядра условия, подходящие для хранения и использования ДНК. Однако полная изоляция помешала бы клетке обмениваться веществами, поэтому в оболочке есть ядерные поры. Через них между ядром и цитоплазмой проходят необходимые молекулы и частицы.

Внутри ядра находятся ядерный сок, хроматин и ядрышко. Ядерный сок служит средой, в которой расположены ядерные структуры и протекают связанные с ними процессы. В ядрышке образуются части рибосом, которые затем участвуют в создании белков в клетке. Поэтому ядро связано не только с хранением наследственной информации, но и с обеспечением клеточных процессов.

ДНК очень длинная, поэтому без упаковки её трудно было бы разместить внутри ядра. Она связывается с белками и образует хроматин: белки помогают компактно организовать молекулу и поддерживать её структуру. Упаковка при этом влияет на доступ к участкам ДНК: клетка может использовать нужные гены, не раскрывая весь наследственный материал одновременно. Значит, хроматин решает и задачу размещения ДНК, и задачу регулирования её использования.

Перед делением клетки хроматин уплотняется, и отдельные хромосомы становятся хорошо различимы. Это происходит потому, что наследственный материал должен быть организован для распределения между дочерними клетками. После деления хромосомы разрыхляются и снова переходят в менее плотное состояние хроматина. Поэтому внешний вид наследственного материала меняется в ходе клеточного цикла.

У каждого вида характерное число хромосом, но в клетках организма набор может быть разным. Клетки тела, или соматические клетки, обычно имеют двойной набор 2n: хромосомы в нём образуют пары. Парные хромосомы называют гомологичными; они сходны по форме и несут гены, отвечающие за одни и те же признаки. Половые клетки обычно имеют одинарный набор n, чтобы при их слиянии восстановилось характерное для вида число хромосом.

Состояния наследственного материала в ядре

Сопоставляйте столбцы по строкам: так видно, что состав у хроматина и хромосом одинаковый, а различаются они прежде всего степенью упаковки. При ответе о периоде клеточного цикла учитывайте, что хромосомы особенно заметны во время деления. Таблица также помогает не путать внешний вид структуры с её химическим составом.

Разбор задач

Задача 1. В клетке животного обнаружено ядро с двойной оболочкой и порами. Назовите два способа, которыми ядро взаимодействует с цитоплазмой. Для ответа нужно связать строение оболочки не с полной изоляцией, а с обменом веществами. Именно поры обеспечивают такой обмен между двумя частями клетки.

1. Двойная оболочка отделяет содержимое ядра от цитоплазмы, поэтому среды не смешиваются свободно. При этом в ней имеются специальные участки — ядерные поры.
2. Поры позволяют веществам и молекулам проходить между ядром и цитоплазмой. Это и есть первый способ взаимодействия: обмен необходимыми веществами.
3. Через поры перемещаются также частицы, связанные с работой клетки, например компоненты, участвующие в создании белков. Следовательно, обмен через поры обеспечивает передачу необходимых для клеточных процессов компонентов.

Ответ: ядро взаимодействует с цитоплазмой через обмен веществами и перемещение необходимых молекул и частиц через ядерные поры.

Задача 2. Объясните, почему хромосомы обычно хорошо различимы во время деления клетки, но не видны как отдельные структуры в обычной интерфазной клетке. Интерфаза — период между делениями, когда клетка растёт и выполняет свои функции. Чтобы объяснить разницу, сравним упаковку ДНК в эти периоды.

1. В интерфазе наследственный материал находится преимущественно в виде менее плотно упакованного хроматина. Поэтому он не выделяется под микроскопом в виде отдельных компактных хромосом.
2. Перед делением хроматин уплотняется. Его отдельные участки становятся компактными структурами, которые можно различить как хромосомы.
3. Такое уплотнение помогает организовать наследственный материал для распределения между дочерними клетками. После деления упаковка снова становится менее плотной.

Ответ: во время деления хромосомы заметны, потому что хроматин уплотнён; в интерфазе он разрыхлён и не виден как набор отдельных компактных структур.

Задача 3. У вида диплоидное число хромосом равно 12. Сколько хромосом будет в соматической клетке и в зрелой половой клетке? Здесь важно различить обозначения 2n и n: первое показывает двойной набор, второе — одинарный. Соматические клетки имеют 2n, а зрелые половые — n.

1. По условию 2n = 12, значит, число хромосом в соматической клетке уже дано. В ней будет 12 хромосом.
2. Для половой клетки нужен одинарный набор n. Он вдвое меньше диплоидного, поэтому вычисляем 12 ÷ 2 = 6.
3. Проверяем, что применили наборы правильно: две половые клетки с одинарным набором при слиянии восстанавливают двойной набор. Значит, 6 + 6 = 12.

Ответ: в соматической клетке — 12 хромосом, в зрелой половой — 6.

Типичные ошибки

Ошибка — считать хроматин и хромосомы разными веществами. Так можно подумать, потому что в клетке эти структуры выглядят по-разному в разные периоды. На деле обе формы состоят из ДНК и белков, но отличаются степенью упаковки; проверяйте себя вопросом о составе и состоянии упаковки.

Ошибка — путать хромосому с геном. Путаница возникает потому, что оба понятия связаны с наследственной информацией. Хромосома содержит множество генов, а ген является участком ДНК; для самопроверки спросите, описывает ли термин крупную структуру или часть молекулы.

Ошибка — считать, что ядерная оболочка полностью изолирует ядро. Двойная оболочка действительно отделяет его от цитоплазмы, поэтому изоляцию легко принять за абсолютную. Но в оболочке есть поры, через которые происходит обмен; если в объяснении нет пор и обмена веществами, ответ неполный.

Ошибка — путать число хромосом с количеством молекул ДНК. Её допускают, потому что перед делением ДНК удваивается и каждая хромосома состоит из двух хроматид. Однако число хромосом не удваивается: проверяйте, считаете ли вы хромосомы или молекулы ДНК, и не смешивайте эти величины.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в ядре и хромосомах, нужно знать строение эукариотической клетки и роль ДНК, а также различать ген и наследственную информацию. Эти понятия помогают понять, что именно хранится в ядре и как упакована ДНК. Позже тема пригодится при изучении митоза и мейоза, передачи наследственной информации и закономерностей наследования признаков. Кариотип связывает клеточную биологию с изучением видовых особенностей и хромосомных нарушений.

Что запомнить

• Ядро хранит основную часть наследственной информации эукариотической клетки.
• Ядерная оболочка двойная и имеет поры.
• В ядрышке образуются части рибосом.
• Хроматин состоит из ДНК и белков.
• Хромосомы образуются при уплотнении хроматина.
• Кариотип характеризует набор хромосом вида.
• Соматические клетки обычно диплоидны, а половые — гаплоидны.