5.2.2. Клеточное ядро

Определения и обозначения

Клеточное ядро — органоид эукариотической клетки, где хранится основная часть наследственной информации и происходит её реализация. Наследственная информация записана в ДНК, а её считывание помогает клетке создавать нужные молекулы. Поэтому ядро связано с ростом, обменом веществ и другими сторонами жизнедеятельности клетки.

Ядерная оболочка — двойная мембрана, отделяющая содержимое ядра от цитоплазмы. Она создаёт для ДНК и других ядерных веществ особую среду. Обмен при этом не прекращается: его обеспечивают ядерные поры, через которые проходят определённые молекулы.

Хроматин — комплекс ДНК и белков, находящийся в ядре. Белки помогают упорядочить и упаковать длинные молекулы ДНК, чтобы наследственная информация помещалась в ядре и оставалась доступной для считывания. Перед делением хроматин уплотняется и образует хорошо различимые хромосомы.

Ядрышко — участок ядра, в котором образуются компоненты рибосом. Рибосомы необходимы для синтеза белка, поэтому размер ядрышка часто увеличивается в клетках, активно производящих белки. Само ядрышко не окружено отдельной мембраной и не является местом хранения всей наследственной информации.

Как это устроено

Ядро считают хранилищем наследственной информации, потому что в его ДНК содержатся инструкции для работы клетки. Когда клетке нужен определённый продукт, соответствующий участок ДНК считывается и на его основе создаётся РНК. Затем клетка использует эту информацию, например, для синтеза белка. Так ДНК влияет на процессы клетки не сама по себе, а через считывание генетической информации и работу молекул, которые её реализуют.

Двойная оболочка отделяет ядерное содержимое от цитоплазмы, а значит, помогает поддерживать в ядре условия, нужные для работы ДНК. Однако полной изоляции нет: ядерные поры служат регулируемыми каналами между двумя частями клетки. Через них из ядра выходят РНК, участвующие в создании белков, а в ядро поступают белки, необходимые для работы с ДНК и других ядерных процессов. Если такой обмен нарушен, изменяется не только перемещение веществ, но и согласованность работы ядра и цитоплазмы.

Молекулы ДНК очень длинные, поэтому в ядре они связаны с белками и упакованы в виде хроматина. Такая организация позволяет разместить наследственный материал и в то же время использовать его участки, когда клетке нужно считать информацию. Перед делением клетка должна распределить ДНК между дочерними клетками, не потеряв и не перепутав её участки. Поэтому хроматин уплотняется: его структуры становятся компактными и различимыми как хромосомы. После деления степень упаковки снова меняется.

Ядрышко связано с производством рибосом: в нём образуется рибосомная РНК и соединяется с белками, поступившими из цитоплазмы. Так возникают начальные компоненты рибосом, которые затем проходят через ядерные поры и завершают формирование в цитоплазме. Там рибосомы считывают информацию с РНК и синтезируют белки. Если клетке требуется много белка, ей обычно нужно больше рибосом, поэтому в её ядре может быть крупное или хорошо заметное ядрышко.

Ядро обычно одно: одной копии ядерного центра достаточно для координации работы клетки. Но строение может соответствовать особым задачам: скелетные мышечные волокна многоядерны, что связано с их крупными размерами и работой, а у зрелых эритроцитов млекопитающих ядро отсутствует. Утрата ядра освобождает место для гемоглобина, переносящего кислород, но лишает клетку возможности обновлять многие молекулы обычным способом. Кроме того, часть наследственной информации клетки находится не в ядре: собственная ДНК есть у митохондрий и пластид.

Структуры клеточного ядра и их функции

При работе с таблицей сначала определите структуру по её особенностям, а затем соотнесите её с функцией. Например, если в условии говорится об обмене РНК и белков, речь идёт о ядерных порах. Если описывается упаковка ДНК, нужно вспомнить хроматин.

Разбор задач

Задача 1. На схеме клетки обозначены ядерная оболочка, ядрышко и хроматин. Определите каждую структуру и назовите её основную функцию. Начните с расположения: оболочка ограничивает ядро, а две остальные структуры находятся внутри него. Затем сопоставьте вид каждой структуры с тем, что она делает.

1. Найдите границу ядра: двойная мембрана вокруг содержимого — это ядерная оболочка.
2. Определите плотный участок внутри ядра, не окружённый отдельной мембраной: это ядрышко, где формируются компоненты рибосом.
3. Расположенный в ядре материал из ДНК и белков — хроматин; он организует и хранит наследственную информацию.

Ответ. Ядерная оболочка отделяет ядро от цитоплазмы и содержит поры для обмена. Ядрышко образует компоненты рибосом. Хроматин представляет собой комплекс ДНК и белков, в котором упорядочена основная часть наследственной информации.

Задача 2. В клетке нарушена работа ядерных пор. Объясните, какие процессы обмена между ядром и цитоплазмой могут измениться. Чтобы рассуждать, вспомните, что поры не просто отверстия, а пути перемещения молекул. Проследите отдельно выход веществ из ядра и поступление веществ в него.

1. Определите, что выход РНК из ядра может затрудниться. Тогда молекулы, несущие информацию для синтеза белка, будут хуже попадать в цитоплазму.
2. Учтите, что белки, нужные для работы с ДНК и других ядерных процессов, поступают из цитоплазмы. Нарушение пор может сократить или замедлить их поступление.
3. Свяжите оба изменения с клеткой в целом: обмен между ядром и цитоплазмой станет менее эффективным, поэтому могут нарушиться синтез белка и регуляция клеточных процессов.

Ответ. Нарушится перемещение молекул через ядерную оболочку: в частности, может замедлиться выход РНК и поступление белков. Из-за этого цитоплазма будет получать меньше РНК-инструкций для синтеза белка, а ядро — необходимых ему молекул. Последствия затронут согласованную работу клетки.

Задача 3. В клетках ткани обнаружены крупные ядрышки. Предположите, с какой особенностью работы этих клеток это может быть связано, и обоснуйте ответ. Не следует заключать, что ядрышко хранит больше наследственной информации. Нужно установить, какую структуру оно помогает создавать и для чего эта структура нужна клетке.

1. Вспомните, что в ядрышке образуются компоненты рибосом.
2. Свяжите количество рибосом с потребностью в синтезе белка: чем активнее клетка производит белки, тем больше рибосом ей может понадобиться.
3. Сделайте осторожный вывод: крупное ядрышко может указывать на активное образование рибосом, но для уверенного заключения нужно учитывать и другие особенности клетки.

Ответ. Крупные ядрышки могут быть связаны с интенсивным образованием компонентов рибосом. Такие клетки, вероятно, активно синтезируют белок или нуждаются в большом количестве рибосом. Ядрышко связано с этой работой, а не с хранением основной части наследственной информации.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что ядро содержит всю наследственную информацию клетки. Так думают, потому что именно ядро обычно называют главным хранилищем ДНК. Но собственная ДНК есть также у митохондрий и пластид. Проверяйте себя: формулируйте «основная часть ДНК», а не «вся ДНК».

Ошибка — называть хроматин и хромосому разными веществами. Это заблуждение возникает из-за того, что перед делением хромосомы хорошо заметны, а в обычном ядре хроматин выглядит менее уплотнённым. На самом деле речь идёт о наследственном материале в разной степени упаковки. Спросите себя, меняется ли вещество или только его компактность: меняется упаковка.

Ошибка — представлять ядерную оболочку полностью непроницаемой. Её считают сплошным барьером, забывая о ядерных порах. Именно через поры происходит обмен между ядром и цитоплазмой, в том числе перемещение РНК и белков. Проверка проста: если объяснение предполагает обмен веществами, в нём должны быть учтены поры.

Ошибка — приписывать ядрышку хранение наследственной информации. Её допускают, потому что ядрышко находится внутри ядра и заметно на изображениях. Однако основная его роль — образование компонентов рибосом, а наследственная информация хранится в ДНК хроматина. Чтобы проверить себя, соотнесите ядрышко с рибосомами и синтезом белка, а не с хранением ДНК.

Связь с другими темами

Для понимания строения ядра нужно знать, как устроена эукариотическая клетка и чем ДНК отличается от других молекул. Полезно также помнить основные положения клеточной теории: клетки связаны с наследственностью и жизнедеятельностью организмов. Эти знания помогают понять, почему ядерное содержимое отделено от цитоплазмы, но не изолировано от неё полностью.

Тема ядра понадобится при изучении деления клетки: уплотнение хроматина помогает распределить наследственный материал. Она также связана с темами о хромосомах, реализации наследственной информации и синтезе белка. Зная роли ДНК, РНК, пор и ядрышка, легче проследить путь от генетической инструкции до работы белков в клетке.

Что запомнить

• Ядро — характерная структура эукариотической клетки.
• Основная часть ДНК клетки находится в ядре.
• Ядерная оболочка состоит из двух мембран.
• Через ядерные поры происходит обмен между ядром и цитоплазмой.
• Хроматин образован ДНК и белками.
• Перед делением хроматин уплотняется в хромосомы.
• В ядрышке образуются компоненты рибосом.