§ 9. Строение и функции ядра. Прокариоты и эукариоты

Определения и обозначения

Ядро — органоид эукариотической клетки, в котором хранится основная часть наследственной информации и регулируется работа клетки. Иными словами, в ядре содержатся инструкции, по которым клетка производит необходимые вещества и выполняет свои функции. Это помогает согласовывать процессы внутри клетки и передавать информацию новым клеткам.

Ядерная оболочка — двойная мембрана с порами, отделяющая содержимое ядра от цитоплазмы и обеспечивающая обмен веществами между ними. Она образует границу между двумя средами, но не превращает ядро в полностью изолированное пространство. Поры нужны, чтобы необходимые молекулы могли проходить между ядром и цитоплазмой.

Хроматин — комплекс ДНК и белков в ядре; при делении клетки он уплотняется и образует хромосомы. Белки помогают компактно упаковать длинные молекулы ДНК и организовать их. Такое уплотнение особенно важно при делении, когда наследственный материал нужно распределить между дочерними клетками.

Нуклеоид — область цитоплазмы прокариотической клетки, где расположена основная молекула ДНК; мембраной он не окружён. Это участок, в котором сосредоточена основная наследственная информация прокариота. Нуклеоид выполняет важную роль, хотя у него нет оболочки, как у ядра эукариот.

Прокариоты — организмы, клетки которых не имеют оформленного ядра; эукариоты — организмы с клетками, имеющими ядро. Разница между ними состоит не в наличии или отсутствии ДНК, а в способе её организации и расположения. Это деление помогает сравнивать клетки бактерий, растений, животных и грибов.

Как это устроено

Ядерная оболочка состоит из двух мембран и отделяет содержимое ядра от цитоплазмы, но между этими частями клетки всё равно должен происходить обмен. Поэтому в оболочке есть поры: через них проходят определённые молекулы, например вещества, необходимые для работы генов, и компоненты, направляющиеся из ядра. Обмен через поры регулируется, так что оболочка не просто пропускает всё подряд, а помогает поддерживать условия внутри ядра. Наружная мембрана оболочки связана с эндоплазматической сетью — системой мембранных каналов в цитоплазме, что соединяет ядро с другими участками клетки.

Молекула ДНК очень длинная, поэтому в ядре она связана с белками и уложена в компактную форму — хроматин. Когда клетка готовится к делению, наследственный материал необходимо надёжно распределить между двумя дочерними клетками. Для этого хроматин дополнительно уплотняется, и отдельные участки становятся заметны как хромосомы. Хроматин и хромосомы — не разные виды наследственного материала, а менее и более уплотнённые формы организации ДНК и белков.

Ядро хранит наследственную информацию и обеспечивает её передачу при делении клетки. Оно также участвует в управлении клеточными процессами: гены содержат инструкции, а их работа влияет на то, какие вещества клетка производит и какие функции выполняет. Внутри ядра находится ядрышко — участок, где образуются части рибосом. Рибосомы участвуют в синтезе белка, поэтому образование их компонентов в ядрышке связано с обеспечением клетки необходимыми белками.

У прокариот основная молекула ДНК расположена в нуклеоиде, то есть в области цитоплазмы без окружающей мембраны. У некоторых прокариот есть также плазмиды — небольшие дополнительные молекулы ДНК, которые несут отдельные наследственные сведения. У эукариот основная часть ДНК находится внутри ядра и организована в хромосомы. Таким образом, различается не сама способность хранить наследственную информацию, а клеточная структура, в которой она находится, и способ её упаковки.

Отсутствие оформленного ядра не означает, что у прокариот нет наследственной информации. Их ДНК содержит инструкции, необходимые для жизнедеятельности и размножения, а клетка использует их, хотя они не отделены ядерной оболочкой от цитоплазмы. Прокариоты способны выполнять основные клеточные процессы и передавать ДНК потомству. Значит, ядро — характерный способ организации клетки эукариот, но не обязательное условие существования наследственной информации.

Сравнение клеток прокариот и эукариот по организации наследственного материала

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определи, есть ли у клетки оформленное ядро, а затем проследи, где находится её основная ДНК. Обрати внимание, что отсутствие оболочки у прокариот не означает отсутствия ДНК. Сравнение по нескольким признакам помогает не смешивать клеточную организацию с наличием наследственной информации.

Разбор задач

Задача 1. В клетке обнаружили ДНК, но не нашли ядерной оболочки. Определите, к какой группе клеток она относится, и укажите, где находится ДНК. Чтобы решить задачу, нужно опираться не только на наличие наследственного материала, но и на наличие оформленного ядра. ДНК есть у обеих групп клеток, а ядерная оболочка отличает эукариот.

1. Сначала отмечаем, что ДНК обнаружена: следовательно, наследственная информация в клетке есть.
2. Затем учитываем отсутствие ядерной оболочки. Значит, ДНК не может находиться внутри оформленного ядра.
3. Сопоставляем признак с определениями: клетка без оформленного ядра относится к прокариотам, а её основная ДНК находится в нуклеоиде.

Ответ: это прокариотическая клетка; её основная ДНК расположена в нуклеоиде в цитоплазме. Отсутствие оболочки не отменяет наличия наследственной информации.

Задача 2. На рисунке клетки обозначены двойная оболочка с порами, хроматин и ядрышко. Назовите эти структуры и укажите по одной функции каждой. Здесь важно сопоставить внешний вид каждого обозначения с тем, где оно находится и что делает. У оболочки, хроматина и ядрышка разные роли, хотя все они связаны с ядром.

1. Двойная граница с отверстиями — ядерная оболочка. Она отделяет ядро от цитоплазмы и через поры обеспечивает регулируемый обмен.
2. Внутреннее содержимое из ДНК и белков — хроматин. Он хранит наследственную информацию и уплотняется в хромосомы при делении.
3. Участок внутри ядра — ядрышко. В нём образуются части рибосом, которые затем участвуют в синтезе белка.

Ответ: обозначены ядерная оболочка, хроматин и ядрышко. Их функции соответственно связаны с обменом веществами между ядром и цитоплазмой, хранением ДНК и образованием частей рибосом.

Задача 3. Сравните клетку бактерии и клетку растения по наличию ядра, расположению ДНК и организации наследственного материала. Объясните, почему обе клетки способны передавать наследственную информацию. Для сравнения нужно отдельно рассмотреть строение клетки и наличие ДНК: эти признаки связаны, но не тождественны. Затем можно объяснить, что именно позволяет каждой клетке передать наследственные сведения.

1. Клетка бактерии — прокариотическая: у неё нет оформленного ядра, а основная ДНК находится в нуклеоиде. У некоторых бактерий имеются дополнительные плазмиды.
2. Клетка растения — эукариотическая: её основная ДНК находится в ядре, где связана с белками и организована в хромосомы.
3. В обеих клетках ДНК содержит наследственную информацию. При размножении клетки эта информация передаётся потомству, хотя в одном случае ДНК находится в нуклеоиде, а в другом — в ядре.

Ответ: у бактерии ядра нет, а у растения оно есть; ДНК бактерии находится в нуклеоиде, растительной клетки — преимущественно в ядре. Обе клетки могут передавать наследственную информацию, потому что обе содержат ДНК.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что у прокариот вообще нет ДНК. Её допускают, когда слова «нет ядра» ошибочно понимают как «нет наследственного материала». Проверь себя: если речь идёт о прокариоте, вспомни нуклеоид — область цитоплазмы, где расположена основная ДНК.

Ошибка: считать хроматин и хромосомы разными видами наследственного материала. Такое впечатление возникает потому, что при делении хромосомы хорошо различимы, а хроматин обычно не выглядит как отдельные плотные структуры. Проверь себя: и то и другое образовано ДНК и белками, различается степень уплотнения.

Ошибка: считать ядерную оболочку сплошной изоляцией. Её описывают как границу ядра и забывают, что клетке требуется обмен веществами между ядром и цитоплазмой. Проверь себя: оболочка имеет поры, через которые проходит регулируемый обмен молекулами.

Ошибка: называть ядрышко отдельным органоидом с собственной мембраной. Его можно принять за самостоятельную структуру, поскольку оно заметно внутри ядра. Проверь себя: ядрышко расположено внутри ядра и не окружено собственной мембраной; оно участвует в образовании частей рибосом.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать общее строение клетки и различать органоиды и клеточные структуры. Также пригодятся представления о ДНК как носителе наследственной информации: без них трудно понять, что именно хранится в ядре и нуклеоиде. Эти знания помогают связать строение клетки с её работой.

Тема связана с делением клетки и передачей наследственной информации. Уплотнение хроматина в хромосомы помогает проследить, как ДНК организуется перед распределением между дочерними клетками. Связь ядрышка с образованием частей рибосом подводит к изучению синтеза белка.

Сравнение прокариот и эукариот показывает разнообразие клеток организмов. На примере бактерий можно увидеть, что жизнедеятельность возможна и без оформленного ядра, если наследственная информация организована иначе. Это сравнение помогает точнее понимать особенности разных групп организмов.

Что запомнить

• Оформленное ядро есть у эукариот, но отсутствует у прокариот.
• У прокариот основная ДНК находится в нуклеоиде.
• Ядерная оболочка состоит из двух мембран и имеет поры.
• Хроматин образован ДНК и белками; при делении клетки он уплотняется в хромосомы.
• Ядро хранит наследственную информацию и участвует в управлении работой клетки.
• Ядрышко связано с образованием частей рибосом.