Ядро
Обязательным компонентом всех эукариотических клеток является ядро (лат. nucleus, греч. karyon). Клеточное ядро хранит наследственную информацию и управляет процессами внутриклеточного метаболизма, обеспечивая нормальную жизнедеятельность клетки и выполнение ею своих функций. Как правило, ядро имеет сферическую форму, но существуют также веретеновидные, подковообразные, сегментированные ядра. У большинства клеток ядро одно, но, например, у инфузории туфельки два ядра – макронуклеус и микронуклеус, а в поперечнополосатых мышечных волокнах находятся сотни ядер.
Ядро и цитоплазма – это взаимосвязанные компоненты клетки, которые не могут существовать друг без друга. Их постоянное взаимодействие обеспечивает единство клетки и в структурном, и в функциональном смысле.
В эукариотических организмах существуют клетки, не имеющие ядер, но срок их жизни недолог. В процессе созревания теряют ядро эритроциты, которые функционируют не более 120 дней, а затем разрушаются в селезенке. Безъядерные тромбоциты (кровяные пластинки) циркулируют в крови около 7 дней.
Каждое клеточное ядро окружено ядерной оболочкой, содержит ядерный сок, хроматин и одно или несколько ядрышек.
Ядерная оболочка. Эта оболочка отделяет содержимое ядра от цитоплазмы клетки и состоит из двух мембран, имеющих типичное для всех мембран строение. Наружная мембрана переходит непосредственно в эндоплазматическую сеть, образуя единую мембранную структуру клетки. Поверхность ядра пронизана порами, через которые осуществляется обмен различными материалами между ядром и цитоплазмой. Например, из ядра в цитоплазму выходят РНК и субъединицы рибосом, а в ядро поступают нуклеотиды, необходимые для сборки РНК, ферменты и другие вещества, обеспечивающие деятельность ядерных структур.
Ядерный сок. Раствор белков, нуклеиновых кислот, углеводов, в котором происходят все внутриядерные процессы.
Ядрышко. Место синтеза рибосомальной РНК (рРНК) и сборки отдельных субъединиц рибосом – важнейших органоидов клетки, обеспечивающих биосинтез белка.
Хроматин. В ядре клетки находятся молекулы ДНК, которые содержат информацию о всех признаках организма. ДНК – это двухцепочечная спираль, состоящая из сотен тысяч мономеров – нуклеотидов. Молекулы ДНК огромны, например длина отдельных молекул ДНК, выделенных из клеток человека, достигает нескольких сантиметров, а общая длина ДНК в ядре соматической клетки составляет около 1 м. Ясно, что такие гигантские структуры должны быть как-то упакованы, чтобы не перепутаться в общем ядерном пространстве.
Молекулы ДНК в ядрах эукариотических клеток всегда находятся в комплексе со специальными белками – гистонами, образуя так называемый хроматин. Именно гистоны обеспечивают структурированность и упаковку ДНК. В активно функционирующей клетке, в период между клеточными делениями, молекулы ДНК находятся в расплетенном деспирализованном состоянии, и увидеть их в световой микроскоп практически невозможно. В ядре клетки, готовящейся к делению, молекулы ДНК удваиваются, сильно спирализуются, укорачиваются и приобретают компактную форму, что делает их заметными.
В таком компактном состоянии комплекс ДНК и белков называют хромосомами, т. е., по сути, в химическом отношении хроматин и хромосомы это одно и то же.
Форма хромосомы зависит от положения так называемой первичной перетяжки, или центромеры, – области, к которой во время деления клетки прикрепляются нити веретена деления. Центромера делит хромосому на два плеча одинаковой или разной длины. Количество, размеры и форма хромосом уникальны для каждого вида.
Совокупность всех признаков хромосомного набора, характерного для того или иного вида, называют кариотипом.
По количеству хромосом все клетки организма человека делят на соматические – полный набор 46 хромосом и гаплоидные 23 хромосомы.
Таким образом, в соматической клетке находится двойное количество хромосом (от материнского и отцовского организмов). Наличие диплоидного хромосомного набора у большинства высших организмов повышает надежность функционирования генетического аппарата.
Не существует зависимости между количеством хромосом и уровнем организации данного вида: примитивные формы могут иметь большее число хромосом, чем высокоорганизованные, и наоборот. Например, у таких далеких видов, как прыткая ящерица и лисица, количество хромосом одинаково и равно 38, у человека и ясеня – по 46 хромосом, у курицы 78, а у речного рака более 110!
Реализация наследственной информации в клетке
Понятие о генетическом коде. Одним из важнейших процессов, происходящих в клетках живых организмов, является синтез белков. Белки выполняют в организме самые разнообразные функции, поэтому необходимо синтезировать тысячи различных белков. Учитывая, что большинство белков имеют ограниченный срок функционирования, их синтез не должен прекращаться ни на минуту.
Каждый вид живых организмов имеет свой собственный, строго определенный набор белков. Белки являются основой уникальности каждого вида. В то же время некоторые из них, выполняющие одну и ту же функцию в разных организмах, могут быть похожими и даже одинаковыми (фермент цитохромС в митохондриях всех эукариот).
Свойства белков определяются прежде всего их структурой, т. е. последовательностью аминокислот. Информацию о первичной структуре всех белков организма содержат молекулы ДНК. Следовательно, информация о строении и жизнедеятельности как каждой отдельной клетки, так и всего многоклеточного организма заключена в последовательности нуклеотидов ДНК - эта информация называется наследственной или генетической.
Участок молекулы ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, получил название ген. Кроме того, генами называют участки ДНК, содержащие информацию о структуре молекул рРНК и тРНК. В молекуле ДНК каждое «сообщение» представляет собой специфическую последовательность, «записанную» с использованием четырех «знаков» — нуклеотидов А, Т, Г, Ц, подобно тому как письменные сообщения записываются буквами алфавита.
Система записи информации о первичной структуре белков в виде последовательности нуклеотидов получила название генетического кода.