Для чего нужно ядро в клетке человека
Особенности строения и функции ядра клетки
Ядро – главное составляющее живой клетки, которое несет наследственную информацию, закодированную набором генов. Оно занимает центральное положение в клетке. Размеры варьируются, форма обычно сферичная или овальная. В диаметре ядро в разных клетках может быть от 8 до 25мкм. Есть исключения, примеру, яйцеклетки рыб имеют ядра диаметром в 1 мм.
Особенности строения ядра
Заполнено ядро жидкостью и несколькими структурными элементами. В нем выделяют оболочку, набор хромосом, нуклеоплазму, ядрышка. Оболочка двухмембранная, между мембранами находится перенуклеарное пространство.
Внешняя мембрана сходна по строению с эндоплазматическим ретикулумом. Она связана с ЭПР, который будто ответвляется от ядерной оболочки. Снаружи на ядре находятся рибосомы.
Внутренняя мембрана прочная, так как в ее состав входит ламина. Она выполняет опорную функцию и служит местом крепления для хроматина.
Мембрана имеет поры, обеспечивающие обменные процессы с цитоплазмой. Ядерные поры состоят из транспортных белков, которые поставляют в кариоплазму вещества путем активного транспорта. Пассивно сквозь поровые отверстия могут пройти только небольшие молекулы. Также каждая пора прикрыта поросомой, которая регулирует обменные процессы в ядре.
Количество ядер в разных по специализации клетках различно. В большинстве случаев клетки одноядерные, но есть ткани, построенные из многоядерных клеток (печеночная или ткань мозга). Есть клетки лишенные ядра – это зрелые эритроциты.
У простейших выделяют два типа ядер: одни отвечают за сохранение информации, другие – за синтез белка.
Ядро может прибывать в состоянии покоя (период интерфазы) или деления. Переходя в интерфазу, имеет вид сферического образования с множеством гранул белого цвета (хроматина). Хроматин бывает двух видов: гетерохроматин и эухроматин.
Эухроматин – это активный хроматин, который сохраняет деспирализированное строение в покоящемся ядре, способен к интенсивному синтезу РНК.
Гетерохроматин – это участки хроматина, которые находятся в конденсированном состоянии. Он может при необходимости переходить в эухроматиновое состояние.
При использовании цитологического метода окрашивания ядра (по Романовскому-Гимзе) выявлено, что гетерохроматин меняет цвет, а эухроматин нет. Хроматин построен из нуклеопротеидных нитей, названных хромосомами. Хромосомы несут в себе основную генетическую информацию каждого человека. Хроматин — форма существования наследственной информации в интерфазном периоде клеточного цикла, во время деления он трансформируется в хромосомы.
Строение хромосом
Каждая хромосома построена из пары хроматид, которые находятся параллельно друг к другу и связаны только в одном месте – центромере. Центромера разделяет хромосому на два плеча. В зависимости от длины плеч выделяют три вида хромосом:
Некоторые хромосомы имеют дополнительный участок, который крепится к основному нитевидными соединениями – это сателлит. Сателлиты помогают идентифицировать разные пары хромосом.
Метафазное ядро представляет собой пластинку, где располагаются хромосомы. Именно в эту фазу митоза изучается количество и строение хромосом. Во время метафазы сестринские хромосомы двигаются в центр и распадаются на две хроматиды.
Строение ядрышка
В ядре также находится немембранное образование — ядрышко. Ядрышки представляют собой уплотненные, округлые тельца, способные преломлять свет. Это основное место синтеза рибосомальной РНК и необходимых белков.
Число ядрышек различно в разных клетках, они могут объединяться в одно крупное образование или существовать отдельно друг от друга в виде мелких частиц. При активации синтетических процессов объем ядрышка увеличивается. Оно лишено оболочки и находится в окружении конденсированного хроматина. В ядрышке также содержатся металлы, в большей мере цинк. Таким образом, ядрышко – это динамичное, меняющееся образование, необходимое для синтеза РНК и транспорта ее в цитоплазму.
Нуклеоплазма заполняет все внутреннее пространство ядра. В нуклеоплазме находится ДНК, РНК, протеиновые молекулы, ферментативные вещества.
Функции ядра в клетке
Роль и значение ядра
Ядро является главным хранилищем наследственной информации и определяет фенотип организма. В ядре ДНК существует в неизмененном виде благодаря репарационным ядерным ферментам, которые способны ликвидировать поломки и мутации. Во время клеточного деления ядерные механизмы обеспечивают точное и равномерное расхождение генетической информации в дочерние клетки.
Строение клетки человека, ее свойства и функции в организме человека
Клетки человека: Depositphotos
Каково строение клетки человека и что нам о нем известно? Ученые сумели рассмотреть эту крохотную деталь нашего организма во всех подробностях и хорошо представляют, как она работает и что умеет. Познакомимся с удивительной жизнью клеток, триллионы которых образуют организм человека.
Строение клетки человека
Клетка человека представляет собой элементарную живую систему, основную структурную и функциональную единицу организма, которая может самообновляться, саморегулироваться и самовоспроизводиться.
Организм человека содержит десятки триллионов клеток, которые вместе образуют ткани и органы. Известны разные виды клеток человека: мозг, сердце и печень, например, состоят из специфических клеток.
Но все же общее строение клеток очень похоже, и именно на нем остановимся подробнее. Из чего состоит клетка? Структура клетки человека представлена компонентами.
Цитоплазматическая мембрана
Рассматривать строение клетки начинают с мембраны, так как она ее основа. Об этом компоненте клеток известно следующее:
Мембрана выполняет защитную функцию, регулирует обмен веществ между клеткой и окружающей средой, а также поддерживает ее форму.
Цитоплазма клетки человека
Это жидкая среда клетки, в которой находятся все органоиды и разнообразные включения. Основной ее компонент — вода. Это среда для протекания всех химических процессов. Также цитоплазма объединяет всю клетку в единое целое и служит полем для взаимосвязи всех компонентов.
Органоиды
Каждая из этих мельчайших деталей наделена важной функцией и бесперебойно ее выполняет.
Органоиды клетки человека: Freepick
Главный органоид — это ядро. Оно состоит из:
С помощью мембраны ядро отделено от цитоплазмы. Внутри оно наполнено ядерным соком (кариоплазмой). Ядрышко необходимо для процесса синтеза белка. Самая сокровенная часть ядра — это хромосомы, ДНК с записью всей наследственной информации.
Стоит отметить, что количество хромосом разное у каждого вида и никак не связано со сложностью его организации. Так, человеческая клетка содержит 46 хромосом, клетка шимпанзе — 48, собаки — 78.
Клеточное ядро сохраняет наследственную информацию о клетке, передает ее дочерним клеткам во время деления, реализовывает наследственную информацию путем синтеза белков, которые характерны для данной клетки.
Кроме ядра, клетка организма содержит:
В отдельных группах клеток присутствуют органоиды специального назначения. К ним относятся:
Также клетки могут постоянно или временно содержать ряд включений:
Все это умещается в 3–4 микрометре (мкм) — таков средний размер человеческой клетки!
Клетка человека: свойства
Прежде чем рассмотреть функции клетки и ее свойства, обратим внимание на состав клетки человека.
Состав клетки человека
Разобраться в свойствах клетки поможет знание ее состава:
Свойства
Клетки человека наделены следующими свойствами:
Процесс деления клеток человека: Freepick
Размножение
Одно из важнейших и ключевых свойств всех клеток — их способность к делению, благодаря которой организм растет, а старые клетки заменяются новыми.
Размножаются клетки в организме человека непрямым делением. В результате у дочерней клетки сохраняется хромосомный набор, идентичный материнскому. Именно хромосомы содержат всю информацию о наследственных свойствах данного организма и передают ее.
Процесс размножения состоит из нескольких стадий:
Таково базовое строение клетки человека. Это совершенно крохотный и удивительный микромир, который богат органоидами и различными веществами. В нем происходят сложнейшие процессы, благодаря которым мы живем.
Узнавайте обо всем первыми
Подпишитесь и узнавайте о свежих новостях Казахстана, фото, видео и других эксклюзивах.
Для чего нужно ядро в клетке человека
Основные положения:
• Ядро является самой крупной клеточной органеллой и ограничено оболочкой, состоящей из двух мембран
• Часть ядра занимает генетический материал
• Ядерные поры служат средством транспорта больших молекул через ядерную оболочку, обеспечивая вход их в ядро и выход из него
Как показано на рисунке, ядро обычно представляет собой самый крупный видимый компартмент эукариотической клетки, содержит почти весь ее генетический материал (фактически весь, за исключением небольшого числа генов, присутствующих в митохондриях и хлоропластах).
Размеры ядра зависят от количества содержащейся в нем ДНК. Поэтому занимаемый им объем широко варьирует; обычно для клеток дрожжей он составляет 1-2% от всего объема клетки, а для большинства соматических клеток животных около 10% (В зависимости от типа организма и клеток ядро выглядит по-разному). Генетический материал образует массу, называемую хроматин, который занимает часть ядра.
Поскольку небольшие молекулы свободно перемещаются между цитозолем и ядром, то водная среда в компартментах имеет одинаковый состав. Однако вещества с молекулярной массой, превышающей примерно 40 000 Д (что соответствует небольшим белкам), могут поступать в ядро и выходить из него только при участии системы транспорта через комплексы ядерных пор, которые закреплены в оболочке ядра.
Хотя часть клетки, которую занимает ядро, для разных клеток различна,
в эукариотической клетке обычно оно представляет собой наиболее заметный внутриклеточный компартмент.
Поры ядерной оболочки наиболее заметны при исследовании ядра в электронном микроскопе (Ядерные поровые комплексы представляют собой симметричные каналы). Каждый комплекс имеет центральный канал, через который осуществляется импорт и экспорт молекул, по размерам превышающим предел, при котором возможна их свободная диффузия. Эти каналы обеспечивают различное содержание белков и других больших молекул в ядре и цитоплазме клетки.
В ядре находятся более мелкие компартменты, которые обладают специальными функциями, хотя они и не ограничены мембранами (Ядро содержит субкомпартменты, которые не окружены мембраной). Основным субкомпартментом в ядре является ядрышко, видимое в световом микроскопе. В ядрышке происходит синтез рибосомальных РНК и сборка субъединиц рибосом.
Зачем клеткам эукариот нужно ядро? Ядро защищает ДНК и обеспечивает клетке возможность сконцентрировать регуляторные белки и ферменты репарации в одном месте. Геном человека в 750 раз превышает геном Е. coli, и, таким образом, каждая определенная последовательность ДНК занимает, соответственно, меньшую часть генома. Различные регуляторные белки должны присутствовать в больших концентрациях для того, чтобы они могли найти свои мишени.
Это облегчается тем, что структура-мишень (например, геном) и регуляторные белки сосредоточены в небольшой части клетки (например, в ядре). Ядро также обеспечивает большую степень защиты генома от случайных повреждающих воздействий.
Ядро окружено оболочкой, состоящей из наружной и внутренней мембран.
Мембраны разделены люменом, переходящим в люмен эндоплазматического ретикулкума.
Наличие в клетке ядра имеет важные последствия. На рисунке ниже показано, что транспорт макромолекул между ядром и цитоплазмой носит двухсторонний характер. Все необходимые ядру белки (включая белки репликации и транскрипции) должны поступать из цитоплазмы. В то же время иРНК транскрибируются в ядре, но должны выходить в цитоплазму, где происходит синтез белка. Эта картина полностью отлична от характерной для клеток прокариот, у которых процессы транскрипции и трансляции сопряжены друг с другом, т. е. происходят в одно время и в одном месте.
Регуляция транспорта молекул в ядро и их выхода из него представляет собой один из важнейших регуляторных механизмов.
В качестве иллюстрации другого крайнего случая назовем некоторые дифференцированные клетки, например зрелые эритроциты млекопитающих, у которых отсутствует ядро. (В подтверждение того, что они все-таки являются клетками, заметим, что эритроциты представляют собой продукты терминальной дифференцировки, которые произошли из клеток.)
РНК транспортируется из ядра в цитоплазму,
а белки транспортируются в ядро (иногда они снова выходят из ядра).
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Клеточное ядро
Ядро (лат. nucleus ) — это один из структурных компонентов эукариотической клетки, содержащий генетическую информацию (молекулы ДНК), осуществляющий основные функции: хранение, передача и реализация наследственной информации с обеспечением синтеза белка. Ядро состоит из хромати́на, я́дрышка, кариопла́змы (или нуклеоплазмы) и ядерной оболочки. В клеточном ядре происходит репликация (или редуплика́ция) — удвоение молекул ДНК, а также транскрипция — синтез молекул РНК на молекуле ДНК. Синтезированные в ядре молекулы РНК модифицируются, после чего выходят в цитоплазму. Образование обеих субъединиц рибосом происходит в специальных образованиях клеточного ядра — ядрышках. Таким образом, ядро клетки является не только вместилищем генетической информации, но и местом, где этот материал функционирует и воспроизводится.
Содержание
Тонкая структура клеточного ядра
Хроматин
Нить ДНК с нуклеосомами образует нерегулярную соленоид-подобную структуру толщиной около 30 нанометров, так называемую 30 нм фибриллу. Дальнейшая упаковка этой фибриллы может иметь различную плотность. Если хроматин упакован плотно, его называют конденсированным или гетерохроматином, он хорошо видим под микроскопом. ДНК, находящаяся в гетерохроматине, не транскрибируется, обычно это состояние характерно для незначимых или молчащих участков. В интерфазе гетерохроматин обычно располагается по периферии ядра (пристеночный гетерохроматин). Полная конденсация хромосом происходит перед делением клетки. Если хроматин упакован неплотно, его называют эу- или интерхроматином. Этот вид хроматина гораздо менее плотный при наблюдении под микроскопом и обычно характеризуется наличием транскрипционной активности. Плотность упаковки хроматина во многом определяется модификациями гистонов — ацетилированием и фосфорилированием.
Считается, что в ядре существуют так называемые функциональные домены хроматина(ДНК одного домена содержит приблизительно 30 тысяч пар оснований), то есть каждый участок хромосомы имеет собственную «территорию». К сожалению, вопрос пространственного распределения хроматина в ядре изучен пока недостаточно. Известно, что теломерные (концевые) и центромерные (отвечающие за связывание сестринских хроматид в митозе) участки хромосом закреплены на белках ядерной ламины.
От цитоплазмы ядро отделено ядерной оболочкой, образованной за счёт расширения и слияния друг с другом цистерн эндоплазматической сети таким образом, что у ядра образовались двойные стенки за счёт окружающих его узких компартментов. Полость ядерной оболочки называется люменом или перинуклеарным пространством. Внутренняя поверхность ядерной оболочки подстилается ядерной ламиной, жёсткой белковой структурой, образованной белками-ламинами, к которой прикреплены нити хромосомной ДНК. Ламины прикрепляются к внутренней мембране ядерной оболочки при помощи заякоренных в ней трансмембранных белков — рецепторов ламинов. В некоторых местах внутренняя и внешняя мембраны ядерной оболочки сливаются и образуют так называемые ядерные поры, через которые происходит материальный обмен между ядром и цитоплазмой. Пора не является дыркой в ядре, а имеет сложную структуру, организованную несколькими десятками специализированных белков — нуклеопоринов. Под электронным микроскопом она видна как восемь связанных между собой белковых гранул с внешней и столько же с внутренней стороны ядерной оболочки.
Ядрышко
Ядрышко находится внутри ядра, и не имеет собственной мембранной оболочки, однако хорошо различимо под световым и электронным микроскопом. Основной функцией ядрышка является синтез рибосом. В геноме клетки имеются специальные участки, так называемые ядрышковые организаторы, содержащие гены рибосомной РНК (рРНК), вокруг которых и формируются ядрышки. В ядрышке происходит синтез рРНК РНК полимеразой I, ее созревание, сборка рибосомных субчастиц. В ядрышке локализуются белки, принимающие участие в этих процессах. Некоторые из этих белков имеют специальную последовательность — сигнал ядрышковой локализации (NoLS, от англ. Nucleolus Localization Signal). Следует отметить, самая высокая концентрация белка в клетке наблюдается именно в ядрышке. В этих структурах было локализовано около 600 видов различных белков, причем считается, что лишь небольшая их часть действительно необходима для осуществления ядрышковых функций, а остальные попадают туда неспецифически.
Под электронным микроскопом в ядрышке выделяют несколько субкомпартментов. Так называемые Фибриллярные центры окружены участками плотного фибриллярного компонента, где и происходит синтез рРНК. Снаружи от плотного фибриллярного компонента расположен гранулярный компонент, представляющий собой скопление созревающих рибосомных субчастиц.
Ядерный матрикс
Эволюционное значение клеточного ядра
Основное функциональное отличие клеток эукариот от клеток прокариот заключается в пространственном разграничении процессов транскрипции (синтеза матричной РНК) и трансляции (синтеза белка рибосомой), что дает в распоряжение эукариотической клетки новые инструменты регуляции биосинтеза и контроля качества мРНК.
В то время, как у прокариот мРНК начинает транслироваться еще до завершения ее синтеза РНК-полимеразой, мРНК эукариот претерпевает значительные модификации (так называемый процессинг), после чего экспортируется через ядерные поры в цитоплазму, и только после этого может вступить в трансляцию. Процессинг мРНК включает несколько элементов.
Из предшественника мРНК (пре-мРНК) в ходе процесса, называемого сплайсингом вырезаются интроны — незначащие участки, а значащие участки — экзоны соединяются друг с другом. Причем экзоны одной и той же пре-мРНК могут быть соединены несколькими разными способами (альтернативный сплайсинг), так что один предшественник может превращаться в зрелые мРНК нескольких разных видов. Таким образом, один ген может кодировать сразу несколько белков.
Кроме того, интрон-экзонная структура генома, практически невозможная у прокариот (так как рибосомы смогут транслировать незрелые мРНК), дает эукариотам определенную эволюционную мобильность. Учитывая протяженность интронных участков, рекомбинация между двумя генами зачастую сводится к обмену экзонами. Благодаря тому, что экзоны часто соответствуют функциональным доменам белка, участки получившегося в результате рекомбинации «гибрида», зачастую сохраняют свои функции. В то же время у прокариот рекомбинация между генами невозможна без разрыва в значащей части, что безусловно уменьшает шансы на то, что получившийся белок будет функционален.
Процессинг мРНК тесно сопряжен с синтезом этих молекул и необходим для контроля качества. Непроцессированная или не полностью процессированная мРНК не сможет выйти из ядра в цитоплазму или будет нестабильна и быстро деградирует. У прокариот нет таких механизмов контроля качества, и из-за этого прокариотические мРНК имеют меньший срок жизни — нельзя допустить, чтобы неправильно синтезированная молекула мРНК, если такая появится, транслировалась в течение долгого времени.
Происхождение ядра
Клеточное ядро является важнейшей чертой эукариотических организмов, отличающей их от прокариот и архей. Несмотря на значительный прогресс в цитологии и молекулярной биологии, происхождение ядра не выяснено и является предметом научных споров. Выдвинуто 4 основных гипотезы происхождения клеточного ядра, но ни одна из них не получила широкой поддержки. [1]
Гипотеза, известная как «синтропная модель», предполагает что ядро возникло в результате симбиотических взаимоотношений между археей и бактерией (ни археи, ни бактерии не имеют оформленных клеточных ядер). По этой гипотезе, симбиоз возник, когда древняя архея (сходная с современными метаногенными археями), проникла в бактерию (сходную с современными Миксобактериями). Впоследствии архея редуцировалась до клеточного ядра современных эукариот. Эта гипотеза аналогична практически доказанным теориям происхождения митохондрий и хлоропластов, которые возникли в результате эндосимбиоза прото-эукариот и аэробных бактерий. [2] Доказательством гипотезы является наличие одинаковых генов у эукариот и архей, в частности генов гистонов. Также миксобактерии быстро передвигаются, могут образовывать многоклеточные структуры и имеют киназы и G-белки, близкие к эукариотическим. [3]
Согласно второй гипотезе, прото-эукариотическая клетка эволюционировала из бактерии без стадии эндосимбиоза. Доказательством модели является существование современных бактерий из отряда Planctomycetes, которые имеют ядерные структуры с примитивными порами и другие клеточные компартменты, ограниченные мембранами (ничего похожего у других прокариот не обнаружено). [4]
Согласно гипотезе вирусного эукариогенеза, окруженное мембраной ядро, как и другие эукариотические элементы, произошли вследствие инфекции прокариотической клетки вирусом. Это предположение основывается на наличии общих черт у эукариот и некоторых вирусов, а именно геноме из линейных цепей ДНК, кэпировании мРНК и тесном связывании генома с белками (гистоны эукариот принимаются аналогами вирусных ДНК-связывающих белков). По одной версии, ядро возникло при фагоцитировании (поглощении) клеткой большого ДНК-содержащего вируса. [5] По другой версии, эукариоты произошли от древних архей, инфицированных поксвирусами. Это гипотеза основана на сходстве ДНК-полимеразы современных поксвирусов и эукариот. [6] [7] Также предполагается, что нерешенный вопрос о происхождении пола и полового размножения может быть связан с вирусным эукариогенезом. [8]
Наиболее новая гипотеза, названная экзомембранной гипотезой, утверждает, что ядро произошло от одиночной клетки, которая в процессе эволюции выработала вторую внешнюю клеточную мембрану; первичная клеточная мембрана после этого превратилась в ядерную мембрану, и в ней образовалась сложная система поровых структур (ядерных пор) для транспорта клеточных компонентов, синтезированных внутри ядра. [9]