Біологія. 9 клас. Шаламов

§ 11. Ядро

Ядро — характерна риса еукаріотичної клітини

Ми з вами побіжно розглянули різноманітні клітинні органели, які містяться в цитоплазмі. Настав час зазирнути у «святеє святих» клітини — клітинне ядро.

Уперше ядра помітив Левенгук у клітинах крові лосося як великі «гранули» всередині клітин. Потім шотландський ботанік Роберт Броун (саме на його честь назвали невпорядкований рух частинок речовин — броунівський) виявив подібні структури в пилку орхідей. З’ясувалося, що наявність ядра — універсальна властивість тваринних і рослинних клітин, а також клітин грибів і найпростіших. Ядро є і в білих кров’яних тільцях людини, і в клітинах листя соняшника, у клітинах печериці, у клітині амеби протея та інфузорії-туфельки. У бактерій ядра немає, але про це ми поговоримо вже у наступному параграфі.

Рис. 11.1. Ядра в живих клітинах ссавців (ДНК забарвлена)

Клітина, що ліворуч, ділиться.

Усі клітини тварин містять щонайменше одне ядро (рис. 11.1). Деякі «клітини» позбавлені ядер — як, наприклад, еритроцити (червоні кров’яні тільця) ссавців, нейрони найдрібніших комах, клітини рогових лусочок епідермісу. Проте в цих випадках коректніше називати їх не клітинами, а постклітинними структурами, що сформувалися зі звичайних клітин, які в той чи інший спосіб утратили ядро.

Ядро виконує в живій клітині найважливішу роль: воно є сховищем генетичної інформації, записаної в молекулах ДНК1. Також ядро виконує функцію захисту клітинної ДНК від нуклеїнових кислот цитоплазми та більшості вірусів2. Саме в ядрі відбувається утворення молекул РНК та проходять початкові етапи синтезу білка. У ядрі відбувається збирання рибосом — молекулярних машин, відповідальних за пізні етапи синтезу білка. Важливо також згадати, що в ядрі молекули ДНК упаковані дуже компактно й акуратно. Так, якщо витягти всю ядерну ДНК людини лише з однієї клітини, то вийде нитка приблизно 204 см завдовжки. Але в клітині людини вона упакована в ядрі, діаметр якого становить приблизно 5 мкм.

Компоненти будови ядра — оболонка, пори, хроматин, ядерце

Ядро має складну будову. Ззовні воно вкрите ядерною оболонкою, яка відокремлює ядро від цитоплазми (рис. 11.2). Ядерна оболонка двошарова і є безпосереднім продовженням ендоплазматичної сітки. Вона пронизана ядерними порами — ділянками, де зовнішня та внутрішня мембрани ядра переходять одна в одну. Проте ядерні пори — це не просто отвори в ядерній оболонці. Вони містять багато білків, організованих у комплекси ядерних пор — брами, що контролюють те, які молекули можуть входити у ядро й виходити з нього, а які — не можуть. Так, звичайні цитоплазматичні білки й РНК не можуть пройти крізь ядерну пору.

1 Як ви пам’ятаєте, не вся ДНК тваринної клітини розташована в ядрі: мітохондрії також містять власну ДНК, проте кількість ДНК у ядрі у багато разів більша, ніж у мітохондріях.

2 Деякі віруси, наприклад, вірус грипу та вірус імунодефіциту людини (ВІЛ), здатні діставатися ядра для здійснення свого життєвого циклу.

Рис. 11.2. Будова ядра

1. Ядерна оболонка. 2. Ядерна пора. 3. Ядерце. 4. Хроматин.

Проте якщо білок містить спеціальну сигнальну послідовність амінокислотних залишків — своєрідний «квиток» до ядра, то він може бути перенесений усередину крізь ядерну пору1.

Більша частина ядра заповнена хроматином — складним комплексом із ДНК і білків (у співвідношенні за масою приблизно 2 : 3). ДНК зберігається та функціонує в клітині саме в складі хроматину. Білки хроматину обслуговують потреби ДНК — упаковують її, захищають від ушкоджень, розривів, виправляють помилки, забезпечують її копіювання й утворення молекул РНК. Можна виокремити дві фракції хроматину: еухроматин і гетерохроматин. Гетерохроматин є «неактивним» хроматином, у якому процеси утворення РНК майже не відбуваються. Ділянками ж активного синтезу РНК є еухроматин — більш пухка частина хроматину. Співвідношення гетеро- та еухроматину варіюється від клітини до клітини. Так, якщо в клітині триває активний синтез РНК та білка, то її ядро багате на еухроматин, а коли клітина перебуває в неактивному стані, то її ядро ледь не повністю заповнено гетерохроматином.

У більшості ядер тваринних клітин можна виявити одну чи кілька щільних кулястих структур — ядерець. Ядерце — це особливий внутрішньоядерний комплекс, не обмежений мембраною. У ядерці відбувається важливий процес — формування рибосом. У ньому утворюється спеціальна рибосомальна РНК (яка там-таки вкривається рибосомальними білками) і відбувається збирання рибосом. Після цього готові рибосомні частинки залишають ядро крізь ядерні пори та готові стати до роботи й виконати своє безпосереднє завдання — синтезувати білок.

Хромосоми — органели, що містять ДНК

Ми з вами вже згадували, що ДНК у ядрі перебуває в складі хроматину — міцного комплексу з білком. У такій формі вона досить щільно спакована (рис. 11.3). Якщо розглянути будову хроматину на мікроскопічному рівні, то ви побачите, що він перебуває у вигляді нитки ДНК, намотаної на намистини білків. Такий ланцюжок із «намистин» перед клітинним поділом (докладніше в § 28) складається в більш хитромудру структуру з розеток і петель. Урешті-решт, уся молекула ДНК виявляється спакованою до великого, але компактного комплексу з білком — хромосоми (рис. 11.4).

Рис. 11.3. Упаковування ДНК

1. Подвійна спіраль ДНК. 2. Нуклеосомна нитка. 3. Фібрила 30 нм. 4. Петлі. 5. Хроматида. 6. Хромосома.

1 Маленькі білки, як правило, можуть потрапляти до ядра і без спеціальної послідовності амінокислотних залишків.

Рис. 11.4. Будова хромосоми

Хромосоми мають паличкоподібну структуру. Класична хромосома ссавців має таку будову: це паличка, на кінцях якої розташовані теломери — ділянки хроматину, відповідальні за підтримку довжини хромосоми. Посередині є перетяжка — центромера, що забезпечує правильний розподіл хромосом у процесі поділу клітини. Перетяжка розділяє хромосому на два плеча. Плечі бувають різної довжини, цим хромосоми відрізняються одна від одної. Іноді ви можете бачити іншу схему хромосоми — у вигляді літери Х. Така хромосома є здвоєною: вона складається з двох ідентичних хромосом, об’єднаних у ділянці центромери. У цьому випадку хромосоми-копії називають хроматидами. Саме в такій Х-подібній формі хромосоми перебувають на початку клітинного поділу.

Каріотип — сукупність хромосом

Кількість хромосом у ядрі може варіюватися (рис. 11.5). Так, у ядрах клітин чорного мурахи-бульдога лише по дві хромосоми, тоді як у річкового рака — 176. Рекордсменом за кількістю хромосом серед багатоклітинних організмів є папороть вужачка — у її клітинах міститься 1440 хромосом. Порівняно з цими організмами кількість хромосом у людини невелика: у ядрі наших клітин міститься 46 хромосом. Кількість хромосом ніяк не пов’язана зі складністю організму чи його систематичним положенням. Навіть у близькоспоріднених організмів вона може відрізнятися: у карликового оленя китайського мунтжака їх 46, а у спорідненого з ним індійського мунтжака — лише 61.

Сукупність усіх хромосом ядра називають каріотипом (від грец. karion — ядро). Хромосоми, що містяться в ядрі, відрізняються одна від одної. Якщо вони всі різні, то такий набір хромосом називають гаплоїдним (від грец. haploos — поодинокий): у ньому кожна хромосома унікальна, представлена тільки один раз. У клітинах дорослих тварин зазвичай кожна хромосома наявна у вигляді двох копій: такий набір хромосом називають диплоїдним (від грец. diploos — подвійний).

Рис. 11.5. Кількість хромосом у різних організмів

1 Це в самиці індійського мунтжака, у самця є одна додаткова хромосома, тобто разом їх у нього 7.

Рис. 11.6. Каріотип людини

Фарбування здійснено методом флуоресцентної гібридизації (докладніше про метод у § 39).

Диплоїдний набір хромосом людини становить 46 хромосом, гаплоїдний, відповідно, — 23. На рисунку 11.6 наведено диплоїдний каріотип людини: хромосоми відрізняються своїми розмірами та будовою. Особливу увагу треба звернути на останню, 23-тю пару хромосом — статеві хромосоми. У жінок є дві так звані Х-хромосоми (як на рисунку), а в чоловіків — одна Х-хромосома та одна маленька Y-хромосома. Решту — нестатеві хромосоми — називають аутосоми.

Деякі живі організми мають три або більше повних наборів хромосом. Такий набір хромосом називається поліплоїдним. Поліплоїдні ядра доволі поширені серед рослин, а також серед риб та амфібій1. Каріотип є видоспецифічною ознакою2. Зміна кількості хромосом у каріотипі може бути причиною спадкових геномних захворювань. Так, наявність трьох хромосом 21-ї пари в каріотипі людини призводить до розвитку синдрому Дауна (докладніше в § 37).

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1. Ядра немає у

  • А клітинах плодового тіла білого гриба
  • Б еритроцитах жаби
  • В клітинах плодів огірка
  • Г клітинах збудника малярії
  • Д клітинах збудника туберкульозу

2. В організмі людини ядер немає в таких структурах, як

  • А білі кров’яні клітини
  • Б клітини печінки
  • В клітини серцевого м’яза
  • Г кров’яні пластинки (тромбоцити)
  • Д світлосприймальні клітини сітківки (колбочки та палички)

3. Ядерне походження має

  • А рибосома
  • Б мітохондрія
  • В комплекс Гольджі
  • Г лізосома
  • Д хлоропласт

1 Іноді навіть різні тканини одного організму містять різну кількість гаплоїдних наборів хромосом. Так, у ядрах клітин печінки та серця дорослої людини є чотири гаплоїдні набори хромосом.

2 Хоча з цього правила є винятки. Найяскравіший приклад — чорний пацюк, різні підвиди якого мають 38, 40 та 42 хромосоми в диплоїдному наборі.

4. На рисунку зображено каріотип

  • А людини — жінки
  • Б людини — чоловіка
  • В індійського мунтжака — самиці
  • Г індійського мунтжака — самця
  • Д річкового рака

5. Каріотип чоловіка від каріотипу жінки відрізняється

  • А однією хромосомою
  • Б двома хромосомами
  • В двадцятьма двома парами хромосом
  • Г двадцятьма трьома парами хромосом
  • Д кількістю хромосом

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6. Схарактеризуйте будову ядерної оболонки. Які функції вона виконує? Як реалізуються ядерно-цитоплазматичні відносини і в чому їхня біологічна роль?

7. Ендоплазматичний ретикулум переходить у зовнішню мембрану ядра в багатьох місцях. Таким чином, простір між внутрішньою та зовнішньою ядерними мембранами виявляється пов’язаним із цистернами ЕПР. Чи можна цей простір віднести до вакуому клітини? Припустіть, що спільного та що відмінного в складі та функціях цього простору та простору ЕПР.

8. Ядерні порові комплекси — брами, що контролюють, які молекули можуть входити в ядро та виходити з нього, а які — ні. Поміркуйте, які молекули та навіщо повинні проникати в ядро, а які — не повинні.

9. Більша частина ядра заповнена хроматином. Що це за речовина? Як змінюється структура хроматину під час переходу клітини до поділу?

10. Що таке каріотип? Певний каріотип характерний для кожного індивіда чи для виду загалом? Чи спостерігаються в природі зміни каріотипу?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11. Із цього параграфа ти знаєш, що в хромосомі виокремлюють різні структурні ділянки: теломери, центромери, плечі. Які особливості будови та яка біологічна роль цих частин хромосоми?

12. Ти знаєш, що не всі клітини людини мають одне ядро: деякі мають два чи більше ядер, а деякі не мають їх взагалі. Наведи приклади таких «дивних» клітин і в кожному випадку поясни причину такої «ексклюзивності».

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

13. Хроматин є комплексом ДНК і білків. Які ж білки входять до складу хроматину та яка їхня біологічна роль?

14. Чим відрізняється ДНК ядра від ДНК мітохондрій? Спробуй дати відповідь з погляду структури та функцій.