У животной клетки ядро обычно расположено в её центре, а у растительной, как правило, находится на периферии клетки. Содержимое ядра называется кариоплазмой. В ней располагается хроматин и ядрышки. Хроматин – это ДНК, связанная с белками. Перед делением клетки ДНК плотно скручивается, образуя хромосомы, а ядерные белки – гистоны – необходимы для правильной укладки ДНК, в результате которой объём, занимаемый ДНК, во много раз уменьшается. В растянутом виде длина хромосомы человека может достигать 5 см.
Рис. 25. Фагоцитоз. Амёба, поглощающая эвглену
Каждая хромосома образована одной молекулой ДНК. Во время метафазы под микроскопом хромосомы выглядят как удлинённые палочковидные тельца, состоящие из двух плеч, разделённых центромерой (рис. 26).
Если рассмотреть содержимое клеточного ядра в промежутке между делениями (в интерфазе), то окажется, что нити хроматина раскручены, так как только в таком состоянии могут функционировать гены – участки ДНК, которые кодируют структуру какого-либо белка.
Часть молекул ДНК участвует в синтезе рибосомальной РНК (рРНК). Участки таких молекул ДНК образуют петли, которые сближаются и формируют так называемые ядрышки. В них происходит синтез рРНК и сборка субъединиц рибосом, которые затем проходят через ядерные поры в цитоплазму и формируют целые рибосомы, которые осуществляют синтез белков. В одной клетке может функционировать от одного до семи ядрышек.
Хромосомный набор клетки (кариотип). Набор хромосом, содержащийся в клетках какого-либо вида живых существ, называется кариотипом. Кариотип неповторим, и даже если число хромосом в клетках каких-то двух видов будет одинаковым (например, у картофеля и шимпанзе по 48 хромосом в клетке), то форма и строение этих хромосом всё равно будут различными.
Клетки, составляющие ткани любого многоклеточного организма, получили название соматических. Ядра таких клеток содержат, как правило, двойной, или диплоидный, набор хромосом, т. е. по две хромосомы одинакового вида (рис. 27). Исходно половина хромосом досталась каждой клетке от материнской яйцеклетки и столько же хромосом – от сперматозоида отца. Парные, т. е. абсолютно одинаковые хромосомы (одна от матери, другая от отца), получили название гомологичных хромосом. Исключение представляют половые хромосомы; например, у всех млекопитающих это: X – доставшаяся от матери и одна из двух – X или Y – доставшаяся от отца.
Рис. 26. Строение хромосомы
Рис. 27. Кариотип человека (набор хромосом мужчины)
Гаплоидный набор хромосом – это набор различных по размерам и форме хромосом клеток данного вида, но каждая хромосома представлена, в отличие от диплоидного набора, в единственном числе. Гаплоидный набор содержится в ядрах половых клеток (гамет). Если у пчелы диплоидный набор – 32 хромосомы, то гаплоидный соответственно – 16.
В интерфазе клеточного деления каждая хромосома удваивается и состоит из двух хроматид. При этом у человека в соматических клетках будет 92 хроматиды, попарно соединенные в 46 хромосом.
Цитоплазматическая мембрана. Эндоцитоз. Экзоцитоз. Ядро. Хроматин. Ядрышки. Кариоплазма. Кариотип. Хромосомы. Гомологичные хромосомы. Диплоидный и гаплоидный наборы хромосом.
1. Какое строение имеет мембрана клетки? Какие функции она выполняет?
2. Каково строение ядерной оболочки?
3. Какова функция ядра в клетке?
4. Что представляет собой хроматин?
5. Сколько молекул ДНК образуют одну хромосому?
6. Какую функцию выполняют ядрышки?
7. Какие клетки имеют не одно ядро, а несколько ядер?
8. Какие клетки не имеют ядер?
Роль ядра в клетке можно продемонстрировать в следующем опыте. Клетку амёбы разделяют на две части, в одной из которых содержится ядро, а другая, естественно, оказывается без ядра. Первая часть быстро оправляется от травмы, питается, растёт, начинает делиться. Вторая же часть существует несколько дней, а затем погибает. Но если в неё ввести ядро от другой амебы, то она быстро восстанавливается в нормальный организм, который способен выполнять все жизненные функции амебы.
§ 15. Строение клетки. Цитоплазма. Клеточный центр. Рибосомы
1. Приведите примеры живых существ, клетки которых способны сохранять постоянную форму.
2. Каковы функции рибосом?
3. Что такое цитоплазма?
Ядро управляет всеми процессами жизнедеятельности клетки. Эти процессы многообразны и сложны: клетка должна поддерживать свою форму, получать извне вещества для пластического и энергетического обмена, синтезировать органические вещества. Кроме того, любая клетка многоклеточного организма живёт не только и не столько «для себя», но обязательно выполняет какие-то функции, необходимые для нормальной жизни всего многоклеточного организма. Поэтому каждая клетка представляет собой сложнейшую биохимическую «фабрику», во много раз более совершенную, чем любой созданный руками человека механизм или завод. И все эти многочисленные биохимические реакции протекают в цитоплазме и в органоидах клетки.
Цитоплазма клетки. Раньше полагали, что цитоплазма представляет собой что-то вроде киселя, содержащего необходимые для клетки питательные вещества и являющегося «материальной базой» для органоидов. Однако строение цитоплазмы оказалось намного сложнее. Основное вещество цитоплазмы получило название гиалоплазмы. Она представляет собой густой бесцветный коллоидный раствор. Основа гиалоплазмы – вода (70–90 % от массы), в ней много белков, обнаруживаются также липиды и различные неорганические соединения. В гиалоплазме протекают процессы обмена веществ в клетке, через неё происходит взаимодействие ядра и органоидов. Цитоплазма постоянно перемещается внутри клетки, что хорошо заметно по движению органоидов. У всех эукариот в цитоплазме имеется сложная опорная система – цитоскелет. Он состоит из трёх элементов: микротрубочек, промежуточных филаментов и микрофиламентов.
Микротрубочки пронизывают всю цитоплазму и представляют собой полые трубки диаметром 20–30 нм. Их стенки образованы специально закрученными нитями, построенными из белка тубулина. Сборка микротрубочек из тубулина происходит в клеточном центре (рис. 28). Микротрубочки прочны и образуют опорную основу цитоскелета. Часто они располагаются таким образом, чтобы противодействовать растяжению и сжатию клетки. Кроме механической функции, микротрубочки выполняют также и транспортную функцию, участвуя в переносе по цитоплазме различных веществ.
Промежуточные филаменты имеют толщину около 10 нм и также имеют белковую природу. Их функции в настоящий момент изучены недостаточно.
Микрофиламенты – белковые нити диаметром всего 4 нм. Их основа – белок актин. Иногда нити актина группируются в пучки. Микрофиламенты чаще всего располагаются вблизи от плазматической мембраны и способны менять её форму, что очень важно, например, для процессов фагоцитоза и пиноцитоза.
Таким образом, цитоплазма пронизана структурами цитоскелета, поддерживающими форму клетки и обеспечивающими внутриклеточный транспорт. Цитоскелет может быстро «разбираться» и «собираться». Когда он собран, то по его структурам с помощью специальных белков могут перемещаться органоиды, попадая в те места клетки, где они нужны в данный момент.
Клеточный центр (центросома). Он расположен в цитоплазме вблизи от ядра и образован двумя центриолями – цилиндрами, расположенными перпендикулярно друг к другу (рис. 29). Диаметр каждой центриоли 150–250 нм, а длина – 300–500 нм. Стенка каждой центриоли состоит из девяти комплексов микротрубочек, а каждый комплекс (или триплет), в свою очередь, построен из трёх микротрубочек. Триплеты центриоли соединены между собой рядом связок. Основной белок, образующий центриоли, – тубулин.
Рис. 28. Строение микротрубочки: 1 – тубулиновые субъединицы; 2 – белки; 3 – перемещаемые частицы
Рис. 29. Строение клеточного центра: А – расположение клеточного центра в клетке вблизи ядра; Б – схема строения центриоли; В – центриоль на поперечном срезе
Рис. 30. Строение рибосомы: 1 – малая субъединица; 2 – иРНК; 3 – тРНК; 4 – аминокислота; 5 – большая субъединица; 6 – мембрана эндоплазматической сети; 7 – полипептидная цепь
В область клеточного центра по цитоплазме транспортируется тубулин. Здесь из этого белка собираются элементы цитоскелета. Уже в собранном виде они направляются в различные участки цитоплазмы, где и выполняют свои функции.