Ядро и хроматин: как упакован геном и чем различаются клетки эукариот
У ядра есть оболочка с порами, хроматин и ядрышко; хромосомы не растворяются между делениями и не обязательно выглядят как буква X. Сопоставим ядерную организацию с устройством клеток растений, животных и грибов и отметим, что реально видно в световой микроскоп.
Федеральная программа · углублённый уровень · 10 класс
Строение и функции клетки
Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:
- Ядерная оболочка и поры
- Кариоплазма
- Хроматин и гистоны
- Нуклеосомы
- Ядрышко
- Ядерный белковый матрикс
- Территории хромосом в интерфазе
- Клеточные включения
- Сравнение растительной, животной и грибной клеток
- Лабораторное наблюдение клеток разных организмов
Как это устроено
Ядерная оболочка состоит из двух мембран и имеет поровые комплексы. Через них клетка регулирует перемещение белков и РНК между ядром и цитоплазмой. Внутри ядра находится кариоплазма, хроматин и ядрышки. Ядрышко связано с образованием рибосомных компонентов, но готовый белок не синтезируется в ядрышке вместо рибосомы. Отсутствие ядра у зрелого эритроцита млекопитающего — результат специализации, а не признак прокариотического происхождения этой клетки.
Хромосома в интерфазе существует как организованный хроматин. ДНК связана с гистонами, формирует нуклеосомы и крупномасштабные структуры. Территории хромосом в ядре обнаруживают специальными методами; они не являются жёсткими коробками без контактов. «Ядерный матрикс» — термин для описания белковой организации, но конкретные модели зависят от фиксации и метода: нельзя считать любой лабораторный рисунок прямой фотографией неизменного каркаса. Перед делением конденсация меняет вид хромосом, поэтому буква X — частный временный образ, а не постоянная форма хромосомы.
Растительные клетки обычно имеют целлюлозную стенку и пластиды в соответствующих тканях, грибные — стенку с хитином и не имеют фотосинтетических пластид, животные — не имеют клеточной стенки. Все три группы — эукариоты и имеют мембраны, цитоплазму, рибосомы и, за исключением специализированных клеток, ядро. Нельзя использовать один признак как абсолют для каждой клетки: корневая клетка растения не обязана содержать зелёный хлоропласт, а эритроцит млекопитающего утрачивает ядро. Сравнивают типичное строение, функцию ткани и возможные исключения.
Световой микроскоп позволяет рассмотреть общую форму клетки, стенку и иногда окрашенное ядро или хлоропласты, но не надёжно различить нуклеосомы, ядерные поры или большинство мелких пузырьков. Для таких объектов требуются специальные методы и контроль артефактов. Клеточные включения могут появляться и исчезать в зависимости от обмена; не следует подписывать каждую светлую область на снимке как «вакуоль» без информации об окрашивании и типе клетки. Сравнение препаратов должно учитывать масштаб, окраску и то, живой ли образец.
Словарь урока
Каждое понятие — с примером
- Ядро
Мембранный компартмент эукариотической клетки, содержащий большую часть её генома и регулирующий доступ молекул через ядерные поры.
Пример: В большинстве клеток листа растения ядро находится в цитоплазме, но зрелые эритроциты человека ядра не имеют.
- Ядерная оболочка
Две мембраны, ограничивающие ядро и связанные с системой эндоплазматической сети клетки.
Пример: Молекулы не проходят через оболочку просто как через отсутствующую границу; крупный обмен идёт через поры.
- Ядерная пора
Белковый комплекс в ядерной оболочке, регулирующий транспорт определённых молекул между ядром и цитоплазмой.
Пример: Подготовленная иРНК экспортируется из ядра через поровый комплекс для последующего считывания рибосомой.
- Кариоплазма
Внутренняя водная среда ядра вокруг хроматина и ядрышек, не тождественная цитозолю клетки.
Пример: Ферменты репликации работают в ядерной среде рядом с молекулами ДНК.
- Хроматин
Комплекс ДНК с белками и другими связанными молекулами, образующий материал эукариотических хромосом.
Пример: В интерфазе хроматин распределён в ядре не как набор постоянно видимых X-образных структур.
- Гистон
Белок определённых семейств, вокруг комплексов которого упаковывается ДНК эукариот и меняется её доступность.
Пример: Участок ДНК, обёрнутый вокруг гистонового комплекса, образует основу нуклеосомы.
- Нуклеосома
Повторяющаяся единица хроматина из участка ДНК вокруг гистонового комплекса и связанных с ним структурных элементов.
Пример: При изменении упаковки нуклеосом доступность участка ДНК для белков транскрипции может меняться.
- Ядрышко
Плотная область внутри ядра без собственной мембраны, связанная с образованием рРНК и сборкой предшественников рибосом.
Пример: На подходящем окрашенном препарате ядрышко может выглядеть как более тёмная область внутри ядра.
- Ядерный матрикс
Совокупность белковых структур и взаимодействий, поддерживающих организацию ядерного пространства; детали модели зависят от метода исследования.
Пример: При описании расположения геномных участков учитывают белковые связи и ограничения экспериментального метода.
- Хромосомная территория
Область интерфазного ядра, преимущественно занятая определённой хромосомой, хотя её участки могут взаимодействовать с другими областями.
Пример: Меченые зонды помогают увидеть, что хромосомы в интерфазе расположены не совершенно случайно.
- Клеточное включение
Непостоянное накопление вещества в клетке, отличаемое от органоида с устойчивой специальной организацией.
Пример: Крахмальное зерно в амилопласте или капля липида могут служить запасом вещества, но это не ядро клетки.
- Клеточная стенка гриба
Наружная прочная структура грибной клетки с хитином и другими полимерами, расположенная вне плазматической мембраны.
Пример: Грибную клетку нельзя назвать растительной лишь потому, что у обеих есть стенка.
- Клеточная стенка растения
Наружная структура растительной клетки с целлюлозным каркасом и другими компонентами, влияющая на форму и тургор.
Пример: Стенка клетки эпидермиса лука видна световым микроскопом лучше, чем её плазматическая мембрана.
Пример по шагам
На микрофотографии корневой клетки видна стенка и ядро, но нет зелёных хлоропластов. Значит ли это, что клетка не растительная?
- Корень обычно не освещается как лист и его клетки могут содержать другие формы пластид.
- Растительная природа подтверждается совокупностью признаков и происхождением ткани, а не наличием зелёного пигмента в каждой клетке.
- Ядро и стенка в целом совместимы с растительной клеткой, но для отличия от гриба нужны дополнительные сведения.
Вывод: Отсутствие зелёных хлоропластов в корне ожидаемо и не опровергает принадлежность клетки растению.
Практическая работа
Три клетки на одном масштабе
- Возьмите три готовых подписанных изображения растительной, животной и грибной клеток с масштабными линейками.
- Отдельно отметьте наблюдаемые стенку, ядро и пластиды; не заполняйте отсутствующие детали по памяти.
- Составьте таблицу общего и различий и для каждого признака запишите исключение или ограничение метода.
Что можно заключить: Сходство эукариотической организации сочетается с различиями стенки, пластид и специализированных тканей; наблюдение имеет предел разрешения.
Безопасность: Используйте только готовые препараты или разрешённые безопасные ткани под руководством учителя; не выращивайте плесневые культуры.
Практическая работа
Изучение строения клеток различных организмов
- Получите готовые подписанные микропрепараты или цифровые снимки бактериальной, растительной и животной клетки с масштабом и окраской.
- Для каждого объекта отдельно отметьте реально различимые границы, цитоплазму и видимые внутренние структуры; не рисуйте ядро бактерии или митохондрию там, где разрешения снимка недостаточно.
- Составьте таблицу «наблюдали / известно из других методов / не определили» и объясните, почему сходная форма на двух изображениях не доказывает одинаковую функцию.
Что можно заключить: Клетки сравнивают по проверенным признакам и масштабу; отсутствие видимого органоида на снимке не доказывает его отсутствия в клетке.
Безопасность: Работайте с готовыми препаратами; не выращивайте неизвестные бактерии и не готовьте мазки из слизистых оболочек или крови учащихся.
Попробуйте сами
Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.
Открываем задания…
Сверка содержания
Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.