Ядро клетки: хроматин, хромосомы и регуляция работы генов
Разберём части ядра, упаковку ДНК и почему хромосому нельзя считать отдельным геном или всегда видимой X-образной палочкой.
Федеральная программа · базовый уровень · 10 класс
Химический состав и строение клетки
Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:
- Ядерная оболочка и поры
- Кариоплазма и хроматин
- Ядрышко и рибосомные компоненты
- Хромосомы и упаковка ДНК
- Роль ядра в регуляции клеточных процессов
Как это устроено
Большая часть ядерной ДНК эукариот размещается внутри двойной оболочки, связанной с мембранной системой клетки. Поры не являются просто дырками: комплексы регулируют прохождение крупных молекул. В ядре синтезируются и обрабатываются разные РНК, а готовые части рибосом затем перемещаются в цитоплазму. Однако синтез белка на рибосомах обычно происходит вне ядра, и ядро не единственное место клеточной регуляции.
Хроматин — ДНК вместе с белками, а не отдельное вещество, превращающееся в ДНК. Хромосомы существуют на протяжении клеточного цикла, хотя особенно различимы при делении, когда они уплотнены. Знаменитая X-образная хромосома — состояние после копирования ДНК и до разделения сестринских хроматид; в другой момент хромосома имеет одну хроматиду и иную форму. Поэтому число хромосом и число молекул ДНК не всегда совпадают.
Доступность участка ДНК и работа регуляторных молекул влияют на то, какие гены используются в клетке. Это помогает объяснить, почему нейрон и клетка эпителия выполняют разные функции при почти одинаковом наследственном наборе. Но нельзя свести судьбу клетки к одной «включённой кнопке» в ядре: сигналы, состояние хроматина, цитоплазма и окружающие клетки влияют совместно.
Ядрышко участвует в образовании рибосомных субъединиц, но не является рибосомой и не отделено собственной мембраной. Некоторые зрелые специализированные клетки животных, например эритроциты млекопитающих, теряют ядро в ходе развития; это не отменяет эукариотическую принадлежность организма. Митохондрии и пластиды тоже могут содержать ДНК, поэтому фраза «вся ДНК эукариотической клетки находится только в ядре» неверна.
Словарь урока
Каждое понятие — с примером
- Ядро
Ограниченный оболочкой компартмент эукариотической клетки, где находится большая часть её хромосомной ДНК и проходят важные этапы работы генов.
Пример: В ядре растительной клетки транскрибируются участки ДНК, прежде чем продукты РНК участвуют в работе клетки.
- Ядерная оболочка
Двойная мембранная граница ядра с организованными ядерными порами, отделяющая содержимое ядра от цитоплазмы.
Пример: Через поровые комплексы некоторые молекулы РНК выводятся из ядра.
- Ядерная пора
Большой белковый комплекс в ядерной оболочке, регулирующий перемещение определённых молекул между ядром и цитоплазмой.
Пример: Транспортные белки помогают переносить нужные регуляторы в ядро через поровый комплекс.
- Кариоплазма
Внутренняя среда ядра, содержащая воду, ионы, белки, молекулы РНК и расположенные в ней ядерные структуры.
Пример: Хроматин находится в кариоплазме, но не составляет её целиком.
- Хроматин
Комплекс ДНК с белками и другими связанными компонентами в ядре, степень упаковки и доступность которого меняются в клеточном цикле.
Пример: При подготовке к делению участки хроматина становятся более плотно упакованными и видимыми как хромосомы.
- Хромосома
Организованная структура из одной непрерывной молекулы ДНК и связанных с ней белков у типичных ядерных хромосом эукариот, форма которой зависит от стадии клеточного цикла.
Пример: После репликации хромосома может иметь две сестринские хроматиды, но до неё — одну.
- Хроматида
Одна из двух копий реплицированной хромосомы до их разделения при делении клетки, состоящая из молекулы ДНК с белками.
Пример: На метафазной схеме две сестринские хроматиды связаны в области центромеры.
- Центромера
Область хромосомы, важная для соединения сестринских хроматид и прикрепления аппарата распределения хромосом при делении.
Пример: При митозе кинетохор формируется в области центромеры для взаимодействия с микротрубочками.
- Ядрышко
Область внутри ядра, где активно синтезируется часть рибосомной РНК и собираются предшественники рибосомных субъединиц.
Пример: Выраженное ядрышко может быть видно в клетке с активным образованием рибосомных компонентов.
- Экспрессия гена
Использование информации гена для образования функционального продукта, которым может быть РНК или белок, с регуляцией на нескольких этапах.
Пример: Разные клетки одного организма могут иметь почти одинаковую ДНК, но экспрессировать разные наборы генов.
Пример по шагам
Ученик говорит: «На рисунке хромосома выглядит как X, значит в ней два гена и две хромосомы». Где ошибки?
- X-образная форма обычно изображает одну реплицированную хромосому из двух сестринских хроматид.
- Каждая хроматида содержит одну длинную молекулу ДНК с множеством генов и иных участков, а не один ген.
- После разделения хроматиды становятся самостоятельными хромосомами дочерних клеток; подсчёт зависит от стадии деления.
Вывод: Форма на схеме отражает стадию клеточного цикла, а не постоянный вид хромосомы и не число генов.
Практическая работа
Два состояния одной хромосомы на модели
- На готовой схеме покажите нереплицированную хромосому и состояние после репликации с двумя сестринскими хроматидами.
- Подпишите ДНК, белки, центромерную область и объясните, почему число молекул ДНК изменилось, а школьный счёт хромосом до разделения — нет.
- Сравните фотографию интерфазного ядра и метафазной пластинки, указав, что метод окрашивания и стадия влияют на видимость.
Что можно заключить: Термины «хроматин», «хромосома», «хроматида» описывают связанные, но не тождественные структуры и состояния.
Безопасность: Используйте готовые фотографии и модели; не подготавливайте самостоятельно человеческие клетки или опасные красители.
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.