Структурата и функциите на клетката са претърпели редица промени в хода на еволюцията. Появата на нови органели е предшествана от трансформации в атмосферата и литосферата на младата планета. Едно от значимите придобивки беше клетъчното ядро. Еукариотните организми получават, поради наличието на отделни органели, значителни предимства пред прокариотите и бързо започват да доминират.
Клетъчното ядро, чиято структура и функции са малко различни в различните тъкани и органи, подобри качеството на биосинтеза на РНК и предаването на наследствена информация.
Произход
Към днешна дата има две основни хипотези за образуването на еукариотна клетка. Според симбиотичната теория органелите (като флагели или митохондрии) някога са били отделни прокариотни организми. Предците на съвременните еукариоти са ги поглъщали. Резултатът беше симбиотичен организъм.
Ядрото се образува в резултат на изпъкналост навътреучастък от цитоплазмената мембрана. Това беше необходимо придобиване по пътя към овладяването на нов начин на хранене, фагоцитоза, от клетката. Улавянето на храна е придружено от повишаване на степента на цитоплазмена мобилност. Генофорите, които са генетичен материал на прокариотна клетка и са прикрепени към стените, попадат в зона на силен "поток" и се нуждаят от защита. В резултат на това се образува дълбока инвагинация на участък от мембраната, съдържащ прикрепени генофори. Тази хипотеза се подкрепя от факта, че обвивката на ядрото е неразривно свързана с цитоплазмената мембрана на клетката.
Има друга версия на развитието на събитията. Според вирусната хипотеза за произхода на ядрото, то се е образувало в резултат на инфекция на древна архейска клетка. ДНК вирус прониква в него и постепенно получава пълен контрол над жизнените процеси. Учените, които смятат тази теория за по-правилна, дават много аргументи в нейна полза. Към днешна дата обаче няма убедителни доказателства за нито една от съществуващите хипотези.
Едно или повече
Повечето клетки на съвременните еукариоти имат ядро. По-голямата част от тях съдържат само една такава органела. Има обаче клетки, които са загубили ядрото поради някои функционални характеристики. Те включват например еритроцитите. Има и клетки с две (реснички) и дори няколко ядра.
Структура на клетъчното ядро
Независимо от характеристиките на организма, структурата на ядрото се характеризира с набор от типичниорганели. Той е отделен от вътрешното пространство на клетката с двойна мембрана. На места вътрешният и външният му слой се сливат, образувайки пори. Тяхната функция е да обменят вещества между цитоплазмата и ядрото.
Пространството на органелите е изпълнено с кариоплазма, наричана още ядрен сок или нуклеоплазма. Съдържа хроматин и ядро. Понякога последната от посочените органели на клетъчното ядро не присъства в нито едно копие. В някои организми, нуклеоли, напротив, липсват.
Мембрана
Ядрената мембрана е образувана от липиди и се състои от два слоя: външен и вътрешен. Всъщност това е същата клетъчна мембрана. Ядрото комуникира с каналите на ендоплазмения ретикулум през перинуклеарното пространство, кухина, образувана от два слоя на мембраната.
Външната и вътрешната мембрани имат свои собствени структурни характеристики, но като цяло са доста сходни.
Най-близо до цитоплазмата
Външният слой преминава в мембраната на ендоплазмения ретикулум. Основната му разлика от последния е значително по-високата концентрация на протеини в структурата. Мембраната в пряк контакт с цитоплазмата на клетката е покрита със слой рибозоми отвън. Той е свързан с вътрешната мембрана чрез множество пори, които са доста големи протеинови комплекси.
Вътрешен слой
Мембраната, обърната към клетъчното ядро, за разлика от външната, е гладка, не е покрита с рибозоми. Ограничава кариоплазмата. Характерна особеност на вътрешната мембрана е слой от ядрена ламина, облицоващ я отстрани,в контакт с нуклеоплазмата. Тази специфична протеинова структура поддържа формата на обвивката, участва в регулирането на генната експресия и също така насърчава прикрепването на хроматин към ядрената мембрана.
Метаболизъм
Взаимодействието на ядрото и цитоплазмата се осъществява чрез ядрени пори. Те са доста сложни структури, образувани от 30 протеина. Броят на порите на едно ядро може да бъде различен. Зависи от вида на клетката, органа и организма. И така, при хората клетъчното ядро може да има от 3 до 5 хиляди пори, при някои жаби достига до 50 000.
Основната функция на порите е обменът на вещества между ядрото и останалата част от клетъчното пространство. Някои молекули преминават през порите пасивно, без допълнителен разход на енергия. Те са малки по размер. Транспортирането на големи молекули и супрамолекулни комплекси изисква консумация на определено количество енергия.
РНК молекули, синтезирани в ядрото, попадат в клетката от кариоплазмата. Протеините, необходими за вътрешноядрените процеси, се транспортират в обратна посока.
Нуклеоплазма
Ядреният сок е колоиден разтвор на протеини. Той е ограничен от ядрената обвивка и заобикаля хроматина и ядрото. Нуклеоплазмата е вискозна течност, в която са разтворени различни вещества. Те включват нуклеотиди и ензими. Първите са от съществено значение за синтеза на ДНК. Ензимите участват в транскрипцията, както и възстановяването и репликацията на ДНК.
Структурата на ядрения сок се променя в зависимост от състоянието на клетката. Има две от тях - стационарни ивъзникващи по време на разделянето. Първият е характерен за интерфазата (времето между разделянето). В същото време ядреният сок се отличава с равномерно разпределение на нуклеинови киселини и неструктурирани ДНК молекули. През този период наследственият материал съществува под формата на хроматин. Делението на клетъчното ядро е придружено от трансформацията на хроматина в хромозоми. По това време структурата на кариоплазмата се променя: генетичният материал придобива определена структура, ядрената обвивка се разрушава и кариоплазмата се смесва с цитоплазмата.
Хромозоми
Основните функции на нуклеопротеиновите структури на хроматина, трансформирани по време на деленето, са съхраняването, прилагането и предаването на наследствена информация, съдържаща се в клетъчното ядро. Хромозомите се характеризират с определена форма: те са разделени на части или рамена чрез първична свивка, наричана още целомера. Според местоположението им се разграничават три типа хромозоми:
- пръчковидни или акроцентрични: те се характеризират с разположението на целомера почти в края, едното рамо е много малко;
- диверсифицирани или субметацентрични имат рамена с неравна дължина;
- равностранно или метацентрично.
Наборът от хромозоми в клетката се нарича кариотип. Всеки вид е фиксиран. В този случай различни клетки на един и същи организъм могат да съдържат диплоиден (двоен) или хаплоиден (единичен) набор. Първият вариант е типичен за соматичните клетки, които основно изграждат тялото. Хаплоидният набор е привилегия на зародишните клетки. човешки соматични клеткисъдържат 46 хромозоми, пол - 23.
Хромозомите от диплоидния набор правят двойки. Идентични нуклеопротеинови структури, включени в двойка, се наричат алелни. Те имат същата структура и изпълняват същите функции.
Структурната единица на хромозомите е генът. Това е участък от молекулата на ДНК, който кодира специфичен протеин.
Nucleolus
Клетъчното ядро има още една органела - ядрото. Не е отделен от кариоплазмата с мембрана, но се забелязва лесно при изследване на клетката с микроскоп. Някои ядра могат да имат множество нуклеоли. Има и такива, в които такива органели напълно липсват.
Формата на ядрото наподобява сфера, има сравнително малък размер. Съдържа различни протеини. Основната функция на ядрото е синтеза на рибозомна РНК и самите рибозоми. Те са необходими за създаването на полипептидни вериги. Ядрата се образуват около специални области на генома. Те се наричат нуклеоларни организатори. Съдържа рибозомните РНК гени. Ядрото, освен всичко друго, е мястото с най-висока концентрация на протеин в клетката. Част от протеините са необходими за изпълнение на функциите на органоида.
Ядрото се състои от два компонента: гранулиран и фибриларен. Първият е зреещите рибозомни субединици. Във фибриларния център се извършва синтеза на рибозомна РНК. Гранулираният компонент заобикаля фибриларния компонент, разположен в центъра на ядрото.
Клетъчно ядро и неговите функции
Ролята, коятоиграе ядрото, е неразривно свързан с неговата структура. Вътрешните структури на органоида съвместно осъществяват най-важните процеси в клетката. В него се съхранява генетичната информация, която определя структурата и функцията на клетката. Ядрото е отговорно за съхранението и предаването на наследствена информация по време на митоза и мейоза. В първия случай дъщерната клетка получава набор от гени, идентични с родителската. В резултат на мейозата се образуват зародишни клетки с хаплоиден набор от хромозоми.
Друга не по-малко важна функция на ядрото е регулирането на вътреклетъчните процеси. Осъществява се в резултат на контролиране на синтеза на протеини, отговорни за структурата и функционирането на клетъчните елементи.
Влиянието върху протеиновия синтез има друг израз. Ядрото, контролиращо процесите вътре в клетката, обединява всички нейни органели в единна система с добре функциониращ механизъм на работа. Неуспехите в него водят по правило до клетъчна смърт.
Накрая, ядрото е мястото на синтеза на рибозомни субединици, които са отговорни за образуването на същия протеин от аминокиселини. Рибозомите са незаменими в процеса на транскрипция.
Еукариотната клетка е по-съвършена структура от прокариотната. Появата на органели със собствена мембрана направи възможно повишаването на ефективността на вътреклетъчните процеси. Образуването на ядро, заобиколено от двойна липидна мембрана, изигра много важна роля в тази еволюция. Защитата на наследствената информация от мембраната направи възможно овладяването на древни едноклетъчни организмиорганизмите в нов начин на живот. Сред тях е фагоцитозата, която според една версия е довела до появата на симбиотичен организъм, който по-късно става прародител на съвременната еукариотна клетка с всичките й характерни органели. Клетъчното ядро, структурата и функциите на някои нови структури направиха възможно използването на кислород в метаболизма. Последствието от това беше кардинална промяна в биосферата на Земята, положена е основата за формирането и развитието на многоклетъчни организми. Днес еукариотните организми, които включват хората, доминират на планетата и нищо не предвещава промени в това отношение.
