Функции ядрышка в клетке каковы? ядрышко: строение и функции

Из чего состоит атом?

В 1911 году ученый Резерфорд высказал предположение, что в атоме имеется центральная часть, обладающая положительным зарядом. Так впервые появилось понятие об атомном ядре.

По схеме Резерфорда, названной планетарной моделью, атом состоит из ядра и элементарных частиц с отрицательным зарядом — электронов, движущихся вокруг ядра, подобно тому, как планеты обращаются по орбите вокруг Солнца.

В 1932 году другой ученый, Чедвик, открыл нейтрон — частицу, не имеющую электрического заряда.

Согласно современным представлениям, строение атомного ядра соответствует планетарной модели, предложенной Резерфордом. Ядро несет в себе большую часть атомной массы. Также оно имеет положительный заряд. В атомном ядре находятся протоны — положительно заряженные частицы и нейтроны — частицы, не несущие заряда. Протоны и нейтроны называются нуклонами. Отрицательно заряженные частицы — электроны — движутся по орбите вокруг ядра.

Количество протонов в ядре равняется числу электронов, движущихся по орбите. Следовательно, сам атом является частицей, не несущей заряда. Если атом захватит чужие электроны или потеряет свои, то он становится положительным или отрицательным и называется ионом.

Электроны, протоны и нейтроны обобщенно называют субатомными частицами.

Строение атомного ядра.

Атом – это мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая все его свойства. По своей структуре атом представляет сложную систему, состоящую из находящегося в центре атома положительно заряженного ядра очень малого размера (10-13 см) и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра на различных орбитах. Отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, при этом в целом оказывается электрически нейтральным.

Атомные ядра состоят из нуклонов – ядерных протонов (Z – число протонов) и ядерных нейтронов (N – число нейтронов). « Ядерные» протоны и нейтроны отличаются от частиц в свободном состоянии. Например, свободный нейтрон, в отличие от связанного в ядре, нестабилен и превращается в протон и электрон.

Число нуклонов Ам (массовое число) представляет собой сумму чисел протонов и нейтронов: Ам = Z+ N.

Протон – элементарная частица любого атома, он имеет положительный заряд, равный заряду электрона. Число электронов в оболочке атома определяется числом протонов в ядре.

Нейтрон – другой вид ядерных частиц всех элементов. Его нет лишь в ядре легкого водорода, состоящего из одного протона. Он не имеет заряда, электрически нейтрален. В атомном ядре нейтроны являются стабильными, а в свободном состоянии они неустойчивы. Число нейтронов в ядрах атомов одного и того же элемента может колебаться, поэтому число нейтронов в ядре не характеризует элемент.

Нуклоны (протоны + нейтроны) удерживаются внутри атомного ядра ядерными силами притяжения. Ядерные силы в 100 раз сильнее электромагнитных сил и поэтому удерживает внутри ядра одноименно заряженные протоны. Ядерные силы проявляются только на очень малых расстояниях (10-13см), они составляют потенциальную энергию связи ядра, которая при некоторых превращениях частично освобождается, переходит в кинетическую энергию.

Для атомов отличающихся составом ядра, употребляется название «нуклиды», а для радиоактивных атомов – «радионуклиды».

Нуклидами называют атомы или ядра с данным числом нуклонов и данным зарядом ядра (обозначение нуклида АХ).

Нуклиды, имеющие одинаковое число нуклонов (Ам = соnst), называются изобарами. Например, нуклиды 96Sr, 96Y, 96Zr принадлежат к ряду изобаров с числом нуклонов Ам = 96.

Нуклиды, имеющие одинаковое число протонов (Z = соnst), называются изотопами. Они различаются только числом нейтронов, поэтому принадлежат одному и тому же элементу: 234U, 235U, 236U, 238U.

Изотопы – нуклиды с одинаковым числом нейтронов (N = Ам -Z = const). Нуклиды: 36S, 37Cl, 38Ar, 39K, 40Ca принадлежат к ряду изотопов с 20 нейтронами.

Изотопы принято обозначать в виде _ZХМ, где X – символ химического элемента; М – массовое число, равное сумме числа протонов и нейтронов в ядре; Z – атомный номер или заряд ядра, равный числу протонов в ядре. Поскольку каждый химический элемент имеет свой постоянный атомный номер, то его обычно опускают и ограничиваются написанием только массового числа, например: 3Н, 14С, 137Сs, 90Sr и т. д.

Атомы ядра, которые имеют одинаковые массовые числа, но разные заряды и, следственно, различные свойства называют «изобарами», так например один из изотопов фосфора имеет массовое число 32 – ₁₅Р32, такое же массовое число имеет и один из изотопов серы – ₁₆S32.

Нуклиды могут быть стабильными (если их ядра устойчивы и не распадаются) и нестабильными (если их ядра неустойчивы и подвергаются изменениям, приводящим в конечном итоге к увеличению стабильности ядра). Неустойчивые атомные ядра, способные самопроизвольно распадаться, называют радионуклидами. Явление самопроизвольного распада ядра атома, сопровождающееся излучением частиц и (или) электромагнитного излучения, называется радиоактивностью.

В результате радиоактивного распада может образоваться как стабильный, так и радиоактивный изотоп, в свою очередь, самопроизвольно распадающийся. Такие цепочки радиоактивных элементов, связанные серией ядерных превращений, называются радиоактивными семействами.

В настоящее время IUРАС (Международный союз теоретической и прикладной химии) официально дал название 109 химическим элементам. Из них только 81 имеет стабильные изотопы, наиболее тяжелым из которых является висмут (Z = 83). Для остальных 28 элементов известны только радиоактивные изотопы, причем уран (U ~ 92) является самым тяжелым элементом, встречающимся в природе. Самый большой из природных нуклидов имеет 238 нуклонов. В общей сложности в настоящее время доказано существование порядка 1700 нуклидов этих 109 элементов, причем число изотопов, известных для отдельных элементов, колеблется от 3 (для водорода) до 29 (для платины).

Реализация функций ядра

Основные особенности строения ядра связаны с выполнением некоторых функций и необходимостью их контроля. Ядро играет роль хранилища наследственной информации, то есть это своего рода картотека с записанными последовательностями аминокислот всех белков, которые могут синтезироваться в клетке. Значит, для выполнения какой-либо функции клетка должна синтезировать белок, структура которого закодирована в гене.

Чтобы ядро «понимало», какой конкретно белок нужно синтезировать в нужный час, существует система наружных (мембранных) и внутренних рецепторов. Информация от них поступает к ядру посредством молекулярных передатчиков. Наиболее часто это реализуется посредством аденилатциклазного механизма. Так на клетку воздействуют гормоны (адреналин, норадреналин) и некоторые лекарства с гидрофильной структурой.

Вторым механизмом передачи информации является внутренний. Он свойственен липофильным молекулам — кортикостероидам. Это вещество проникает через билипидную мембрану клетки и направляется к ядру, где взаимодействует с его рецептором. В результате активации рецепторных комплексов, расположенных на клеточной мембране (аденилатциклазный механизм) или на кариолемме, запускается реакция активации определенного гена. Он реплицируется, на его основании строится информационная РНК. Позднее по структуре последней синтезируется белок, выполняющий некоторую функцию.

Космические пустоты

Космологи утверждают, что в самых больших масштабах Вселенная должна расширяться плавно, а галактики должны быть равномерно распределены. Но в меньших, более локальных масштабах Вселенная выглядит бугристой и искривленной. Ученые обнаружили, что галактики собираются, часто тысячами, в гигантские облака, называемые скоплениями и что они соединены друг с другом в кружевные, светящиеся цепочки и нити, образуя сверхскопления, простирающиеся на миллиарды световых лет. А вот между ними – обширные пустыни тьмы, называемые пустотами.

Проекция стены Южного полюса. Плоскость Млечного Пути показана на карте оттенком серого; то, что лежит за Стеной скрыто от прямого наблюдения.

Так или иначе, наша планета находится в Солнечной системе, которая находится в галактике Млечный Путь. Млечный Путь, в свою очередь, является частью небольшого скопления галактик, называемого местной группой галактик, которая находится на краю скопления Девы – конгломерата из нескольких тысяч галактик. В 2014 году исследователи предположили, что все эти особенности связаны между собой, словно часть гигантского конгломерата, который он назвал Ланиакеей. Подробнее о том, что представляет из себя Ланиакея и галактические пустоты, читайте в нашем материале.

В 1986 году группа астрономов обнаружила, что галактики на огромной полосе неба в направлении созвездия Центавра улетают гораздо быстрее, чем предсказывал закон Хаббла – словно их тянет к чему-то, что астрономы называют Великим Аттрактором.

Строение

Понятие, что такое ядро в биологии и какие функции оно выполняет, укрепилось в научной среде только в начале XIX века. Однако впервые ядро в клетках лосося наблюдал натуралист Антони ван Левенгук ещё в 1670-х годах. Термин предложил ботаник Роберт Броун в 1831 году.

Ядро – наиболее крупный органоид клетки (до 6 мкм), который состоит из трёх частей:

• двойной мембраны;
• нуклеоплазмы;
• ядрышка.

Рис. 1. Внутреннее строение ядра.

Ядро отделяется от цитоплазмы двойной мембраной, имеющей поры, через которые осуществляется избирательный транспорт веществ в цитоплазму и обратно. Пространство между двумя оболочками называется перинуклеарным. Внутренняя оболочка выстелена изнутри ядерным матриксом, который играет роль цитоскелета и обеспечивает структурную поддержку ядра. Матрикс содержит ядерную ламину, отвечающую за формирование хроматина.

Под мембранной оболочкой находится вязкая жидкость, которая называется нуклеоплазмой или кариоплазмой.Она содержит:

• хроматин, состоящий из белка, ДНК и РНК;
• отдельные нуклеотиды;
• нуклеиновые кислоты;
• белки;
• воду;
• ионы.

В соответствии с плотностью скручивания хроматин может быть двух видов:

• эухроматин – деконденсированный (разрыхлённый) хроматин в неделящемся ядре;
• гетерохроматин – конденсированный (плотно скрученный) хроматин в делящемся ядре.

Часть хроматина всегда находится в скрученном состоянии, часть – в свободном.

Рис. 2. Хроматин.

Обычно гетерохроматин называют хромосомой. Хромосомы хорошо видны в микроскоп при митотическом делении клетки. Совокупность признаков хромосом (размер, форма, количество) называется кариотипом. В кариотип входят аутосомы и гоносомы. Аутосомы несут информацию о признаках живого организма. Гоносомы определяют пол.

Внешняя оболочка переходит в эндоплазматическую сеть или ретикулум (ЭПР), образуя складки. На поверхности мембраны ЭПР находятся рибосомы, отвечающие за биосинтез белка.

Ядрышко представляет собой плотную структуру без мембраны. По сути это уплотнённый участок нуклеоплазмы с хроматином. Состоит из рибонуклеопротеидов (РНП). Здесь происходит синтез рибосомной РНК, хроматина и нуклеоплазмы. Ядро может содержать несколько мелких ядрышек. Впервые ядрышко было открыто в 1774 году, но его функции стали известны лишь к середине ХХ века.

Рис. 3. Ядрышко.

Эритроциты млекопитающих и клетки ситовидных трубок растений не содержат ядра. Клетки поперечнополосатых мышц содержат несколько небольших ядер.

Строение кариолеммы

Для удобства изучения клетки ядра, последнее следует воспринимать как пузырьки, ограниченные оболочками от других пузырьков. Ядро — это пузырек с наследственной информацией, находящийся в толще клетки. От ее цитоплазмы он ограждается бислойной липидной оболочкой. Строение оболочки ядра похожее на клеточную мембрану. В действительности их отличает только название и количество слоев. Без всего этого они являются одинаковыми по строению и функциям.

Строение кариолеммы (ядерной мембраны) двуслойное: она состоит из двух липидных слоев. Наружный билипидный слой кариолеммы непосредственно контактирует с шероховатым ретикулумом эндоплазмы клетки. Внутренняя кариолемма — с содержимым ядра. Между наружной и внутренней кариомембраной существует перинуклеарное пространство. Видимо, оно образовалось из-за электростатических явления — отталкивания участков глицериновых остатков.

Функцией ядерной мембраны является создание механического барьера, разделяющего ядро и цитоплазму. Внутренняя мембрана ядра служит местом фиксации ядерного матрикса — цепи белковых молекул, которые поддерживают объемную структуру. В двух ядерных мембранах существуют специальные поры: через них в цитоплазму к рибосомам выходит информационная РНК. В самой толще ядра находятся несколько ядрышек и хроматин.

Что такое ядро

Ядро представляет собой мембраносвязанную органеллу, обнаруженную только в эукариотических клетках. Большинство эукариотических клеток содержат одно ядро. Мышечные клетки человека содержат более одного ядра, а эритроциты не содержат ядра. Ядро содержит большую часть генетического материала клетки. Этот генетический материал организован в линейные хромосомы, связанные с гистонами. Целостность генов поддерживается ядром. Он также контролирует экспрессию генов.

Структура ядра

Ядро состоит из ядерная оболочка которая является двойной мембранной структурой. Наружная мембрана ядра непрерывна с шероховатой эндоплазматической сетью. Водные каналы внутри ядерной мембраны являются ядерные поры. нуклеоплазма вязкая жидкость, заключенная в ядерную оболочку Сеть внутри ядра называется ядерная матрица или ядерная пластинка, Он обеспечивает механическую поддержку ядра. К тому же, хромосомы также присутствуют в ядре. Хромосомы существуют как ДНК-белковый комплекс, называемый хроматин, Внутри ядра могут быть идентифицированы два типа хроматина: эухроматин и гетерохроматин. Эухроматин является наименее упакованным типом хроматина, который состоит из часто экспрессирующих генов. Гетерохроматин это более компактная форма, состоящая из редко транскрибирующих генов. ядрышко также является компонентом ядра. Субъядерные тела подобно телам и драгоценным камням Кахаля, помимо ядрышка присутствуют тела PML и сплайсингованные спеклы.

Рисунок 2: ядро ​​клетки человека

Функция ядра

Ядро содержит большую часть генетического материала в эукариотических клетках, организованных в виде ДНК с белками в форме хромосом. Ядро обеспечивает отдельный компартмент для транскрипции генетического материала, отличного от цитоплазмы, где происходит трансляция. Первичный транскрипт мРНК развивается внутри ядра, и до того, как он экспортируется в цитоплазму, в самом ядре происходят посттранскрипционные модификации, такие как 5′-концевое кэппирование, добавление 3′-полиА-хвоста и сплайсинг интронов. Это позволяет регулировать экспрессию генов. Таким образом, основной функцией ядра является контроль экспрессии гена. Репликация ДНК также опосредуется ядром во время клеточного цикла.

Строение ядра. Ядрышко строение и функции.

Эти участки представляют собой большие петли ДНК, содержащие гены рибосомальной РНК (рРНК). Такие петли называются ядрышковым организатором. Ядрышко является центром образования рибосом, т.к. здесь осуществляется синтез рРНК и соединение этих молекул с белками, т.е. происходит формирование субъединиц рибосом, которые затем поступают в цитоплазму, где и завершается сборка рибосом.

первые ядрышки были обнаружены Фонтана в 1774 г. В живых клетках они выделяются на фоне диффузной организации хроматина из-за своей светопреломляемости. Последнее свойство связано с тем, что ядрышки являются наиболее плотными структурами в клетке. Они обнаруживаются практически во всех ядрах эукариотических клеток за редким исключением. Это говорит об обязательном присутствии этого компонента в клеточном ядре.

В клеточном цикле ядрышко присутствует в течение всей интерфазы, в профазе по мере компактизации хромосом во время митоза оно постепенно исчезает и отсутствует в мета- и анафазе, вновь появляется в середине телофазы, чтобы сохраняться вплоть до следующего митоза, или до гибели клетки.

Долгое время функциональное значение ядрышка было непонятно. Вплоть до 1950-х годов исследователи считали, что вещество ядрышка представляет собой своего рода запас, который используется и исчезает в момент деления ядра.

Еще в 1930-х годах рядом исследователей (МакКлинток, Хейтц, С.Г. Навашин) было показано, что возникновение ядрышек связано топографически с определенными зонами на особых, ядрышкообразующих хромосомах. Эти зоны были названы ядрышковыми организаторами, а сами ядрышки представлялись как структурное выражение хромосомной активности. Позднее, в 1940-х годах, когда было найдено, что ядрышки содержат РНК, стала понятна их «базофилия», сродство к основным (щелочным) красителям вследствие кислой природы РНК. По данным цитохимических и биохимических исследований, основным компонентом ядрышка является белок: на его долю приходится до 70—80% от сухой массы. Такое большое содержание белка и определяет высокую плотность ядрышек. Кроме белка в составе ядрышка обнаружены нуклеиновые кислоты: РНК (5-14%) и ДНК (2-12%).

Уже в 1950-х годах при изучении ультраструктуры ядрышек в их составе были выявлены гранулы, сходные по своим свойствам с цитоплазматическими гранулами рибонуклеопротеидной природы — с рибосомами. Следующим этапом в изучении ядрышка было открытие принципиального факта — «ядрышковый организатор» является вместилищем генов рибосомных РНК.

В ядрышке различают:

фибриллярный центр – слабоокрашенный компонент (ДНК, кодирующая РНК),

фибриллярный компонент, где протекают ранние стадии образования предшественников рРНК; состоит из тонких (5 нм) рибонуклеопотеиновых фибрилл и транскрипционно активных участков ДНК;

гранулярный компонент – содержит зрелые предшественники рибосомных СЕ, имеющих диаметр 15 нм.

Основные функции ядрышка – синтез рРНК (транскрипция и процессинг рРНК) и образование СЕ рибосом.

Транскрипция рРНК происходит в хромосомах 13, 14, 15, 21 и 22. Петли ДНК этих хромосом, содержащие соответствующие гены, формируют ядрышковый организатор, получивший название в связи с тем, что восстановление ядрышка в фазу G1 клеточного цикла начинается с этой структуры.



Энергия связи ядра

С понятием сильного взаимодействия тесно связано другое — энергия связи ядер. Под энергией ядерной связи понимают то количество энергии, которое требуется, чтобы разделить атомное ядро на составляющие его нуклоны. Она равняется энергии, необходимой для формирования ядра из отдельных частиц.

Для вычисления энергии связи ядра необходимо знать массу субатомных частиц. Вычисления показывают, что масса ядра всегда меньше, чем сумма входящих в его состав нуклонов. Дефектом массы называют разницу между массой ядра и суммой его протонов и электронов. При помощи формулы Эйнштейна о связи массы и энергии (Е=mc2) можно вычислить энергию, выработанную при образовании ядра.

О силе энергии связи ядра можно судить по следующему примеру: при образовании нескольких граммов гелия вырабатывается столько же энергии, сколько при сгорании нескольких тонн каменного угля.

Безъядерные клетки организма

Существуют клетки, особенности строения ядра которых могут не рассматриваться, потому как они в результате своей жизнедеятельности либо угнетают его функцию, либо вовсе избавляются от него. Простейший пример — эритроциты. Это кровяные клетки, ядро у которых присутствует только на ранних стадиях развития, когда синтезируется гемоглобин. Как только его количества достаточно для переноса кислорода, ядро удаляется из клетки, дабы облегчить ее не мешать транспорту кислорода.

В общем виде эритроцит представляет собой цитоплазматический мешок, наполненный гемоглобином. Похожая структура характерна и для жировых клеток. Строение клеточного ядра адипоцитов предельно упрощено, оно уменьшается и смещается к мембране, а процессы белкового синтеза максимально угнетаются. Эти клетки также напоминают «мешки», наполненные жиром, хотя, разумеется, разнообразие биохимических реакций в них чуть большее, чем в эритроцитах. Тромбоциты также не имеют ядра, однако их не стоит считать полноценными клетками. Это осколки клеток, необходимые для реализации процессов гемостаза.

Патологии при поражении

В 1896 году Ч. Шеррингтон (Ch. S. Sherrington) описал крайнее напряжение мышц у животного при обрыве нисходящих связей красного ядра — . Если перерезать ствол мозга между красными и вестибулярными ядрами, то возникает максимальное напряжение мышц-разгибателей конечностей, шеи, спины.

Эти мышцы противодействуют земному притяжению, а значит, такая картина должна быть связана с вестибулярной системой. И действительно, вестибулярное ядро Дейтерса активирует разгибателей. Влияние красного ядра на эти нейроны и ядро Дейтерса тормозит их активность. То есть тонус мышц создаётся совместной работой нескольких ядер.

Децеребрационная ригидность у человека встречается после тяжёлых или черепно-мозговых травм и является плохим признаком.

Она выглядит следующим образом: руки разогнуты, будто натянуты, и приведены к телу, ладони вывернуты наружу (пронированы), пальцы согнуты, но большие пальцы отведены. Ноги вытянуты и приведены друг к другу, стопы повёрнуты внутрь. Пальцы ног согнуты, как в подвешенном положении. Челюсти сжаты. Её описали в 1912 году голландские врачи Р. Магнус и А. Клейн (R. Magnus, A. de Klein).

Работа головного мозга может быть нарушена при травмах, инфекционных и сосудистых поражениях мозга, опухолевых процессах, агрессии иммунной системы.

Повреждения красного ядра и его связей у человека проявляются не только децеребрационной ригидностью, но и менее тяжёлой патологией. В среднем мозге находятся структуры, от которых начинаются нервы, управляющие мышцами глазного яблока, зрачка и мышцей, поднимающей верхнее веко. Поэтому поражение красного ядра может сочетаться с «глазными» симптомами.

Такое бывает при синдроме Клода и синдроме Бенедикта. Часто они развиваются после сосудистых катастроф (инсульта).

Синдром Клода был описан французским неврологом и психиатром Анри Клодом в 1912 году. В случае синдрома Клода поражаются нижняя часть красного ядра, эфферентные волокна от мозжечка к таламусу и глазодвигательный нерв.

Из-за повреждённого глазодвигательного нерва на стороне поражения опускается верхнее веко, расширяется зрачок и появляется расходящееся косоглазие. На другой стороне тела возникают дрожание рук при движении к цели (интенционный тремор), слабость мышц.

Опущение века и косоглазие при синдроме Клода

При этом синдроме в очаг поражения вовлекаются красное ядро, его связи с мозжечком и структуры глазодвигательного нерва. На повреждённой стороне расширяется зрачок, на противоположной стороне возникают интенционный и беспорядочные или извивающиеся движения конечностей (хореоатетоз).

Латинское название: nucleus ruber.

В среднем мозге красные ядра находятся в самом центре. Если сделать горизонтальный срез через средний мозг, то на диагонали между и мы увидим два бледно-розовых пятна. Это и будут красные ядра. Считается что своим цветом они обязаны железу, которое содержится в них в двух разных формах — гемоглобин и ферритин.

На следующем скриншоте вы можете видеть сагиттальный срез ствола мозга. Низ красного ядра лежит на восходящих волокнах верхних ножек мозжечка на уровне верха нижнего . Сверху — они доходят до уровня гипоталамуса.

Более подробно ознакомиться с тем, где располагается красное ядро можно на нашей .

Красное ядро — моторное, отвечает за тонус мышц и рефлексы.

Выделяют две части:

• задняя крупноклеточная (магноцеллюлярная) — меньше развита у человека, чем у других позвоночных, т.к. у людей значительно сильнее развита кора головного мозга, которая забирает часть функций у крупноклеточной части.
• передняя мелкоклеточная (парвоцеллюлярная) — передает информацию от моторной коры к мозжечку через оливы.

Некоторые исследователи выделяют отдельно заднемедиальную часть.