У клітинної біології, ядро (лат. Nucleus) - клітинна органели, знайдена в більшості клітин еукаріот і містить ядерні гени, які складають більшу частину генетичного матеріалу. Ядро має дві основні функції: управління хімічними реакціями в межах цитоплазми і зберігання інформації, необхідної для поділу клітини.
Крім клітинного генома, ядро містить певні білки, які регулюють зчитування генетичної інформації. Зчитування гена на ядерному рівні привертає складні процеси транскрипції, обробки первинної мРНК і експорт зрілої мРНК в цитоплазму.
Ядро зазвичай має розмір 8-25 мікрометрів в діаметрі. Воно оточене подвійною мембраною, яка називається ядерною оболонкою. Крізь внутрішню і зовнішню мембрани на деяких інтервалах проходять ядерні пори. Ядерна оболонка регулює і полегшує транспорт між ядром і цитоплазмою, відокремлюючи хімічні реакції, що відбуваються в цитоплазмі, від реакцій, що відбуваються в межах ядра. Зовнішня мембрана безперервна з гранулярним ендоплазматичнийретикулум (англ. RER) і може мати пов'язані рибосоми. Простір між двома мембранами (який називається «перинуклеарное простором») безперервний з ЛюменRER. Ядерна сторона ядерної оболонки оточена мережею проміжних філаментів, яка називається ядерною Ламін.
Внутрішня частина ядра містить одне або кілька ядерець, оточених матрицею, яка називається нуклеоплазмі. Нуклеоплазма (каріолімфа, ядерний сік, каріоплазма) - гелеобразная рідина (подібна в цьому відношенні до цитоплазми), в якій розчинені багато речовин. Ці речовини включають нуклеотид-трифосфати, сигнальні молекули, ДНК, РНК і білки (ензими і філаменти).
Генетичний матеріал присутній в ядрі у вигляді хроматину, або комплексу білка і ДНК. ДНК присутня як цілий ряд дискретних молекул, відомих як хромосоми. Є два види хроматину: еухроматин і гетерохроматин. Еухроматин - менш компактна форма ДНК. Області ДНК, які знаходяться в формі еухроматину містять гени, які часто зчитуються клітиною.
У гетерохроматином ДНК більш компактно упакована. Області ДНК, які знаходяться в формі гетерохроматину містять гени, які не зчитуються клітиною на даній стадії розвитку (цей вид гетерохроматину відомий як факультативний гетерохроматин) або є областями, які складають теломери і центромери хромосом (цей вид гетерохроматину відомий як конструктивний гетерохроматин). У багатоклітинних організмах, клітини надзвичайно спеціалізовані, щоб виконувати специфічні функції, тому різні набори генів потрібні і зчитуються. Тому, області ДНК, які знаходяться в формі гетерохроматину, залежать від типу клітини.
Ядро - щільна структура в ядрі, де збираються елементи рибосом. В ядрі може бути одне або кілька ядерець.
Історія відкриття
У 1831 році англійський натураліст Роберт Браун вивчав різні види рослин, зразки яких він зібрав під час подорожі до Австралії. Браун був дуже уважним до деталей, а клітини рослин особливо цікавили його. Розглядаючи їх під мікроскопом, він побачив дещо цікаве: кожна клітина містила круглий і непрозорий елемент. Він назвав його ядром.
Дізнавшись про спостереження Брауна, німецький фізіолог Теодор Шванн почав шукати подібні елементи в клітинах пуголовків і знайшов. Кожна клітина містила ядро. Це був революційний прорив - свідоцтво того, що всі види життя пов'язані між собою. В одній з книг Шванн описав різні типи клітин, взяті від різних організмів і визначив їх за фактом наявності ядра.
Усвідомлення того, що є елемент загальний для всіх організмів, не тільки для рослин, але і для тварин, поєднало рослинний і тваринний світ в щось спільне, то, що мало однакові риси.
Тонка структура клітинного ядра
Величезна довжина молекул ДНК еукаріот визначила поява спеціальних механізмів зберігання, реплікації і реалізації генетичного матеріалу. Хроматином називають молекули хромосомної ДНК в комплексі зі специфічними білками, необхідними для здійснення цих процесів. Основну масу складають «білки зберігання», так звані гістони. З цих білків побудовані нуклеосоми - структури, на які намотані нитки молекул ДНК. Нуклеосоми розташовуються досить регулярно, так що утворюється структура нагадує намисто. Нуклеосома складається з білків чотирьох типів: H2A, H2B, H3 і H4. В одну нуклеосому входять по два білка кожного типу - всього вісім білків. Гістон H1, більше, ніж інші гістони, зв'язується з ДНК в місці її входу на нуклеосому. Нуклеосома разом з H1 називається хроматосомою.
Нитка ДНК з нуклеосомами утворює нерегулярну соленоїд-подібну структуру товщиною близько 30 нанометрів, так звану 30 нм фібрили. Подальша упаковка цієї фібрили може мати різну щільність. Якщо хроматин упакований щільно, його називають конденсованими або гетерохроматином, його можна побачити під мікроскопом. ДНК, знаходиться в гетерохроматином. В інтерфазі гетерохроматин зазвичай розташовується по периферії ядра (пристінковий гетерохроматин). Повна конденсація хромосом відбувається перед поділом клітини. Якщо хроматин упакований нещільно, його називають еу- або інтерхроматіном. Цей вид хроматину набагато менш щільний при спостереженні під мікроскопом і зазвичай характеризується наявністю транскрипционной активності. Щільність упаковки хроматину є частиною епігенетичного контролю експресії генів і частково визначається модифікаціями гістонів хвостів - ацетилюванням і деацетилювання і метилированием.
Вважається, що в ядрі існують так звані функціональні домени хроматину (ДНК одного домену містить приблизно 30000 пар основ), тобто кожна ділянка хромосоми має власну «територію». На жаль, питання просторового розподілу хроматину в ядрі вивчений поки недостатньо. Відомо, що теломерні (кінцеві) і центромерних (що відповідають за зв'язування сестринських хроматид в мітозі) ділянки хромосом закріплені на білках ядерної ламіни.
Еволюційне значення клітинного ядра
Основне функціональне відміну клітин еукаріот від клітин прокаріотів полягає в просторовому поділі процесів транскрипції (синтезу матричної РНК) і трансляції (синтезу білка рибосомою), що дає в розпорядження еукаріотичної клітини нові інструменти регулювання біосинтезу і контролю якості мРНК.
У той час, як у прокаріотів мРНК починає транслюватися ще до завершення її синтезу РНК полімерази, мРНК еукаріотів зазнає значних модифікації (так званий процесинг), після чого експортується через ядерні пори в цитоплазму, і тільки після цього може вступити в трансляцію. Процесинг мРНК включає кілька елементів.
З попередника мРНК (пре-мРНК) в ході процесу, званого сплайсингом вирізаються інтрони - незначні ділянки, а значні ділянки - екзонів з'єднуються один з одним. Причому Екзони однієї і тієї ж пре- мРНК можуть бути з'єднані декількома різними способами (альтернативний сплайсинг), так що один попередник може перетворюватися в кілька різних зрілих мРНК. Таким чином, один ген може кодувати відразу декілька білків.
Модифікаціям піддаються кінці молекули мРНК. До 5'-кінця молекули прикріплюється 7-метілгуанін (так званий кеп). До 3'конца приєднуються кілька десятків залишків аденіну (поліаденілювання). Також за допомогою альтернативного поліаденілювання можна контролювати наступну долю мРНК, наприклад в ході РНК інтерференції - адже 5'і 3'нетрансліруемие ділянки є місцями з'єднання мікроРНК.
