Jądro - to charakterystyczna cecha komórki eukariotycznej
Rozpatrzyliśmy różnorodne organelle komórkowe znajdujące się w cytoplazmie. Nastał czas na zapoznanie się z najważniejszą częścią komórki - jądrem komórkowym.
Po raz pierwszy jądro obserwował A.Leeuwenhoek (Lewenhuk) w komórkach krwi łososia jako duże „granulki” w środku komórki. Potem szkocki botanik Robert Brown (od jego nazwiska nieuporządkowany ruch cząstek nazwano ruchami Browna) wykrył podobne struktury w pyłku storczyków. Wyjaśniło się, że obecność jądra - to uniwersalna właściwość zwierzęcych i roślinnych komórek oraz komórek grzybów i pierwotniaków. Jądro jest i w białych krwinkach człowieka, i w komórkach liści słonecznika, w komórkach pieczarki, w komórkach pełzaka i pantofelka. Bakterie jądra nie posiadają, lecz o tym będzie mowa już w następnym paragrafie.
Wszystkie komórki zwierząt zawierają co najmniej jedno jądro (ryc. 11. 1). Niektóre „komórki” są pozbawione jądra - na przykład erytrocyty (czerwone krwinki) ssaków, neurony najdrobniejszych owadów, komórki rogowych łuseczek nabłonka. Jednak w tych przypadkach poprawniej nazywać je nie komórkami, a postkomórkowymi strukturami utworzonymi ze zwyczajnych komórek, które straciły jądro.
Jądro wykonuje w komórce najważniejszą funkcję: przechowuje informację genetyczną zapisaną w cząsteczkach DNA1. Jądro też pełni funkcję ochrony komórkowej DNA przed kwasami nukleinowymi cytoplazmy i większością wirusów2. Właśnie w jądrze odbywa się powstawanie cząsteczek RNA i przebiegają początkowe etapy syntezy białka. W jądrze zachodzi składanie rybosomów - cząsteczkowych maszyn odpowiedzialnych za późne etapy syntezy białka. Warto przypomnieć, że w jądrze cząsteczki DNA są upakowane bardzo ściśle i dokładnie. Jeśli wyciągniemy w jedną linię cały jądrowy DNA człowieka tylko z jednej komórki, to otrzymamy nić około 204 cm długości. Natomiast w komórce człowieka on jest upakowany w jądrze o średnicy około 5 mm.
Składniki budowy jądra: otoczka, pory, chromatyna, jąderko
Jądro ma złożoną budowę. Od zewnątrz okrywa je otoczka jądrowa, która oddziela jądro od cytoplazmy (ryc. 11.2). Otoczka jądrowa składa się z dwóch błon i jest bezpośrednim przedłużeniem siateczki śródplazmatycznej. Ona jest przeszyta porami jądrowymi - miejscami, w których błony otoczki jądrowej łączą się ze sobą, tworząc kanały. Jednak pory jądrowe - to nie są po prostu otwory w otoczce jądrowej. One zawierają dużo białek tworzących materiał anularny por jądrowych - przejścia, które kontrolują, jakie cząsteczki mogą dostawać się do jądra i wychodzić z niego, a jakie-nie mogą. Na przykład zwykłe białka cytoplazmatyczne i RNA nie mogą przejść przez
1 Wiesz już, że nie caty DNA komórki zwierzęcej rozmieszczony jest w jądrze: mitochondria też zawierają własny DNA, jednak ilość DNA w jądrze jest wiele razy większa niż w mitochondriach.
2 Niektóre wirusy, na przykład wirus grypy i wirus HIV, potrafią przedostawać się do jądra w celu dokonania swego cyklu życiowego.
por jądrowy. Jednak, gdy białko zawiera specjalną kolejność sygnałową reszt aminokwasowych - swoisty „bilet” do jądra, ono może być przeniesione do środka przez por jądrowy1.
Większa część jądra jest wypełniona chromaty-ną - złożonym kompleksem z DNA i białek (w stosunku do masy około 2 : 3). DNA zachowuje się i funkcjonuje w komórce właśnie w składzie chromatyny. Białka chroma-tyny służą potrzebom DNA- upakowują go, chronią przed uszkodzeniami, rozerwaniami, poprawiają błędy, zapewniają jego kopiowanie i powstawanie cząsteczek RNA. Można wyodrębnić dwie frakcje chromatyny: euchroma-tyna i heterochromatyna. Heterochromatyna jest chro-matyną „nieaktywną”, w której procesy powstawania RNA prawie nie zachodzą. Natomiast odcinkami aktywnej syntezy RNA jest euchromatyna - bardziej luźna część chromatyny. Stosunek hetero- i euchromatyny zmienia się od komórki do komórki. Jeżeli w komórce trwa aktywna synteza RNA i białka, to jej jądro bogate jest w euchromatynę, a kiedy komórka jest w stanie nieaktywnym, to jej jądro niemal całkowicie jest wypełnione heterochromatyną.
W większości jąder komórek zwierzęcych można wykryć jeden lub kilka zwartych kulistych tworów - jąderek. Jąderko - to szczególny wewnątrzjądrowy składnik nie ograniczony błoną. W jąderku zachodzi ważny proces - tworzenie rybosomów. W nim powstaje specjalny rybosomowy RNA (który tam okrywa się białkami rybosomowymi) i zachodzi składanie rybosomów. Następnie gotowe części rybosomów porzucają jądro przez pory jądrowe i są gotowe stanąć do pracy i wykonać swoje bezpośrednie zadanie - syntezować białko.
Chromosomy - to organelle zawierające DNA
Mówiliśmy już o tym, że DNA w jądrze znajduje się w składzie chromatyny - zwartego związku z białkiem. W takiej postaci on jest dość zwarcie upakowany (ryc. 11.3). Jeżeli rozpatrzymy budowę chromatyny na poziomie mikroskopowym, to zobaczymy, że ona znajduje się w postaci nici DNA owiniętej na koraliki białek. Taki łańcuszek z „koralików” przed podziałem komórkowym (dokładniej w § 28) składa się w bardziej skomplikowaną strukturę z gniazdek i pętli. W końcu cała cząsteczka DNA okazuje się upakowana w duży, ale zwarty kompleks z białkiem - chromosomy (ryc. 11.4). Chromosomy mają liniową strukturę. Klasyczny chromo-
som ssaków ma następującą budowę: to pałeczka, na której końcach są rozmieszczone telomery - odcinki chromatyny odpowiedzialne za podtrzymywanie długości chromosomu. Po środku jest przewężenie -centromer, zapewniający poprawne rozchodzenie chromosomów podczas podziału komórki. Przewężenie dzieli chromosom na dwa ramiona. Ramiona bywają różnej długości, tym chromosomy różnią się od siebie. Czasem można obserwować inny schemat chromosomu - w postaci litery X. Taki chromosom jest zdwojony: on składa się z dwóch identycznych chromosomów, połączonych centromerem. W takim przypadku chromosomy-kopie nazywają się chromatydami. Właśnie w takim X-podobnym kształcie chromosomy są na początku podziału komórkowego.
Kariotyp - to zestaw chromosomów
Ilość chromosomów w jądrze może się zmieniać (ryc. 11.5). W jądrach komórek czarnej mrówki - Myrmecja pilosula znajduje się tylko po dwa chromosomy, natomiast u raka rzecznego - 176. Rekordzistą pod względem ilości chromosomów wśród wielokomórkowych organizmów jest nasięźrzał - jego komórki zawierają 1440 chromosomów. W porównaniu z tymi organizmami ilość chromosomów u człowieka jest niewielka: jądra naszych komórek zawierają 46 chromosomów. Ilość chromosomów nie zależy od złożoności organizmu czy jego położenia systematycznego. Nawet u blisko spokrewnionych organizmów ona może różnić się: jeleń karłowaty mundżak chiński ma ich 46, a spokrewniony z nim mundżak indyjski - tylko 61.
Całokształt wszystkich chromosomów jądra nazywa się kariotypem (od gr. ka-rion — jądro). Chromosomy zawarte w jądrze różnią się od siebie. Jeżeli one wszystkie są różne, to taki zestaw nazywa się haploidalny (od gr. haploos - pojedynczy): w nim każdy chromosom jest unikalny, przedstawiony tylko jeden raz. W komórkach dorosłych zwierząt zwykle każdy chromosom jest obecny w postaci dwu kopii: taki zestaw chromosomów nazywa się diploidalnym (od gr. diploos- podwójny).
Rye. 11.6. Kariotyp człowieka
Farbowanie dokonano metodą fluoroscentnej hybrydyzacji (dokładniej w § 39.).
Zestaw diploidalny chromosomów człowieka zawiera 46 chromosomów, haploidal-ny odpowiednio - 23. Na rycinie 11.6 przytoczono diploidalny kariotyp człowieka: chromosomy różnią się swymi wymiarami i budową. Szczególną uwagę trzeba zwrócić na ostatnią, 23. parę chromosomów - chromosomy płciowe. Kobiety posiadają dwa tak zwane X-chromosomy (jak na rycinie), a mężczyźni - jeden X-chromosom i jeden mały Y-chromosom. Reszta - niepłciowe chromosomy - nazywa się autosomami.
Niektóre żywe organizmy posiadają trzy lub więcej pełnych zestawów chromosomów. Takie zestawy chromosomów nazywają poliploidalnymi. Jądra poliploidalne są dość rozpowszechnione wśród roślin, a także wśród ryb i płazów1. Kariotyp jest cechą specyficzną gatunku2. Zmiana ilości chromosomów w kariotypie może być przyczyną dziedzicznych schorzeń genomowych. Na przykład obecność trzech chromosomów 21. pary w kariotypie człowieka jest przyczyną rozwoju zespołu Downa (dokładniej w § 37.).
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
Jądra nie ma w
A komórkach owocnika borowika В erytrocytach żaby C komórkach owoców ogórka D komórkach zarodźca malarii E komórkach bakterii wywołującej gruźlicę
2
W organizmie człowieka nie ma jądra w takich strukturach A białych krwinkach (leukocytach)
В komórkach wątroby C komórkach mięśnia sercowego D płytkach krwi (trombocytach)
E światłoczułych komórkach siatkówki (czopkach i pręcikach)
3
Pochodzenie jądrowe ma
A rybosom В mitochondrium C system Golgiego
D lizosom E chloroplast
1 Czasem nawet różne tkanki jednego organizmu zawierają różną ilość haploidalnych zestawów chromosomów. Na przykład w jądrach komórek wątroby i serca dorosłego człowieka są cztery haploidalne zespoły chromosomów.
2 Chociaż od tej reguły są wyjątki. Najlepszy przykład - czarny szczur, którego różne podgatunki mają 38, 40 i 42 chromosomy w zestawie diploidalnym.
4
Na rycinie podany kariotyp A człowieka - kobiety В człowieka - mężczyzny C mundżaka indyjskiego - samicy D mundżaka indyjskiego - samca E raka rzecznego
5
Kariotyp mężczyzny różni się od kariotypu kobiety A jednym chromosomem В dwoma chromosomami C dwudziestu dwoma parami chromosomów D dwudziestu trzema parami chromosomów E ilością chromosomów
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
6
Podaj charakterystykę otoczki jądrowej. Jakie funkcje ona pełni? Jak realizują się stosunki jądrowo-cytoplazmatyczne i na czym polega ich rola?
7
Retikulum endoplazmatyczne łączy się z zewnętrzną błoną otoczki jądrowej w wielu miejscach. Tak więc przestrzeń między wewnętrzną i zewnętrzną błoną otoczki jądrowej jest powiązana z cysternami ER. Czy można tę przestrzeń zaliczyć do wakuomu komórki? Zastanów się, co wspólnego i co odmiennego ma skład i funkcje tej przestrzeni i przestrzeni ER.
8
Materiał anularny por jądrowych - to przejście, które kontroluje, jakie cząsteczki mogą dostawać się do jądra i wychodzić z niego, a jakie - nie. Zastanów się, jakie cząsteczki i dlaczego powinny dostawać się do jądra, a jakie - nie powinny.
9
Większą część jądra wypełnia chromatyna. Co to za substancja? Jakie zmiany zachodzą z chromatyną przy przejściu komórki do podziału?
10
Co to jest kariotyp? Określony kariotyp charakterystyczny jest dla każdego indywiduum czy ogólnie dla gatunku? Czy obserwujemy w przyrodzie zmiany kariotypu?
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
11
Z tego paragrafu wiesz, że w chromosomie wyróżniamy różne strukturalne części: telomery, centromery, ramiona. Jakie są osobliwości budowy i rola biologiczna tych części chromosomu?
12
Wiesz, że nie wszystkie komórki człowieka posiadają jedno jądro: niektóre mają dwa lub więcej jąder, a niektóre nie posiadają go wcale. Przytocz przykłady takich „dziwnych” komórek i w każdym przypadku wyjaśnij przyczynę takiej „wyjątkowości”.
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
13
Chromatyna jest kompleksem DNA i białek. Jakie białka wchodzą w skład chro-matyny i jak jest ich rola biologiczna?
14
Czym różni się DNA jądra od DNA mitochondrium? Spróbuj dać odpowiedź z punktu widzenia struktury i pełnionych funkcji.
Źródło: Biologia podręcznika dla klasy 9 Szałamow