Ядро есть только у эукариотических клеток. При этом некоторые из них его утрачивают в процессе дифференцировки (зрелые членики ситовидных трубок, эритроциты). У инфузорий есть два ядра: макронуклеус и микронуклеус. Бывают многоядерные клетки, возникшие путем объединения нескольких клеток. Однако в большинстве случаев в каждой клетке имеется только одно ядро.

Ядро клетки является самым крупным ее органоидом (если не считать центральные вакуоли клеток растений). Оно самое первое из клеточных структур, которое было описано учеными. Клеточные ядра обычно имеют шаровидную или яйцевидную форму.

Ядро регулирует всю активность клетки. В нем находятся хроматиды - нитевидные комплексы молекул ДНК с белками-гистонами (особенностью которых является содержание в них большого количества аминокислот лизина и аргинина). ДНК ядра хранит информацию о почти всех наследственных признаках и свойствах клетки и организма. В период клеточного деления хроматиды спирализуются, в таком состоянии они видны в световой микроскоп и называются хромосомами .

Хроматиды в неделящейся клетке (в период интерфазы) не полностью деспирализованы. Плотно спирализованные части хромосом называются гетерохроматином . Он располагается ближе к оболочке ядра. К центру ядра располагается эухроматин - более деспирализованная часть хромосом. На нем происходит синтез РНК, т. е. идет считывание генетической информации, экспрессия генов.

Репликация ДНК предшествует делению ядра, которое, в свою очередь, предшествует делению клетки. Таким образом, дочерние ядра получают уже готовую ДНК, а дочерние клетки - готовые ядра.

Внутреннее содержимое ядра отделяется от цитоплазмы ядерной оболочкой , состоящей из двух мембран (внешней и внутренней). Таким образом, ядро клетки относится к двумембранным органоидам. Пространство между мембранами называется перинуклеарным .

Внешняя мембрана в определенных местах переходит в эндоплазматическу сеть (ЭПС). Если на ЭПС располагаются рибосомы, то она называется шероховатой. Рибосомы могут размешаться и на наружней ядерной мембране.

Во множестве мест внешняя и внутренняя мембраны сливаются друг с другом, образуя ядерные поры . Их число непостоянно (в среднем исчисляются тысячами) и зависит от активности биосинтеза в клетке. Через поры ядро и цитоплазма обмениваются различными молекулами и структурами. Поры - это не просто дырки, они сложно устроены для избирательного транспорта. Их структуру определяют различные белки-нуклеопорины.

Из ядра выходят молекулы иРНК, тРНК, субчастицы рибосом.

В ядро через поры заходят различные белки, нуклеотиды, ионы и др.

Субчастицы рибосом собираются из рРНК и рибосомных белков в ядрышке (их может быть несколько) . Центральную часть ядрышка образуют специальные участки хромосом (ядрышковые организаторы ), которые располагаются рядом друг с другом. В ядрышковых организаторах содержится большое количество копий кодирующих рРНК генов. Перед клеточным делением ядрышко исчезает и вновь образуется уже во время телофазы.

Жидкое (гелеобразное) содержимое клеточного ядра называется ядерным соком (кариоплазмой, нуклеоплазмой) . Его вязкость почти такая же как у гиалоплазмы (жидкое содержимое цитоплазмы), однако кислотность выше (ведь ДНК и РНК, которых в ядре большое количество, - это кислоты). В ядерном соке плавают белки, различные РНК, рибосомы.

Джонн Бриггс (John Briggs) и Дарко Димитровски (Darko Dimitrovski) из университета Фрайбурга (Universität Freiburg) обосновали и рассчитали придуманный ими метод создания атомов без ядра. С развивающимися ныне технологиями такой «фокус» будет доступен экспериментаторам во вполне обозримом будущем.

Атом без ядра — это набор электронных оболочек, сохраняющих свою «форму» так, словно бы они всё ещё удерживаются ядром.

Создать такое странное образование возможно, если воздействовать на какой-либо атом чрезвычайно коротким и при этом очень мощным импульсом лазера, говорят учёные.

Правда, этот экзотический атом без ядра будет жить ничтожно короткое мгновение, но всё же — он будет реально существовать.

Бриггс и Димитровски посчитали, как будет работать их метод. Итак: лазер с импульсом длительностью примерно 10 аттосекунд (1 аттосекунда равна 10 -18 с), вроде того что был использован в этом необычном опыте, но только чрезвычайно мощный (а именно — 10 18 ватт), воздействует на атом. Период орбитального движения электронов в атоме заметно больше, чем длительность такого импульса. Так, к примеру, у водорода электрон «обегает» вокруг ядра за 24 аттосекунды.

Если сила электрического поля в луче будет больше, чем сила связи электронов с ядром, – вся электронная оболочка будет оторвана от ядра и аккуратно смещена в сторону.

Ключ к успеху тут — быстротечность импульса и правильная его частота, ведь «сбивание» электронных оболочек (всех их уровней сразу, если речь идёт об атоме, куда более сложном, нежели водород) должно произойти за счёт действия всего лишь одного полупериода электромагнитной волны использованного в опыте излучения.

Второй полупериод этой волны послужит для торможения полного волнового пакета в новом месте его расположения — на некотором расстоянии от ядра. Тут имеется в виду волновой пакет всех электронов атома, разумеется.

Поскольку импульс лазера столь короток, за время своего смещения в пространстве электроны, образно говоря, не успеют ничего «предпринять». Их волновая функция почти не претерпит искажений, да и разбежаться в стороны от действия сил Кулона электроны не успеют, поясняют изобретатели метода.

Разумеется, такой «атом» через очень краткий миг распадётся, но если зафиксировать приборами все разлетевшиеся электроны, можно будет потом в компьютере восстановить облик первоначального волнового пакета, то есть того самого атома без ядра — самостоятельно существующего электронного облака, воспроизводящего форму оболочек исходного атома.

Удивительно, но, по расчётам Джона и Дарко, «снять» с минимальным «повреждением» разом все электронные оболочки можно не только с лёгких, но и с тяжёлых атомов, и более того — подобный «трюк» можно проделать даже с молекулами. Понятно, чтобы осуществить такой опыт, нужно ещё создать очень мощный аттосекундный лазер.

И, надо сказать, техника постепенно подступается к этой задаче. Ведь уже существующие установки демонстрируют потрясающие вещи. Например, познакомьтесь с лазерами: выдавшим недавно самый яркий свет во Вселенной, обошедшим некоторые капризы квантовой физики, мощным рентгеновским , который взорвал объект наблюдения; а также с историями о том, как сверхкороткие лазерные импульсы позволили отснять молекулы , создать чёрный металл и поставить рекорд скорости нагрева в 10 18 градусов в секунду, а ещё — аккуратно

Уникальность зарождения органической жизни на Земле состоит в том, что в результате сложных реакций, которые природа неоднократно воспроизводила с неорганическими соединениями, возникла структура, способная сама себя повторять. Говоря современным языком – наследовать. Путь, пройденный протонами, электронами и ионами при построении сложных макромолекул сегодня пытаются воссоздать в научных лабораториях. Первыми помощниками ученых в этих опытах являются бактерии. В основе сотрудничества человека и простейших лежит то обстоятельство, что в клетках бактерий нет оформленного ядра с наследственной информацией. Их реплицирующий механизм прост и, судя по всему, является достоверной моделью первых удачных попыток природы передавать наследственные данные от одного организма другому.

Нуклеоид – замена ядру в клетке бактерии

Если упрощенно описать живую клетку, то самая простая схема будет выглядеть следующим образом: отделенное мембраной от внешнего мира пространство, наполненное внутриклеточным веществом, в котором протекают биохимические процессы, способные организовать самостоятельное размножение биоструктуры. Эта миссия является определяющей для существования органической жизни.

Передача наследственной информации может осуществляться двумя разными путями, в зависимости от устройства внутриклеточного хранилища, в котором эта информация содержится:

1. У эукариотов роль такого хранилища играет оформленное ядро, которое состоит из мембраны, изолирующей ДНК от остального пространства клетки, и самой макромолекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, упакованной в хромосому. Ядро считается органеллой эукариотической клеточной структуры.
2. В прокариотических (бактериальных) клеточных конструкциях ДНК никак не отделена от остального внутриклеточного вещества, а только компактно упаковано в нуклеоид – кольцевую хромосому с генетической информацией, выполняющую роль ядра.

Есть гипотеза, согласно которой предок оформленного эукариотического ядра – бактерия-симбионт. На заре зарождения ядерных организмов эта бактерия-симбионт стала частью прототипа эукариотической клеточной конструкции и сумела наладить эффективное сотрудничество по передаче наследственной информации.

Бактерия снабжала эукариотическую клетку при делении наследственной информацией, а в качестве вознаграждения за труд получала те питательные вещества, которые синтезировались большим эукариотом, а со временем стала ядром.

Так это было на самом деле или нет, ученым еще предстоит разобраться, а на сегодня они имеют почти полное представление о нуклеоиде бактерии и о тех функциях, которые он выполняет в бактериальной клетке.

Форма нуклеоида и его положение

Одна из основных характеристик нуклеоида – хранителя ДНК бактерии – его кольцевое строение. Однако уже сегодня, по результатам современных исследований, бактериологи различают разные формы устройства нуклеоид. Он может выглядеть как:

• бобовидное тело;
• клубок спутанных толстых веревок;
• кораллоподобная структура с ветвями, ширящимися по всему пространству микроорганизма.

Форма нуклеоида зависит от того, какие белки упаковывали макромолекулу ДНК в хромосому.

В связи с тем, что ядро в бактерии отсутствует, в процессе эволюции был создан способ крепления нуклеоида к цитоплазматической мембране. Это крепление обеспечивает быструю и надежную репликацию хромосом.

Кроме того, согласно данным последних научных исследований, ДНК в нуклеоиде бактерии не является единичной макромолекулой. В некоторых случаях нуклеоид бактерий содержит от 9 до 18 кольцевых ДНК.

Также есть данные, полученные лабораторным путем, что далеко не все ДНК, которые содержатся в прокариотах, имеют кольцевую структуру. Так, например, ДНК спирохеты бореллия (Borrelia burgdorferi), возбудителя клещевого спирохетоза, имеет линейное строение.

Все основные параметры нуклеоида, который содержит наследственную информацию бактерии, активно изучаются, и сегодня этот клеточный органоид характеризуется как:

• кольцевая структура (имеются исключения в виде линейных макромолекул);
• одиночная хромосома (имеются исключения).

Способы репликации

Репликация молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты напрямую связана со способом упаковки и хранения наследственной информации.

Репликация – воспроизводство дочерней ДНК по матрице родительской макромолекулы ДНК. Выделяют три основных вида:

• консервативный (без раскручивания спирали);
• полуконсервативный (родительская спираль раскручивается, и обе части являются матрицами для синтеза дочерних макромолекул);
• дисперсивный (родительская ДНК распадается на множество фрагментов, которые и берутся за основу для синтеза дочерних макромолекул).

В бактериальной клетке репликация идет по полуконсервативному пути. Раскручивание родительской молекулы происходит в результате воздействия ферментов, а по завершении процесса репликации и оформления двух нуклеоидов в теле бактериальной клетки, процесс деления входит в свою самую активную фазу.

Митохондрии

Обеспечение живой клетки энергией – ответственная миссия. Если она будет провалена, никакой речи о делении и наследстве идти не будет.

В бактерии, в которой отсутствуют специальные органеллы (митохондрии) для синтеза АТФ, энергия производится непосредственно в цитоплазме и потребляется всеми клеточными структурами.

У эукариотов совершенно другая картина. Большие клеточные конструкции не могут себе позволить пустить на самотек процесс обеспечения всех своих составляющих энергией. Именно для этих целей служит своеобразная энергетическая станция – митохондрия.

Строение митохондрии и ее роль в большой клетке с ядром – еще одно подтверждение в пользу эволюционного симбиоза бактерий, которые общими усилиями создали эукариотическую клетку.

Митохондрия также содержит ДНК с наследственной информацией, и так же, как в бактерии, эта ДНК не упакована в оформленное ядро, а покоится внутри митохондрии, в качестве двуспиральной кольцевой макромолекулы.

Независимо от того, какая деятельность по передаче наследственной информации происходит в ядре эукариота, митохондрия самостоятельно осуществляет процесс репликации собственной ДНК.

Выработка АТФ митохондрией происходит по тому же пути, что и у бактерий:

• при окислительно-восстановительных реакциях;
• в результате работы мембранного (речь идет о мембране митохондрии) АТФ-синтетазного комплекса.

Именно эти процессы являются основными при снабжении бактерии энергией, и митохондрия эукариота их дублирует.

Как вы считаете, может ли клетка существовать без ядра? Ответ обоснуйте.

У прокариот кольцевая ДНК расположена непосредственно в цитоплазме и успешно выполняет свои функции. Однако строение и деятельность эукариотической клетки гораздо сложнее, чем прокариотической. В связи с этим эукариотам необходимо иметь значительно больше нуклеиновых кислот, которые удобнее локализовать в определенной зоне. Эту проблему решило появление ядерной оболочки и обособление клеточного ядра. Кроме того, ядерная оболочка защищает хроматин от химических и механических повреждений.

Может ли эукариотическая клетка существовать без ядра? В ядре хранится почти вся наследственная информация о структуре белков. Следовательно, без ядра клетка не может развиваться и гибнет. Тем не менее некоторые клетки многоклеточного организма (например, эритроциты человека) утрачивают ядро в ходе роста и специализации; к моменту потери ядра в них уже синтезирован весь необходимый набор белков. Скорость разрушения этих белков определяет срок жизни таких клеток (как правило, несколько недель).

Некоторые экзопланеты глазами художников

Ранее считалось, что каменистые планеты обязательно должны состоять из трех важнейших слоев — оболочки, мантии и ядра, содержащего расплав наиболее тяжелых элементов. Эта дифференциация, по мнению наиболее авторитетных теорий, появлялась уже на ранних стадиях их эволюции, когда наблюдались особенно столкновения с другими небесными телами, а на самих планетах шли мощные радиоактивные процессы. Все это раскаляло молодые планеты, и более тяжелые элементы оседали ближе к центру.

Впрочем, открытие планет далеко за пределами нашей Солнечной системы, которое весьма активно идет в последние годы, демонстрирует целую галерею весьма странных по нашим меркам миров. Имеется среди них и планета, состоящая из колоссального алмаза («Триллионы карат »), и планета, сумевшая выжить после поглощения красным гигантом («Воля к жизни »), и даже те, которые вообще, на взгляд астрономов, не должны были бы существовать («Экзотическая экзопланета »). А группа астронома Сары Сигер (Sara Seager) теоретически описала еще один весьма экзотический вариант — «безъядерные» каменистые планеты.

Такие экзопланеты в ходе своего развития дифференцируются на два слоя, не формируя ядра. Это, по мнению ученых, может случаться, если в ходе зарождения планеты она оказывается в слишком богатом водой окружении. Железо вступает с ней во взаимодействие, образуя оксид быстрее, чем успевает осесть ближе к центру планеты в чистом металлическом виде.

Заметим, что сегодняшние технологии не позволяют строго подтвердить на практике эти теоретические выкладки. Столь небольшие тела на таких огромных расстояниях разглядеть весьма трудно — не говоря уж о том, чтобы детально изучать их химический состав.

Но одно о подобных «безъядерных» телах можно сказать вполне определенно: на них вряд ли найдутся братья по разуму, да и вообще какая-нибудь жизнь (по крайней мере, в том виде, в котором мы привыкли ее представлять). Дело в том, что именно расплавленное ядро подобных Земле планет порождает вокруг них мощное магнитное поле, которое надежно оберегает живые организмы от целого ряда неприятностей — прежде всего, от потоков заряженных частиц, которым Солнце непрерывно бомбардирует окрестности. Такое воздействие может оказаться смертельно опасным, вызывая и свободнорадикальные реакции, и опасно высокий уровень мутагенности.

Кстати, группа Сары Сигер уже появлялась в наших сообщениях. Напомним, что именно эти ученые составили свой вариант сводной таблицы всех экзопланет: «