Ядро – визначення, структура, діаграма та функції

Ядро — це пов’язана мембраною органела, що міститься в еукаріотичних клітинах і містить генетичний матеріал. Він відповідає за контроль росту клітини, метаболізму та розмноження, регулюючи експресію генів.

Характеристика ядерця

1. Структурна композиція Ядерце — це помітна субструктура в ядрі еукаріотичної клітини, не обмежена мембраною. Він зазвичай сферичний і є місцем синтезу рибосомної РНК (рРНК) і біогенезу рибосом.
2. Розташування та зовнішній вигляд Перебуваючи всередині ядра, ядерце помітно темніше, ніж навколишня нуклеоплазма, якщо спостерігати під електронним мікроскопом, через щільний склад білків і нуклеїнових кислот.
3. Функція та діяльність Основною функцією ядерця є транскрипція рРНК і збірка рибосом, механізму синтезу білка в клітині. Він також бере участь у модифікації, процесингу та згортанні пре-рРНК у зрілу рРНК.
4. Динамічна природа Розмір і кількість ядерець у клітинному ядрі може змінюватись залежно від метаболічної активності клітини. Клітини, які активно синтезують білки, мають більші і численні ядерця.
5. Генетична організація Ядерце організоване навколо ядерцевих організуючих областей (NOR) на різних хромосомах, які містять гени для рРНК. Ці ділянки зближуються всередині ядерця.
6. Транспорт і зв’язок Хоча ядерце не має мембрани, воно проникне для молекул, які беруть участь у збиранні рибосом. Вибірковий рух молекул у ядерце та з нього має вирішальне значення для його функціонування.
7. Вплив клітинного циклу Ядерце розпадається на початку мітозу і знову збирається в дочірніх ядрах, що вказує на його динамічну перебудову протягом клітинного циклу.

Таким чином, ядерце є життєво важливою клітинною структурою, центральною для процесу синтезу білка. Окрім своєї основної ролі в рибосомальному біогенезі, він бере участь у різних інших клітинних процесах, включаючи регуляцію клітинного циклу та реакції на стрес. Отже, з огляду на його функції, ядерце є не просто статичним утворенням, а дуже динамічним і чуйним компонентом ядра клітини.

Будова ядра/частини ядра

1. Хроматин/хромосоми

• Будова та класифікація хроматину У стані, що не ділиться, хроматин клітини організований у довгі заплутані структури. Цей хроматин можна розділити на два різні типи: гетерохроматин і еухроматин. Гетерохроматин, як правило, розташований поруч із ядерною мембраною, щільно упакований і транскрипційно неактивний. Навпаки, еухроматин є більш ніжною і менш конденсованою формою хроматину, поширеною в клітинах, які активно транскрибують ДНК.
• Ядерні тіла та номенклатура хроматину Окрім розміщення хроматину, ядро ​​містить різні не зв’язані з мембраною сутності, такі як тільця Кахала та крапки сплайсингу. Термін «хроматин» був введений Флеммінгом у 1879 році, описуючи його як ниткоподібну мережу під час міжфазна поділу клітини. Ця мережа, або хроматиновий ретикулум, займає більшу частину ядерного простору і складається з розширених волокон хроматину діаметром приблизно 250 Å.
• Динаміка хроматину під час поділу клітини Під час поділу клітини волокна хроматину конденсуються, утворюючи хромосоми, які після поділу перетворюються на волокна хроматину. Еухроматин являє собою активний хроматин під час інтерфази, тоді як гетерохроматин залишається ущільненим і характеризується зниженою активністю ДНК. Гетерохроматин далі поділяють на конститутивний і факультативний типи, причому перший є постійно конденсованим, а другий умовно.
• Основна одиниця хроматину: нуклеосома Нуклеосома, структурна одиниця хроматину, складається із сегментів ДНК, намотаних навколо ядер білків-гістонів. Таке розташування сприяє конденсації ДНК, щоб вона помістилася всередині клітини, а також відіграє вирішальну роль у регуляції генів.
• Функції хроматину і хромосом
  • Упаковка ДНК: Хроматин ущільнює ДНК, щоб поміститися в ядро ​​клітини, захищаючи генетичний матеріал від пошкодження та полегшуючи його зберігання та транспортування.
  • Регуляція експресії генів: Структура хроматину відіграє важливу роль у експресії генів, впливаючи на доступність генів для механізму транскрипції.
  • Реплікація та відновлення ДНК: Організація хроматину має вирішальне значення для синхронізації та точності реплікації ДНК і механізмів відновлення під час поділу клітини.
  • Сегрегація хромосом: Правильне вирівнювання та сегрегація хромосом під час мітозу та мейозу забезпечуються структурною цілісністю хроматину.
  • Епігенетична спадковість: Модифікації хроматину, такі як метилювання та ацетилювання, можуть успадковуватися наступними поколіннями клітин, впливаючи на експресію генів і клітинну диференціацію.

  2. Ядерна ДНК

  Ядерна ДНК міститься в ядрі еукаріотичних клітин і становить більшу частину геному організму. На відміну від позаядерної ДНК, яка міститься в мітохондріях (мтДНК) і хлоропластах (цпДНК), які існують у кількох копіях завдяки великій кількості органел, ядерна ДНК, як правило, одна на клітину. Ця ДНК складно упакована в структури хроматину за допомогою білків-гістонів, процес, не характерний для мтДНК і цпДНК.

  • Нуклеїнові кислоти та склад ДНК Нуклеїнові кислоти, включаючи ДНК і РНК, є важливими макромолекулами, присутніми у всіх живих клітинах. Вони служать середовищем для передачі генетичної інформації з покоління в покоління. ДНК складається з нуклеотидів — аденіну (A), цитозину (C), гуаніну (G) і тиміну (T), розташованих у певній послідовності, утворюючи подвійну спіраль. РНК відрізняється тим, що містить урацил (U) замість тиміну (T).
  • Геномні пропорції та позаклітинна ДНК Ядерна ДНК містить значну частину генетичного матеріалу клітини, а решта розташована позаядерно в органелах, таких як мітохондрії та хлоропласти. Позаядерна ДНК, така як цпДНК і мтДНК, присутня в численних копіях, що відображає множинність цих органел всередині клітини, на відміну від одиночного характеру ядра.
  • Структура хроматину та упаковка ДНК Ядерна ДНК конденсується в хроматин через взаємодію з гістонами, полегшуючи організацію та ущільнення ДНК у ядрі. Це структурне утворення має вирішальне значення для регуляції експресії генів і реплікації ДНК.
  • Функції ядерної ДНК
    • Зберігання генетичної інформації: Ядерна ДНК є сховищем генетичної інформації, сегментованої на гени, які визначають структурні та функціональні властивості організму.
    • Експресія генів: Він служить шаблоном для синтезу білків і РНК, причому експресія генів ретельно регулюється структурою хроматину та іншими молекулярними механізмами.
    • Реплікація ДНК: Перед поділом клітини ядерна ДНК дублюється для забезпечення кожного дочірня клітина успадковує повний генетичний набір. Цей процес реплікації суворо контролюється для підтримки цілісності генома.
    • Ремонт ДНК: Клітина використовує численні стратегії для відновлення пошкоджень ядерної ДНК, спричинених впливом навколишнього середовища, таким чином зберігаючи геномну стабільність.
    • Генетична варіація: Мутації в ядерній ДНК сприяють генетичному різноманіттю, еволюції та потенційно різноманітним захворюванням.
    • Спадкування: За допомогою статевого розмноження ядерна ДНК передається нащадкам, поєднуючи генетичний матеріал обох батьків для посилення генетичної різноманітності.

    3. Ядерні тіла

    • Типи ядерних тіл Крім ядерця, ядро ​​містить ще кілька видів ядерних тіл. До них належать:
      • Тіла Кахаля: бере участь у дозріванні snRNP і snoRNP, необхідних компонентів для сплайсингу.
      • Gemini of Cajal Bodies (самоцвіти): пов’язаний з тільцями Кахаля та залучений до біогенезу snRNP.
      • Домени поліморфної інтерфазної каріосомної асоціації (PIKA).: Функції менш визначені, але вважаються залученими до ядерної архітектури.
      • Органи промієлоцитарної лейкемії (ПМЛ).: Участь у різних процесах, включаючи відновлення ДНК та апоптоз.
      • Зварювання спеклів: Містять фактори сплайсингу пре-мРНК і беруть участь у процесі сплайсингу.
      • Параспеклі: відіграє роль у регуляції експресії генів, утримуючи РНК у ядрі.
      • Періхроматинові фібрили: пов’язаний з активними сайтами транскрипції.
      • Кластосоми: бере участь у деградації білків у ядрі. Ядерні тіла можна далі класифікувати за їхньою складністю на прості (тип I і II) і складні (тип III, IVa і V).
      • Біогенез рибосом: ядерце є центральним для виробництва рибосом, які необхідні для синтезу білка.
      • Процесинг РНК: Тіла, такі як тільця Кахала, є невід’ємною частиною дозрівання та модифікації молекул РНК, що включає сплайсинг, редагування та транспортування.
      • Ремонт ДНК: Суб’єкти, такі як тіла PML, сприяють відновленню та підтримці ДНК, забезпечуючи геномну стабільність.
      • Регуляція транскрипції: Певні ядерні тіла, включаючи тільця PML і тільця Polycomb, регулюють експресію генів за допомогою ремоделювання хроматину та епігенетичних модифікацій.
      • Реакція на стрес: Ядерні тіла, такі як тільця ядерного стресу та параспекли, утворюються у відповідь на клітинний стрес, секвеструючи білки та молекули РНК як частину адаптивної відповіді клітини.
      • Сигналізація: Ядерні спекли полегшують сигнальні шляхи, опосередковуючи зв’язок між ядром і цитоплазмою.

      4. Ядерна матриця

      • Структурний склад ядерної матриці Ядерний матрикс — це волокниста мережа всередині ядра, що складається з фібрил, що містять білок, які перетинаються, утворюючи каркасну структуру. Цю матрицю часто порівнюють зі скелетом через її роль у підтримці форми та цілісності ядра, навіть коли ДНК і хроматин екстрагуються.
      • Порівняння з цитоскелетом Аналогічно цитоскелету, який міститься в цитоплазмі, ядерний матрикс забезпечує структурну підтримку ядра. Однак він більш динамічний за своєю природою, ніж цитоскелет. Ядерний матрикс охоплює ядерну пластинку, щільну фіброзну мережу, яка лежить поруч із ядерною оболонкою, відіграючи вирішальну роль у підтримці форми та розміру ядра.
      • Динамічна природа ядерної матриці Динамічні характеристики ядерної матриці дозволяють їй адаптуватися до різних ядерних процесів. Це не статична сутність, а скоріше адаптивна структура, яка пристосовується до функціональних вимог ядра.
      • Компоненти ядерної матриці Ядерний матрикс включає ядерну пластинку, яка є невід’ємною частиною структурної організації ядра. Ламіна складається з білків проміжних ниток і забезпечує міцну, але гнучку межу, що прилягає до внутрішньої ядерної мембрани.
      • Функції ядерної матриці
        • Ядерна архітектура: Ядерна матриця має ключове значення для підтримки архітектури ядра, забезпечуючи стабільність його форми та структури. Він також відокремлює та організовує ядерні компоненти, такі як хроматин і ядерні тільця.
        • Реплікація та транскрипція ДНК: Виконуючи функцію каркаса, ядерна матриця підтримує збірку необхідних механізмів для реплікації та транскрипції ДНК, сприяючи цим важливим процесам.
        • Регуляція експресії генів: Забезпечуючи структурну платформу для факторів транскрипції та регуляторних білків, ядерна матриця безпосередньо впливає на експресію генів.
        • Організація хроматину: Матриця відіграє важливу роль в організації хроматину, який є критично важливим для належного функціонування генів і загальної роботи клітини.
        • Ядерний транспорт: Діючи як селективний бар’єр, ядерний матрикс регулює рух молекул між ядром і цитоплазмою, таким чином впливаючи на механізми ядерного транспорту.
        • Прогресування клітинного циклу: під час критичних фаз, таких як мітоз і цитокінез, ядерний матрикс сприяє регуляції прогресування клітинного циклу шляхом організації та сегрегації хромосом.

        5. Нуклеоплазма

        • Склад нуклеоплазми Нуклеоплазма, також відома як каріоплазма, є драглистою речовиною всередині ядерної оболонки. Він складається в основному з води, розчинених солей, ферменти, і органічні молекули, створюючи напівводне середовище, схоже на цитоплазму решти клітини.
        • Структурна функціональність Нуклеоплазма забезпечує сприятливе середовище для ядерця і хроматину, пом’якшуючи ці структури та зберігаючи цілісність ядра. Він також підтримує форму ядра, гарантуючи, що воно залишається окремою органелою в клітині.
        • Молекулярний склад У нуклеоплазмі можна знайти різноманітні важливі компоненти, такі як нуклеотиди для синтезу ДНК і РНК, полімерази, іони металів, такі як Mn++ і Mg++, і білки, включаючи гістони та негістони. Ці елементи мають вирішальне значення для складання та функціонування ДНК і формування рибосомальних субодиниць.
        • Транспортно-обмінний механізм Нуклеоплазма сприяє транспортуванню таких матеріалів, як ферменти та нуклеотиди, по всьому ядру. Цей обмін регулюється ядерними порами, які забезпечують вибіркове проходження речовин між нуклеоплазмою та цитоплазмою.
        • Функції нуклеоплазми
          • Експресія генів: Нуклеоплазма відіграє важливу роль у експресії генів, забезпечуючи платформу для механізму транскрипції, який перетворює ДНК на РНК.
          • Процесинг РНК: У ньому містяться ферменти та білки, необхідні для процесингу РНК, включаючи важливі етапи сплайсингу, блокування та поліаденілування.
          • Ядерний транспорт: Нуклеоплазма є центром молекулярного руху, керуючи рухом молекул між ядром і цитоплазмою через ядерні пори.
          • Реплікація та відновлення ДНК: Він пропонує молекулярні компоненти та середовище, необхідні для реплікації та відновлення ДНК, містить набір ферментів і білків, призначених для цих процесів.
          • Організація хроматину: Нуклеоплазма бере участь в організації та підтримці структури хроматину, яка життєво необхідна для правильної експресії генів і клітинних операцій.
          • Сигналізація: містить сигнальні молекули, такі як фактори транскрипції та ферменти, які регулюють експресію генів у відповідь на різноманітні внутрішні та зовнішні стимули.

          6. Ядерна оболонка

          • Структурний огляд Ядерна оболонка, також відома як ядерна мембрана, являє собою подвійний ліпідний подвійний шар, який охоплює ядро ​​клітини. Він служить бар’єром, що відокремлює ядерний вміст від цитоплазми.
          • Склад і подібність до клітинної мембрани Структура ядерної оболонки, що складається з двох ліпідних подвійних шарів, аналогічна клітинній мембрані. Ця подібність поширюється на його функцію в регулюванні входу та виходу матеріалів, підтримуючи ядро ​​як окремий клітинний компартмент.
          • Ядерні пори та вибіркова проникність Усередині ядерної оболонки вбудовані ядерні пори, складні структури, які керують рухом молекул між нуклеоплазмою та цитоплазмою. Вибіркова проникність оболонки має вирішальне значення, оскільки вона непроникна для великих молекул, таким чином зберігаючи ядерне середовище.
          • Механізми транспорту Ядерний транспорт макромолекул, таких як білки та РНК, полегшується системою активного транспорту, що включає білки-переносники. І навпаки, проходження малих молекул та іонів відбувається пасивно через ядерні пори, слідуючи градієнтам концентрації.
          • Функції ядерної оболонки
            • Ядерна організація: Ядерна оболонка підтримує цілісність ядра, відокремлюючи його компоненти від цитоплазми та сприяючи організації хроматину, ядерець і ядерних тілець.
            • Ядерний транспорт: Він відіграє ключову роль у вибірковому обміні молекул, використовуючи ядерні пори для регулювання цього процесу та забезпечення належного функціонування клітин.
            • Регуляція експресії генів: Контролюючи доступ факторів транскрипції та регуляторних білків, ядерна оболонка опосередковано впливає на експресію генів.
            • Організація хроматину: оболонка сприяє просторовому розташуванню хроматину, тим самим впливаючи на експресію генів і загальну функціональність ядра.
            • Реплікація та відновлення ДНК: Це забезпечує структурну основу для складання необхідного механізму для реплікації та відновлення ДНК, забезпечуючи геномну стабільність.
            • Прогресування клітинного циклу: Під час критичних фаз, таких як мітоз і цитокінез, ядерна оболонка є невід’ємною частиною належної сегрегації хромосом і прогресування клітинного циклу.

            7. Частки

            Ядро клітини, особливо помітне в деяких лейкоцитах, може мати морфологію, що характеризується чіткими частками. Ці частки є областями всередині ядра, розділеними легкими поглибленнями або перетяжками, що створює вигляд дво-, три- або багатолопатевих структур.

            • Класифікація на основі числа часток Класифікація ядра як дводольчатого, тридольчатого або багатодолькового визначається кількістю присутніх часток. Ця морфологічна характеристика особливо помітна в поліморфно-ядерних лейкоцитах, де кількість часток може вказувати на тип клітини та її зрілість.
            • Біологічне значення часткових ядер
              • Ядерна організація: Сегментація ядра на часточки полегшує організацію ядерного вмісту. Це дозволяє просторово розділити різні ядерні компоненти, потенційно допомагаючи в регуляції експресії генів і ядерних процесів.
              • Регуляція експресії генів: Дольчаста структура може сприяти регуляції експресії генів. Існує гіпотеза, що фізичне розділення доменів хроматину в різних часточках може корелювати з сегрегацією активних і неактивних генетичних областей.
              • Взаємодія ядерної оболонки: Частки можуть мати спеціальні взаємодії з ядерною оболонкою. Ці взаємодії можуть впливати на вибірковий обмін молекулами між ядром і цитоплазмою, впливаючи на клітинну функцію та передачу сигналів.
              • Диференціація клітин: часточкова конфігурація ядра часто пов’язана з диференціюванням певних білих кров’яних тілець. Кількість і форма часток може змінюватися в міру дозрівання клітини, що може бути відповіддю на функціональні вимоги протягом життєвого циклу клітини.

              8. Ядерце

              Вперше ядерце було помічено Ф. Фонтаною в 1781 році в слизу шкіри вугра. Це відкриття ознаменувало ідентифікацію ключової клітинної структури, яка присутня в більшості клітин, за винятком деяких м’яз клітини та чоловічі репродуктивні клітини.

              1. Морфологія та присутність Ядерце, як правило, має сферичну форму, хоча існують варіації. Кількість ядерець може відрізнятися в різних організмів, і їх присутність є тимчасовою протягом клітинного циклу. Вони розбираються під час поділу клітини та знову збираються наприкінці процесу в певних хромосомних місцях, відомих як нуклеолярні організуючі області (NOR).
              2. Структурна композиція Ядерце є безмембранним утворенням, цілісність якого підтримується іонами кальцію. Він складається з чотирьох різних регіонів:
                 • Фібрилярна область: Ця область містить нечіткі фібрили, що представляють молекулу-попередницю рибосомальної РНК (рРНК) до ферментативної обробки.
                 • Зерниста область: Цей регіон складається з майже зрілих рибосомальних субодиниць і характеризується електронно-щільними гранулами.
                 • Аморфний регіон: Виконуючи функцію білкової матриці, ця область суспендує гранулярні та фібрилярні компоненти.
                 • Хроматин ядерця: Містить волокна хроматину, цей розділ включає частини ядерцевих хромосом, які керують синтезом рРНК.
              3. Функціональні ролі
                 • Біогенез рибосом: ядерце керує збіркою рибосом шляхом синтезу та об’єднання субодиниць рРНК, які пізніше утворюють повні рибосоми, необхідні для синтезу білка.
                 • Транскрипція рРНК: РНК-полімераза I здійснює транскрипцію рРНК у ядерці, що є ключовим кроком у формуванні рибосом.
                 • Обробка рРНК: ядерце містить необхідний ферментативний механізм для обробки та модифікації рРНК, включаючи розщеплення та хімічні зміни.
                 • Збірка рибосомних субодиниць: це також місце для складання рибосомальних субодиниць, інтегруючи рРНК і рибосомальні білки в прерибосомальні частинки.
                 • Регуляція клітинного циклу: ядерце відіграє роль у регуляції клітинного циклу шляхом моніторингу клітинних сигналів, таких як пошкодження ДНК і статус поживних речовин, що може впливати на виробництво рибосом і загальний синтез білка.

              Діаграма ядра

              Інші ядерні тіла, присутні в ядрі

              Крім добре відомого ядерця, в ядрі міститься кілька окремих структур, відомих як ядерні тіла. Ці тіла не є однорідними за складом або функціями, а радше представляють організовані функціональні субдомени всередині нуклеоплазми. Їх присутність підкреслює складність і високоорганізований характер ядерного середовища.

              1. Тіла Кахаля та дорогоцінні камені Тільця Кахала, також відомі як згорнуті тіла, є щільними вогнищами в ядрі, розміри яких залежать від типу та виду клітини. Вони беруть участь у пов’язаних з РНК процесах, таких як дозрівання малої ядерцевої РНК (snoRNA) і малої ядерної РНК (snRNA), а також у модифікації мРНК гістонів. Дорогоцінні камені, або Близнюки тіл Кахала, тісно пов’язані з тілами Кахала та мають схожі розміри. Однак гемми характеризуються наявністю білка виживання моторного нейрона (SMN) і беруть участь у біогенезі snRNP.
              2. Домени PIKA та PML-ядерні тіла Домени PIKA менш зрозумілі, але ідентифікуються як окремі сутності всередині ядра, безпосередньо не пов’язані з активною реплікацією ДНК або процесингом РНК. Вони часто асоціюються з доменами PTF, які беруть участь у транскрипції snRNA. З іншого боку, ядерні тільця PML, також відомі як тільця Кремера або онкогенні домени PML, містять білок промієлоцитарного лейкозу та беруть участь у різних ядерних функціях, хоча їх точну роль ще належить повністю з’ясувати.
              3. Зварювання спеклів Плями сплайсингу збагачені факторами сплайсингу пре-мРНК і знаходяться в міжхроматинових областях нуклеоплазми. Ці структури є динамічними, з компонентами, які можуть переміщатися між спеклами та іншими ядерними розташуваннями. Спекли асоціюються з посиленням активності генів і функціонально відрізняються на основі їх асоціації з мішенями гена p53.
              4. Параспеклі Параспекли – це компартменти неправильної форми, які секвеструють ядерні білки та РНК, функціонуючи як молекулярна губка для регулювання експресії генів. Вони динамічні, змінюються у відповідь на клітинну метаболічну активність і залежать від транскрипції РНК Pol II.
              5. Періхроматинові фібрили та кластосоми Вважається, що фібрили перихроматину є ділянками активного процесингу пре-мРНК, видимими лише під електронним мікроскопом. Кластосоми, які зазвичай не присутні в нормальних клітинах, утворюються за високих протеолітичних умов і містять компоненти протеасом, що вказує на їх роль у деградації білка.

              Як ядро ​​утворюється всередині клітини, крок за кроком Поясніть або Процедура?

              1. Інтерфаза: Під час інтерфази клітина росте, реплікує свою ДНК і готується до поділу клітини. Генетичний матеріал упакований у хроматин, який розподілений по всьому ядру.
              2. Профаза: Під час профази хроматин конденсується у видимі хромосоми, які стають видимими під мікроскопом. Ядерна оболонка руйнується, і ядерце зникає.
              3. Метафаза: Під час метафази хромосоми вирівнюються на екваторі клітини, відомому як метафазна пластина, і волокна веретена прикріплюються до кінетохорів, які є білковими структурами на хромосомах.
              4. Анафаза: Під час анафази волокна веретена розтягують сестринські хроматиди, розділяючи їх на два набори хромосом. Клітина подовжується, коли волокна веретена розсувають полюси клітини.
              5. Телофаза: Під час телофази хромосоми досягають протилежних полюсів клітини, і навколо кожного набору хромосом починає формуватися нова ядерна оболонка. Хроматин починає розпадатися, і ядерце з’являється знову.
              6. Цитокінез: У клітинах тварин цитокінез включає утворення борозни розщеплення, яка поділяє цитоплазму на дві дочірні клітини. У рослинних клітинах цитокінез включає утворення клітинної пластинки, яка з часом стає новою Клітинна стінка.
              7. Інтерфаза: Після завершення поділу клітин дві дочірні клітини переходять в інтерфазу, і процес клітинного росту та реплікації ДНК починається знову.

              Як вивчати Ядро?

              Вивчення ядра всередині клітини можна проводити за допомогою різних методів і підходів, залежно від конкретного питання, яке розглядається. Ось кілька поширених методів дослідження ядра:

              1. Мікроскопія: Структуру ядра можна візуалізувати за допомогою різних форм мікроскопії, включаючи світлову мікроскопію, флуоресцентну мікроскопію та електронну мікроскопію. Ці методи можуть виявити морфологію, організацію та склад ядра, а також локалізацію конкретних молекул у ядрі.
              2. Біохімічний аналіз: Компоненти ядра можна виділити та проаналізувати за допомогою біохімічних методів, таких як очищення білка та секвенування ДНК. Ці підходи можуть дати розуміння молекулярного складу та функції ядра.
              3. Генетичні маніпуляції: Функцію ядра можна досліджувати шляхом генетичного маніпулювання клітинами для зміни експресії або активності певних генів або білків. Це можна зробити за допомогою таких методів, як нокдаун або нокаут гена, надмірна експресія або редагування гена за допомогою CRISPR/Cas9.
              4. Зображення живих клітин: Поведінку ядра всередині живої клітини можна вивчити за допомогою методів візуалізації живих клітин. Це дозволяє спостерігати динамічні процеси, такі як ядерний транспорт, реплікація ДНК і ремоделювання хроматину, в режимі реального часу.
              5. Обчислювальне моделювання: Поведінку ядра можна змоделювати за допомогою обчислювальних моделей, які включають біофізичні та біохімічні принципи. Ці моделі можуть дати розуміння основних механізмів, які керують поведінкою ядра.

              Важливі біологічні реакції в ядрі

              1. Транскрипція: ініціація експресії генів Транскрипція є основним етапом експресії генів, що включає синтез інформаційної РНК (мРНК) з матриці ДНК. Цей процес відбувається в ядрі еукаріотичних клітин і каталізується фермент РНК-полімераза. Ланцюг ДНК-матриці зчитується в напрямку від 3′ до 5′, тоді як отриманий ланцюг мРНК формується в напрямку від 5′ до 3′. Цей ланцюг мРНК є комплементарною копією кодуючого ланцюга ДНК, де урацил замінює тимін.
              2. Процесинг РНК: посттранскрипційні модифікації Після транскрипції пре-мРНК зазнає кількох модифікацій у ядрі. Вони включають додавання 5′-заглушки, сплайсинг інтронів і додавання полі-А-хвоста на 3′-кінці. Ці модифікації є вирішальними для стабільності та функціональності молекули мРНК. Без цих модифікацій мРНК швидко розкладалася б у цитоплазмі, запобігаючи її трансляції в білок.
              3. Регуляція трансляції: роль рРНК і тРНК Хоча трансляція відбувається в цитоплазмі, її регуляція глибоко вкорінена в ядрі. Рибосомальна РНК (рРНК) і транспортна РНК (тРНК) синтезуються в ядрі і необхідні для процесу трансляції. рРНК формують ядро ​​структури рибосом і функціонують у каталізі синтезу білка. тРНК служать адаптерами, які транслюють кодони мРНК у відповідні амінокислоти.
              4. Реплікація ДНК: дублювання генетичного матеріалу Реплікація ДНК є критично важливим процесом, який гарантує, що кожна нова клітина отримує точну копію ДНК. Це відбувається під час S-фази клітинного циклу, що передує поділу клітини. Процес реплікації є напівконсервативним, тобто кожна нова молекула ДНК складається з одного оригінального ланцюга та одного нового комплементарного ланцюга. Це точне дублювання є фундаментальним для підтримки генетичної цілісності в поколіннях клітин.
              5. Хід клітинного циклу: підготовка до поділу Ядро є невід’ємною частиною прогресування клітинного циклу. Реплікація ДНК в ядрі є підготовчим етапом для мітозу або мейозу, гарантуючи точне розділення генетичного матеріалу на дочірні клітини. Ядро керує цими процесами, регулюючи час і швидкість реплікації та поділу.

              Функції ядра

              1. Регуляція структурного синтезу білків Ядро керує синтезом структурних білків, які мають вирішальне значення для підтримки цілісності клітини. Цей процес забезпечує збереження форми та функціональності клітин.
              2. Метаболічна регуляція Ферментативні білки, синтезовані під керівництвом ядра, регулюють метаболізм клітини. Таким чином, ядро ​​відіграє ключову роль в управлінні біохімічними процесами, які підтримують життя.
              3. Сховище генетичної інформації У ядрі міститься генетичний матеріал, необхідний для розмноження, розвитку та поведінкових рис. Це генетичне сховище має вирішальне значення для безперервності організму та його еволюційного прогресу.
              4. Реплікація ДНК Реплікація, фундаментальний клітинний процес, відбувається в ядрі. Це гарантує точне копіювання та передачу генетичної інформації під час поділу клітини.
              5. Утворення субодиниці рибосоми Ядро є місцем утворення субодиниці рибосоми. Рибосоми необхідні для синтезу білків, перетворення генетичної інформації у функціональні білки.
              6. Генетична мінливість та еволюція Генетичні варіації, які є рушійною силою еволюції, розвиваються в ядрі, сприяючи різноманітності життя.
              7. Активація генів і диференціація клітин Ядро регулює активацію генів, що відіграє важливу роль у диференціації клітин. Це дозволяє клітинам набувати спеціалізованих функцій.
              8. Контроль спадкових ознак Спадкові ознаки контролюються ядром. Він діє як зберігач генетичного плану організму, впливаючи на його успадковані характеристики.
              9. Синтез білка та клітинні функції Ядро відповідає за нагляд за синтезом білка, який є невід’ємною частиною клітинного поділу, росту та диференціювання.
              10. Зберігання хроматину та наявність РНК Хроматин, комплекс ДНК і білка, зберігається в ядрі разом з РНК, яка життєво необхідна для різних клітинних процесів.
              11. Сайт транскрипції Ядро служить місцем для транскрипції, де синтезується інформаційна РНК (мРНК) для виробництва білка.
              12. Утворення хромосом під час поділу клітини Під час поділу клітини волокна хроматину ретельно організовуються в хромосоми в ядрі.
              13. Виробництво рибосом Ядерце, розташоване всередині ядра, відповідає за виробництво рибосом, клітинних «фабрик білків».
              14. Вибірковий транспорт через ядерні пори Ядро вибірково транспортує регуляторні фактори та молекули енергії через свої пори, підтримуючи клітинний гомеостаз.
              15. Регуляція росту та розмноження клітин Будучи сховищем генетичної інформації, ядро ​​регулює ріст і розмноження клітин, забезпечуючи виживання клітинної лінії.
              16. Торгівля протеїном Білки транспортуються через ядро ​​за допомогою ядерного експортного сигналу, полегшуючи внутрішньоклітинний зв’язок і транспорт.
              17. Подвоєння ДНК і поділ клітин У ядрі починається реплікація ДНК, що призводить до поділу клітини, де кожна нова клітина успадковує повний набір ДНК.
              18. Виробництво РНК Через транскрипцію в ядрі утворюються різні типи РНК, які необхідні для синтезу білка та інших функцій клітини.
              19. Хромосомна організація Під час поділу клітини ядро ​​розподіляє хроматин у видимі хромосоми, забезпечуючи точний генетичний розподіл.

              Захворювання пов’язані з дефектами в ядрі

              Дефекти в ядрі можуть призвести до різних захворювань. Ось кілька прикладів:

              1. рак: Рак часто спричинений мутаціями в генах, які регулюють ріст і поділ клітин. Ці мутації можуть відбуватися в ядрі, що призводить до неконтрольованого росту клітин і утворення пухлин.
              2. Генетичні порушення: Багато генетичних розладів викликані мутаціями в генах, які розташовані в ядрі. Ці мутації можуть впливати на структуру або функцію білків, що призводить до широкого діапазону симптомів залежно від ураженого гена.
              3. Нейродегенеративні захворювання: Кілька нейродегенеративних захворювань, таких як хвороба Альцгеймера та хвороба Хантінгтона, спричинені накопиченням аномальних білків у ядрі та цитоплазмі нейронів.
              4. Імунодефіцитні розлади: Деякі імунодефіцитні розлади, такі як важкий комбінований імунодефіцит (ТКІД), спричинені мутаціями в генах, які регулюють розвиток і функціонування імунних клітин у ядрі.
              5. Прогерія: Прогерія — це рідкісне генетичне захворювання, яке викликає передчасне старіння. Це викликано мутацією гена LMNA, який знаходиться в ядрі і кодує білок, який допомагає підтримувати форму ядра.
              6. М’язова дистрофія: М’язова дистрофія – це група генетичних захворювань, які викликають прогресуючу м’язову слабкість і дегенерацію. Багато форм м’язової дистрофії спричинені мутаціями в генах, які розташовані в ядрі та беруть участь у функціонуванні та розвитку м’язів.

              Типи клітин на основі ядра

              На основі наявності або відсутності клітини класифікують кілька типів клітин. Багато різновидів описані нижче:

              1. Одноядерна клітина: Він також відомий як монокаріотичні клітини, які є переважно рослинними клітинами з одним ядром.
              2. Двоядерна клітина: Також відома як дикаріотична клітина. Він включає два ядра одночасно. Прикладами є один парамецій (з мега- та мікроядрами), балантидій, клітини печінки та клітини хряща.
              3. Багатоядерні клітини: Її також називають багатоядерною клітиною, оскільки вона має більше двох ядер одночасно. Наприклад, рослини латексних клітин і латексних трубок. клітини поперечно-смугастої мускулатури та клітини кісткового мозку ссавців.
              4. Енуклеативні клітини: Клітини без ядра відомі як енуклеатні клітини. Проте деякі живі клітини, такі як зрілі ситоподібні трубки флоеми та зрілі еритроцити ссавців, не мають ядер.

              Робочий аркуш ядра

              FAQ

              Що таке ядро?

              Ядро — це пов’язана з мембраною органела, що міститься в еукаріотичних клітинах і містить генетичний матеріал у формі хромосом.

              Яку функцію виконує ядро?

              Ядро відіграє вирішальну роль у регуляції експресії генів, реплікації ДНК і поділу клітин.

              Яка будова ядра?

              Ядро має подвійну мембрану, відому як ядерна оболонка, яка охоплює нуклеоплазму, хроматин і ядерце.

              Як генетична інформація зберігається в ядрі?

              Генетична інформація зберігається у формі молекул ДНК, які упаковані в хроматин і організовані в хромосоми під час поділу клітини.

              Що таке ядерце?

              Ядерце – це субструктура всередині ядра, яка бере участь у синтезі та складанні рибосом.

              Яким чином ядро ​​взаємодіє з рештою клітини?

              Ядро взаємодіє з рештою клітини через ядерні пори, які забезпечують обмін молекулами між ядром і цитоплазмою.

              Яка роль ядерної матриці?

              Ядерний матрикс забезпечує структурну підтримку ядра та допомагає організувати хроматин.

              Що таке ядерні тіла?

              Ядерні тіла — це спеціалізовані структури в ядрі, які беруть участь у різних клітинних процесах, таких як процесинг РНК і відновлення ДНК.

              Як ядро ​​відтворює свою ДНК під час поділу клітини?

              Ядро реплікує свою ДНК під час S-фази клітинного циклу, що включає розкручування подвійної спіралі, синтез нових ланцюгів і перемотування спіралі.

              Які захворювання пов’язані з дефектами ядра?

              Дефекти в ядрі можуть призвести до різних захворювань, таких як рак, генетичні розлади та нейродегенеративні захворювання.

              1. Купер Г.М. Клітина: молекулярний підхід. 2-е видання. Сандерленд (Массачусетс): Sinauer Associates; 2000. Розділ 8, Ядро. Доступно з: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9845/
              2. https://www.biologyonline.com/dictionary/nucleus
              3. https://micro.magnet.fsu.edu/cells/nucleus/nucleus.html
              4. https://www.geeksforgeeks.org/nucleus/
              5. https://www.genome.gov/genetics-glossary/Nucleus