Клетъчно ядро се нарича най-големият клетъчен органел на еукариотните клетки, който е носител на наследствената информация. Тъй като клетъчните процеси в процеса на еволюция се усложнили неимоверно, възникнала необходимостта наследственият материал да се отдели от цитоплазмата и клетъчните процеси посредством плазмена мембрана и така се формирало клетъчно ядро.
Наличието на клетъчно ядро, като белег за класифициране
Не всички клетки притежават този органел. Безядрени са много организми и те формират две огромни надцарства – Еубактерия и Археа. Всички организми, чиито клетки имат клетъчно ядро са част от царство Еукариота и носят названието еукариотни организми. Към тях спадат както едноклетъчни, така също и колониални и многоклетъчни организми в това число и човека. В редки случаи някои силно специализирани еукариотни клетки губят ядрата си, за да могат да изпълняват по-добре своите функции. Пример за такива клетки са червените кръвни телца в човешкия организъм – еритроцитите.
Броят, разположението и формата на клетъчните ядра могат да бъдат разнообразни в различните видове клетки. Обикновено всяка еукариотна клетка има само едно клетъчно ядро, но се срещат специализирани клетки с повече ядра. Те се получават или в резултат на няколко ядрени деления на едноядрена клетка, които е се съпровождат с делене на клетъчното тяло, или при сливане на едноядрени клетки. Многоядрени са напречнонабраздените мускулни влакна, клетките на зародишната обвивка, туморни клетки и др.
Моделно представяне на клетка и ядрото в нея; източник на изображението: https://ghr.nlm.nih.gov/
Характеристики на ядрото
Ядрото е разположено обикновено в централната зона на клетката, но може да бъде и в периферията (растителните клетки), като заема 1/4 -1/3 от клетъчния обем. Най-често то има сферична форма, но се срещат клетки и с друга форма, например удължено (мускулни влакна), сегментирано (някои левкоцити).
Клетъчното ядро съдържа приблизително 20-25% ДНК, 5% РНК, 70-75% белтъци и още липиди, йони и др. Ядрените белтъци са два вида – основни (хистони и протамини) и нехистонови. Белтъците в ядрото изграждат ядрения хроматин и ензимите, участващи в ядрените процеси.
Основните части на ядрото са хроматинът, ядрената обвивка, ядрения сок и ядърцата.
Хроматин, хромозоми и ядрени белтъци
Хроматинът е главното съдържимо на ядрото и в неговия състав влизат молекулите на ДНК. Той представлява надмолекулен нишковиден комплекс от белтъци, ДНК и др вещества. Нишките на хроматина в неделящо се ядро могат да са захванати в порите на ядрената мембрана. Самият хроматин може да бъде компактен (хетерохроматин) или рехав (еухроматин). Допуска се, че само ДНК молекулите на еухроматина участват в предаването на наследствената информация.
Преди клетъчното делене хроматиновите нишки се удвояват с помощта на процеса репликация в края на интерфазата. В началото на клетъчното делене хроматиновите нишки се спирализират много силно и оразуват огромни надмолекулни комплекси наречени хромозоми. Броят на хромозомите и техните размери са строгоспецифични за всеки вид.
разрез и устройство на клетъчно ядро
Всяка хромозома е съставена от две спирализирани молекули ДНК, носещи названието сестрински хроматиди. Те са напълно идентични, тъй като едната е точно матрично копие на другата, получено през процеса репликация. Двете хроматиди са свързани посредством първично прищипване наречено центромер. За всяка хромозома то се намира на специфично точно определено място, като разделя хроматидите на късо (p) и дълго (q) рамо.
При процеса на делене центромерът помага на хромозомите да се захванат за нишките на делителното вретено. В структурата на някои хромозоми може да се наблюдава вторично прищъпване. Участъкът от хроматидата отделен посредством вторичното прищъпване се нарича сателит.
Кариотип
Всяка клетка в индивидите от един вид съдържа еднакъв и точно определен брой хромозоми … всяка с изключение на зрелите полови клетки както и на някои туморни. Човешките соматични клетки съдържат 23 хомоложни двойки хромозоми или общо 46 хромозоми – 44 автозоми и 2 полови хромозоми – (диплоиден набор). Човешките полови клетки съдържат 23 единични хромозоми – по една от всяка хомоложна двойка – (хаплоиден набор).
Половите хромозоми определят пола на всеки индивид. Във всяка една човешка зряла полова клетка има „Х“ или „У“ полова хромозома. „У„-хромозомата се съдържа само в половите клетки (сперматозоидите) на мъжките индивиди и наличието ѝ в зиготата (оплодената яйцеклетка) определя мъжкия пол.
Ако яйцеклетката се оплоди от сперматозоид с „Х„-полова хромозома плодът ще бъде от женски пол. При нормални обстоятелства жените имат само „Х“ полови хромозоми. Броят и формата на хромозомите в клетките на индивидите от един вид са характерна за вида отличителна черта, която се нарича с общото наименование кариотип.
хроматиново преструктуриране и образуване на хромозома
Други структурни елементи на клетъчното ядро
Сред хроматина се разполага едно или няколко ядърца. Ядърцето е овална структура, която не е ограничена със собствена мембрана. В сравнение с хроматина то съдържа малко количество ДНК, но е богато на РНК. В него се синтезира рибозомната РНК на клетката и започва формирането на рибозомите. Ядърцето се образува от сателита на вторичното прищъпване. При деленето на клетката то се разрушава, но при окончателното оформяне на дъщерните клетки, в техните ядра се изграждат нови ядърца.
Всяко клетъчно ядро съдържа богата на ензими вътрешна течна среда, която е известна под наименованието кариоплазма или още ядрен сок. Кариоплазмата, хроматинът и ядърцата са отделени от заобикалящата ги цитоплазма посредством ядрена мембрана (кариолема,ядрена обвивка).
Кариолемата представлява структура от две трислойни мембрани идентични с клетъчната мембрана. Външната от двете е покрита с рибозоми и е в пряк контакт с клетъчната плазма (цитоплазмата) като на места се свързва с ендоплазмения ретикулум (ЕПР, ЕП Мрежа). Двете мембрани са разделени една от друга посредством пространство (цепнатина) и по цялата си повърхност се свързват помежду си с помощта на ядрени пори.
Ядрените пори служат като транспортни канали, по които преминават високомолекулни вещества навън или навътре в ядрото. В процеса на делене на клетката ядрената мембрана се разгражда. Когато се формират дъщерните клетки, при образуването на техните ядра се изгражда новата кариолема.
Ядрото на клетка е най-важният и органел, който определя нейната идентичност и позволява да се осъществява клетъчното делене. Отстраняването на ядрото при еукариотите прави невъзможно размножаването на клетъчно ниво. Безядрените клетки, които вторично са загубили ядрата си (като еритроцитите) не се делят. Ако ядрото на една клетка замени ядрото на друга при експериментална дейност, то клетката реципиент ще започне да синтезира белтъци характерни за клетката донор и ще придобие нейните характеристики.