Yadro_kletki_redizain_v12

1.

ЯДРО КЛЕТКИ
Строение, функции, история открытия и учёные,
которые изменили представления о клетке
Расширенный материал по биологии для 11 класса
Главная идея: ядро — не просто «мешочек с ДНК», а организованная система
хранения, чтения и передачи наследственной информации.
В презентации: от первых микроскопических наблюдений XVII века до молекулярной биологии XXI века.

2.

02 БИОЛОГИЯ • 11 КЛАСС
Что такое ядро клетки?
Ядро характерно для эукариот — животных, растений, грибов и многих одноклеточных организмов.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ПОЧЕМУ ОНО ВАЖНО
Клеточное ядро — ограниченный
двойной мембраной органоид,
содержащий основную часть
генетического материала
эукариотической клетки. В ядре
хранится ДНК, организованная в
хромосомы; здесь же происходит
считывание многих генов и
образование различных видов
РНК.
Последовательности ДНК
содержат инструкции для синтеза
РНК и белков. Через регуляцию
активности генов ядро участвует в
росте, обмене веществ,
специализации клеток, ответе на
сигналы и подготовке к делению.
Оно не «управляет» клеткой
сознательно: процессы
обеспечиваются молекулярными
взаимодействиями.
ГДЕ ЕЩЁ ЕСТЬ ДНК?
У эукариот основная часть ДНК находится в ядре, но митохондрии имеют собственный геном, а у растений и
водорослей собственная ДНК есть также у пластид. У бактерий и архей оформленного ядра нет: их генетический
материал расположен в области нуклеоида.
2

3.

03 БИОЛОГИЯ • 11 КЛАСС
Строение ядра: что находится внутри?
У разных клеток форма, размер и положение ядра могут различаться.
ЯДЕРНАЯ ОБОЛОЧКА
ЯДЕРНЫЕ ПОРЫ
Состоит из двух мембран.
Наружная мембрана связана с
эндоплазматической сетью, а
пространство между мембранами
продолжается в её полость.
Оболочка отделяет ядерное
содержимое от цитоплазмы и
помогает поддерживать особую
среду
для работы ДНК.
КАРИОПЛАЗМА
И ЯДЕРНЫЙ
Это крупные белковые комплексы,
встроенные в оболочку. Они не
являются простыми отверстиями:
транспорт через них регулируется.
Из ядра выводятся многие РНК, а
внутрь поступают белки,
необходимые для копирования
ДНК, регуляции генов и сборки
хроматина.
ЯДРЫШКО И ЯДЕРНАЯ
Внутренняя среда ядра содержит
воду, ионы, нуклеотиды, белки,
ферменты и множество
молекулярных комплексов. Термин
«ядерный матрикс» использовали
для описания внутренней
организации, однако детали этой
концепции и её интерпретации
Ядрышко — область, где
синтезируется рибосомная РНК и
начинается сборка субъединиц
рибосом. Ядерная ламина — сеть
белков под внутренней мембраной;
она поддерживает форму ядра и
участвует в организации
хроматина. Ядрышко не окружено
МАТРИКС
ЛАМИНА
3

4.

04 БИОЛОГИЯ • 11 КЛАСС
ДНК, гены, хроматин и хромосомы
Эти понятия связаны между собой, но обозначают разные уровни организации наследственного материала.
ДНК
ГЕН
Дезоксирибонуклеиновая кислота
Ген — участок ДНК, информация
— молекула из двух цепей
которого используется для
нуклеотидов. Порядок азотистых
образования функционального
оснований образует генетическую
продукта: молекулы РНК или белка
последовательность. Участки ДНК
через промежуточную РНК. Работа
могут содержать гены или
генов зависит от типа клетки, её
ХРОМАТИН
ХРОМОСОМЫ
выполнять регуляторные и
состояния и сигналов среды.
структурные
ДНК связанафункции.
с белками, в том
Хромосома — организованная
числе гистонами, и упакована в
структура из ДНК и белков. В
хроматин. Упаковка экономит
интерфазе хромосомы существуют,
место и регулирует доступ к генам.
но обычно не видны как отдельные
Эухроматин обычно менее плотно
плотные тела. Перед делением
упакован, а гетерохроматин —
хроматин уплотняется, поэтому
плотнее; однако активность нельзя
хромосомы легче различать в
Связь понятий:
ДНК
содержит гены; ДНК
вместе с
белками
образует
определить
только
по внешнему
микроскоп.
Перед
делением
ДНК
хроматин;
хроматин организован в хромосомы.
виду
участка.
предварительно удваивается.
4

5.

05 БИОЛОГИЯ • 11 КЛАСС
Главные функции ядра
Работа ядра тесно связана с цитоплазмой, рибосомами, эндоплазматической сетью и другими структурами клетки.
ХРАНЕНИЕ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ
ТРАНСКРИПЦИЯ
Ядро сохраняет большую часть генома клетки.
Молекулы ДНК должны быть защищены от
повреждений и точно копироваться перед делением.
Специальные белки распознают повреждения и
участвуют в восстановлении последовательности.
Во время транскрипции фермент РНК-полимераза
использует участок ДНК как матрицу для синтеза РНК.
У эукариот многие первичные РНК затем
обрабатываются: из них удаляются интроны,
соединяются экзоны, добавляются специальные
структуры, повышающие стабильность и помогающие
транспортировке.
РЕГУЛЯЦИЯ ГЕНОВ
ОБРАЗОВАНИЕ РИБОСОМНЫХ СУБЪЕДИНИЦ
Клетки организма имеют почти одинаковый геном, но
выполняют разные задачи, потому что используют
разные наборы генов. На активность генов влияют
регуляторные белки, химические модификации ДНК и
гистонов, состояние хроматина и сигналы,
поступающие из окружающей среды.
В ядрышке синтезируется большая часть рРНК, а
рибосомные белки, произведённые в цитоплазме,
доставляются в ядро. Там начинается сборка
субъединиц, которые затем выходят через ядерные
поры. Сам синтез белка происходит на рибосомах в
цитоплазме или на шероховатой ЭПС.
5

6.

06 БИОЛОГИЯ • 11 КЛАСС
Ядро в клеточном цикле и при делении
Изменения ядра позволяют распределить генетический материал между дочерними клетками.
ИНТЕРФАЗА
МИТОЗ
В интерфазе клетка растёт,
выполняет свои функции и
готовится к делению. В S-фазе
ДНК удваивается. Хроматин в
значительной степени
разрыхлён, что позволяет
считывать гены и копировать
ПОЧЕМУ
НУЖНО
УДВОЕНИЕ
ДНК. Интерфаза
— активная
часть клеточного цикла, а не
ДНК
периодрепликации
«отдыха». каждая
После
хромосома состоит из двух
сестринских хроматид. При
нормальном митозе хроматиды
распределяются так, чтобы
каждая дочерняя клетка
получила полный набор
хромосом. Ошибки
распределения могут привести к
изменению числа хромосом и
В ходе митоза хромосомы
уплотняются, выстраиваются в
клетке, а сестринские хроматиды
расходятся к противоположным
полюсам. У многих эукариот
ядерная оболочка временно
распадается и затем
формируется
заново.
МИТОЗ И МЕЙОЗ
— НЕ
Подробности
процесса
ОДНО И ТО ЖЕ
различаются у разных групп
организмов.
Митоз
обычно обеспечивает
рост, обновление и бесполое
размножение. Мейоз происходит
при образовании половых клеток
или спор у соответствующих
организмов, включает два
последовательных деления и
уменьшает число наборов
хромосом вдвое. В мейозе также
6

7.

07 БИОЛОГИЯ • 11 КЛАСС
Первые микроскопы: как возникла клеточная биология
Историю ядра важно рассматривать в контексте развития микроскопии и постепенного формирования клеточной
теории.
РОБЕРТ ГУК — 1665 ГОД
Английский учёный Роберт Гук опубликовал книгу Micrographia
(«Микрография»), в которой представил подробные рисунки объектов,
увиденных под микроскопом. Рассматривая пробку, он заметил множество
маленьких полостей и назвал их cellulae — «клеточки». Он описывал
мёртвые клеточные стенки пробки, а не ядро живой клетки. Это
наблюдение стало важным этапом в истории термина «клетка».
Роберт Гук
Антони ван
Левенгук
АНТОНИ ВАН ЛЕВЕНГУК
Нидерландский исследователь усовершенствовал простые микроскопы и
описывал бактерии, простейших, сперматозоиды и другие
микроскопические объекты. Его наблюдения расширили представления о
живом мире. Однако утверждение, что именно Левенгук однозначно открыл
клеточное ядро, было бы чрезмерным упрощением: ранние описания
внутренних структур не всегда можно уверенно сопоставить с современным
понятием ядра.
Клетки под
микроскопом
7

8.

08 БИОЛОГИЯ • 11 КЛАСС
Роберт Броун: описание ядра в 1831 году
Шотландский ботаник (1773–1858); один из ключевых исследователей в истории клеточного ядра.
ЧТО ИМЕННО СДЕЛАЛ БРОУН?
В 1831 году, изучая клетки растений, особенно эпидермис орхидей,
Роберт Броун обратил внимание на небольшое плотное образование
внутри клеток. Он описал его как постоянную и широко
встречающуюся структуру и использовал термин nucleus — «ядро».
Результаты были представлены научному сообществу, а
опубликованы в 1833 году. Именно систематическое описание и
закрепление названия сделали его имя центральным в истории
открытия ядра.
ПОЧЕМУ НЕ СТОИТ ГОВОРИТЬ, ЧТО ДО НЕГО ЯДРО НИКТО НЕ ВИДЕЛ
1831
ОПИСАНИЕ
КЛЕТОЧНОГ
О ЯДРА
Научное
наблюдение →
точное
описание →
название
Роберт Броун
Некоторые наблюдатели раньше описывали структуры, которые могли соответствовать ядру, но интерпретация этих
наблюдений была неполной. В истории науки важно различать случайное наблюдение, точное описание,
распознавание общей закономерности и введение научного термина. Поэтому Броуна обычно называют учёным,
который дал ядру чёткое описание и название, а не единственным человеком, когда-либо замечавшим его.
8

9.

09 БИОЛОГИЯ • 11 КЛАСС
Шлейден и Шванн: клеточная теория
К середине XIX века ядро изучали уже в рамках более широкого вопроса: из чего построены растения и животные?
МАТИАС ШЛЕЙДЕН — 1838 ГОД
Немецкий ботаник Маттиас Якоб Шлейден утверждал, что все растения состоят из клеток, и считал ядро важным
для развития растительных клеток. Он помог сделать клетку центральным понятием ботаники. При этом часть его
представлений о том, как образуются новые клетки, оказалась ошибочной: научные теории развиваются и
уточняются по мере появления новых наблюдений.
ТЕОДОР ШВАНН — 1839 ГОД
Физиолог Теодор Шванн применил идеи клеточной организации к животным и сформулировал вместе с работами
Шлейдена основы клеточной теории: клетка является общей структурной единицей растений и животных.
Позднее принцип, что новые клетки возникают из уже существующих клеток, был сформулирован Рудольфом
Вирховым и другими учёными. Ядро постепенно стало рассматриваться как важнейшая структура клетки,
связанная с её развитием и наследственностью.
9

10.

10 БИОЛОГИЯ • 11 КЛАСС
Вальтер Флемминг: ядро и деление клетки
Во второй половине XIX века развитие методов окрашивания позволило проследить судьбу хроматина во время
деления.
ИССЛЕДОВАНИЯ МИТОЗА
Немецкий анатом Вальтер Флемминг систематически изучал
деление клеток и поведение хроматина. Он использовал красители,
которые делали структуры ядра заметнее под микроскопом, и
подробно описал последовательные изменения хромосом при
делении. В 1882 году вышла его фундаментальная работа
Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung («Клеточное вещество, ядро и
деление клетки»). Термин «митоз» вошёл в научный язык благодаря
этим исследованиям.
1882
ИССЛЕДОВАНИЕ
МИТОЗА
Хроматин и хромосомы при
делении клетки
ПОЧЕМУ ЭТО БЫЛО ВАЖНО
Открытие и описание митоза помогло понять, как наследственный материал распределяется между дочерними
клетками. Хромосомы оказались не случайными образованиями: они повторяемо удваиваются и расходятся по
закономерной последовательности. Эти наблюдения подготовили почву для связи между хромосомами и
наследованием признаков, которую генетика раскрыла в XX веке.
10

11.

11 БИОЛОГИЯ • 11 КЛАСС
От хромосом к молекулярной биологии
Современные исследования рассматривают ядро как динамическую систему, в которой ДНК постоянно
взаимодействует с белками и РНК.
XX ВЕК: ДНК КАК НОСИТЕЛЬ
НАСЛЕДСТВЕННОСТИ
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ
Исследования хромосом, генетики и биохимии
постепенно показали, что ДНК несёт наследственную
информацию. После выяснения структуры ДНК и
развития методов молекулярной биологии учёные
смогли исследовать не только внешний вид ядра, но и
последовательности генов, регуляторные участки и
механизмы копирования и восстановления генома.
Световая и электронная микроскопия позволяют
изучать форму и ультраструктуру ядра.
Флуоресцентные метки показывают, где
располагаются отдельные белки и
последовательности ДНК. Секвенирование
определяет порядок нуклеотидов, анализ экспрессии
показывает активность генов, а методы
ЧТО УЧЁНЫЕ ИЗУЧАЮТ СЕЙЧАС
пространственного картирования помогают понять,
хромосомы
расположеныразмера;
внутри ядра.
Исследователи выясняют, как клетка упаковывает метры ДНКкак
в ядре
микроскопического
как разные
типы клеток включают разные гены; как повреждения ДНК обнаруживаются и исправляются; как ядерная
оболочка и организация хроматина связаны со старением, развитием и некоторыми заболеваниями. Эти вопросы
важны для генетики, медицины, онкологии и биотехнологии.
Вывод: история ядра — пример того, как научное знание растёт от микроскопического наблюдения к
объяснению молекулярных механизмов.
11