Что такое ядро и какие его свойства

В каждой живой клетке протекает множество биохимических реакций и процессов. Чтобы контролировать их, а также регулировать многие жизненно важные факторы, необходима специальная структура. Что такое ядро в биологии? Благодаря чему оно эффективно справляется с поставленной задачей?

Что такое ядро в биологии. Определение

Ядро – необходимая структура любой клетки организма. Что такое ядро? В биологии это важнейший компонент каждого организма. Ядро можно обнаружить и у одноклеточных простейших, и у высокоорганизованных представителей эукариотического мира. Главная функция этой структуры – хранение и передача генетической информации, которая здесь же и содержится.

После оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом происходит слияние двух гаплоидных ядер. После слияния половых клеток образуется зигота, ядро которой уже несет диплоидный набор хромосом. Это значит, что кариотип (генетическая информация ядра) уже содержит копии генов и матери, и отца.

Диплоидное ядро присутствует практически во всех эукариотических клетках. Гаплоидным ядром обладают не только гаметы, но и многие представители простейших организмов. Сюда относятся некоторые одноклеточные паразиты, водоросли, свободноживущие формы одноклеточных. Стоит отметить, что большинство из перечисленных представителей имеют гаплоидное ядро лишь на определенной стадии жизненного цикла.

Состав ядра

Какова характеристика ядра? Биология тщательно изучает состав ядерного аппарата, т. к. это может дать толчок в развитии генетики, селекции и молекулярной биологии.

Ядро – это двумембранная структура. Мембраны являются продолжением эндоплазматической сети, что необходимо для транспорта образованных веществ из клетки. Содержимое ядра называется нуклеоплазма.

Хроматин – основное вещество нуклеоплазмы. Состав хроматина разнообразен: здесь находятся в первую очередь нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), а также белки и многие ионы металлов. ДНК в нуклеоплазме расположена упорядочено в виде хромосом. Именно хромосомы при делении удваиваются, после чего каждый их наборов переходит в дочерние клетки.

РНК в нуклеоплазме чаще всего встречается двух типов: мРНК и рРНК. Матричная РНК образуется в процессе транскрипции – считывания информации с ДНК. Молекула такой рибонуклеиновой кислоты позже покидает ядро и в дальнейшем служит матрицей для образования новых белков.

Рибосомальная РНК образуется в специальных структурах под названием ядрышки. Ядрышко построено из концевых участков хромосом, образованных вторичными перетяжками. Эта структура может быть видна в световой микроскоп в виде уплотненного пятнышка на ядре. Рибосомальные РНК, которые синтезируются здесь, также поступают в цитоплазму и далее вместе с белками образуют рибосомы.

Непосредственное влияние на функции оказывает состав ядра. Биология как наука изучает свойства хроматина для лучшего пониманию процессов транскрипции и деления клетки.

Функции ядра. Биология процессов в ядре

Первой и самой важной функцией ядра является хранение и передача наследственной информации. Ядро – уникальная структура клетки, т. к. в нем содержится большая часть генов человека. Кариотип может быть гаплоидный, диплоидный, триплоидный и так далее. Плоидность яда зависит от функции самой клетки: гаметы гаплоидные, а соматические клетки диплоидные. Клетки эндосперма покрытосеменных растений триплоидные, и, наконец, многие сорта посевных культур имеют полиплоидный набор хромосом.

Передача наследственной информации в цитоплазму из ядра происходит при образовании мРНК. В процессе транскрипции нужные гены кариотипа считываются, и в итоге синтезируются молекулы матричной или информационной РНК.

Также наследственность проявляется при делении клетки митозом, мейозом или амитозом. В каждом из случаев ядро выполняет свою определенную функцию. Например, в профазе митоза разрушается оболочка ядра и сильно компактизированные хромосомы попадают в цитоплазму. Однако в мейозе перед разрушением мембраны в ядре происходит кроссинговер хромосом. А в амитозе ядро вовсе разрушается и вносит небольшой вклад в процессе деления.

Кроме того, ядро косвенно участвует в транспорте веществ из клетки из-за непосредственной связи мембраны с ЭПС. Вот что такое ядро в биологии.

Форма ядер

Ядро, его строение и функции могут зависеть от формы мембраны. Ядерный аппарат может быть округлым, вытянутым, в виде лопастей и т. д. Часто форма ядра специфична для отдельных тканей и клеток. Одноклеточные организмы различаются по типу питания, жизненного цикла, а вместе с тем различаются и формы мембраны ядер.

Разнообразие в форме и размере ядра можно проследить на примере лейкоцитов.

• Ядро нейтрофилов может быть сегментированным и не сегментированным. В первом случае говорят о подковообразном ядре, и такая форма характерна для молодых клеток. Сегментированное ядро – это результат образования нескольких перегородок в мембране, в результате чего образуется несколько частей, связанных между собой.
• У эозинофилов ядро имеет характерную гантелевидную форму. В этом случае ядерный аппарат состоит из двух сегментов, связанных перегородкой.
• Почти весь объем лимфоцитов занят огромным ядром. Лишь небольшая часть цитоплазмы остается по периферии клетки.
• В железистых клетках насекомых ядро может иметь разветвленное строение.

Количество ядер в одной клетке может быть разным

Не всегда в клетке организма присутствует только одно ядро. Порой необходимо присутствие двух или более ядерных аппаратов для осуществления нескольких функций одновременно. И наоборот, некоторые клетки могут вовсе обходиться без ядра. Вот некоторые примеры необычных клеток, в которых ядер больше одного или оно вообще отсутствует.

1. Эритроциты и тромбоциты. Эти форменные элементы крови транспортируют гемоглобин и фибриноген соответственно. Чтобы одна клетка смогла вместить максимальное количество вещества, она утратила свое ядро. Характерна такая особенность не для всех представителей животного мира: у лягушек в крови находятся огромные по размерам эритроциты с ярко выраженным ядром. Это показывает примитивность данного класса в сравнении с более развитыми таксонами.

2. Гепатоциты печени. Эти клетки содержат в себе два ядра. Одно из них регулирует очистку крови от токсинов, а другое отвечает за образование гемма, который в последующем войдет в состав гемоглобина крови.

3. Миоциты поперечно-полосатой скелетной ткани. Мышечные клетки многоядерные. Это связано с тем, что в них активно проходит синтез и распад АТФ, а также сборка белков.

Особенности ядерного аппарата у простейших

Для примера рассмотрим два вида простейших: инфузории и амебы.

1. Инфузория-туфелька. Этот представитель одноклеточных организмов имеет два ядра: вегетативное и генеративное. Т. к. они отличаются как по функциям, так и по размерам, такая особенность получила название ядерного дуализма.

Вегетативное ядро отвечает за повседневную жизнедеятельность клетки. Оно регулирует процессы ее метаболизма. Генеративное ядро участвует в клеточном делении и в конъюгации – половом процессе, при котором происходит обмен генетической информацией с особями того же вида.

2. Амебы. Яркие представители – дизентерийная и кишечная амебы. Первая относится к агрессивным паразитам человека, а вторая – обычный симбионт, который живет в кишечнике и не причиняет никакого вреда. Т. к. дизентерийная амеба паразитирует тоже в кишечнике, важно отличать эти два вида между собой. Для этого используют особенность ядерного аппарата: у дизентерийной амебы может быть до 4 ядер, а у кишечной амебы от 0 до 8.

Заболевания

Многие генетические заболевания связаны с нарушениями в наборе хромосом. Вот список наиболее известных отклонений в генетическом аппарате ядра:

• синдром Дауна;
• сиддром Патау;
• синдром Эдвардса;
• синдром Клайнфелтера;
• синдром Шерешевского-Тернера.

Список можно продолжать, и каждая из болезней отличается порядковым номером пары хромосом. Также подобные заболевания часто затрагивают половые X и Y хромосомы.

Заключение

Ядро играет важную роль в процессе жизнедеятельности клетки. Оно регулирует биохимические процессы, является хранилищем наследственной информации. Транспорт веществ из клетки, синтез белков также связаны с функционированием этой центральной структуры клетки. Вот что такое ядро в биологии.

Основными характеристиками атомных ядер являются электрический заряд, масса, спин, энергия связи и так далее.

Заряд ядра

Ядро каждого из атомов обладает положительным зарядом. В качестве носителя положительного заряда выступает протон. По той причине, что заряд протона численно эквивалентен заряду электрона e, можно записать, что заряд ядра элемента равен +Ze (Z выражает собой целое число, которое указывает на порядковый номер химического элемента в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева). Значение Z также характеризует число протонов, входящих в состав ядра и количество электронов в атоме. Именно из-за этого его определяют как атомный номер ядра. Электрический заряд представляет собой одну из основных характеристик атомного ядра, от которой зависят оптические, химические и иные свойства атомов.

Масса ядра

Существует также другая значимая характеристика ядра, а именно масса. Массу атомов и ядер принято выражать в атомных единицах массы (а.е.м.), в качестве атомной единицы массы выступает 112 массы нуклида углерода C612:

где NA=6,022·1023 моль-1 обозначает число Авогадро.

Кроме того, есть другой способ выражения атомной массы: исходя из соотношения Эйнштейна E=mc2, ее выражают в единицах энергии. По той причине, что масса протона mp=1.00728 а.е.м.=938,28 МэВ, масса нейтрона mn=1.00866а.е.м.=939,57МэВ, а масса электрона me=5,49⋅10-4 а.е.м.=0,511МэВ,

Из приведенных выше значений видно, что масса электрона несущественно мала, если сравнивать ее с массой ядра, поэтому масса ядра практически эквивалентна массе всего атома и отлична от целых чисел.

Определение 1

Масса ядра, которая выражается в а.е.м. и округляется до целого числа носит название массового числа и обозначается с помощью буквы A. Она характеризует количество нуклонов, находящихся в составе ядра.

Количество нейтронов в ядре эквивалентно N=A−Z. В качестве обозначения ядер используют символ XZA, в котором X определяется как химический символ этого элемента.

Определение 2

Атомные ядра, обладающие одинаковым числом протонов, однако при этом отличающимися друг от друга массовыми числами, носят название изотопов.

В некоторых элементах количество стабильных и нестабильных изотопов достигает десятков, в качестве примера, уран обладает 14 изотопами: от U92227 до U92240. Большая часть химических элементов, которые существуют в природе, являются смесью нескольких изотопов. Как раз наличие изотопов объясняет следующее явление: некоторые природные элементы обладают массой, которая является отличной от целых чисел. В качестве примера рассмотрим природный хлор, который состоит из 75%C1735l и 24%C1737l, а его атомная масса эквивалентна 35,5 а.е.м. В большей части атомов, исключая водород, изотопы обладают практически равными физическими и химическими свойствами. Однако, за своими, исключительно ядерными свойствами, изотопы значительно отличаются друг от друга. Какие-то из них могут представлять собой стабильные изотопы, а другие – радиоактивные.

Определение 3

Ядра с эквивалентными массовыми числами, но отличающимися значениями Z носят название изобар, в качестве примера, A1840r, C2040a.

Определение 4

Ядра с одинаковым числом нейтронов определяют как изотоны.

Определение 5

Среди легких ядер встречаются и так называемые «зеркальные» пары ядер. Это такие пары ядер, в которых числа Z и A−Z меняются местами. В качестве примера подобных ядер можно привести C613 и N713 или H13 и H23e.

Размер атомного ядра

Принимая форму атомного ядра приблизительно сферической, мы имеем возможность ввести понятие его радиуса R. Обратим внимание на то, что в некоторых ядрах есть небольшое отклонение от симметрии в распределении электрического заряда. Более того, атомные ядра представляют собой не статические, а динамические системы, и понятие радиуса ядра нельзя представлять как радиус шара. Именно из-за этого факта, в качестве размеров атомного ядра нужно принимать ту область, в которой проявляются ядерные силы. В процессе создания количественной теории рассеивания α-частиц Э. Резерфорд исходил из тех предположений, что атомное ядро и α – частица взаимодействуют по закону Кулона, Другими словами из того, что электрическое поле вокруг ядра обладает сферической симметрией.

Это работает в отношении α – частиц, обладающих достаточно малым значением энергии E. При этом частица не имеет возможности преодолеть кулоновский потенциальный барьер и в последствии не достигает области, в которой наблюдается действие ядерных сил. Одновременно с повышением энергии частицы до некоторого граничного значения Eгр, α-частица достигает данной границы. В таком случае в рассеянии α-частиц возникает некоторое отклонение от формулы Резерфорда.

Опытным путем было определено, что радиус R ядра является зависимым от числа нуклонов, которые входят в состав ядра.

Размеры ядер определяют экспериментальным путем по рассеянию протонов, быстрых нейтронов или же электронов высоких энергий. Существует также целый список иных косвенных способов получения значений размеров ядер. Они основываются:

• на связи времени жизни α – радиоактивных ядер с энергией выпущенных ими α – частиц;
• на оптических свойствах, носящих название мезоатомов, в которых один из электронов временно захвачен мюоном;
• на сравнении энергий связи парных зеркальных атомов.

Данные способы подтверждают эмпирическую зависимость R=R0A1/3, а также благодаря таким измерениям определено значение постоянной R0=1,2-1,5·10-15 м. Обратим свое внимание также на тот факт, что за единицу расстояний в атомной физике и физике элементарных частиц принимают единицу измерения «ферми», которая равняется 10-15 м 1 ф=10-15 м. Радиусы атомных ядер определяются их массовым числом и находятся в промежутке от 2·10-15 до 10-14 м. Если из формулы R=R0A1/3 выразить R0 и записать его в следующем виде 4πR33A=const, то можно заметить, что на каждый нуклон приходится примерно одинаковый объем. Из данного факта можно сделать вывод о том, что плотность ядерного вещества для всех ядер так же приблизительно одинакова. Как можно заметить, плотность ядерного вещества довольно велика. Этот факт основывается на действие ядерных сил.

Энергия связи. Дефект масс ядер

Определение 6

Величину ∆m, что определяет разницу масс между массой нуклонов, которые формируют ядро, и массой ядра, называют дефектом массы ядра.

Важные сведения о свойствах ядра могут быть получены даже при отсутствии знаний о подробностях взаимодействия между нуклонами ядра, на основании закона сохранения энергии и закона пропорциональности массы и энергии. Поскольку в результате каждого изменения массы ∆m происходит соответствующее изменение энергии ∆E(∆E=∆mc2), то при образовании ядра выделяется некоторое количество энергии. Исходя из закона сохранения энергии можно сделать вывод о том, что ровно такое же количество энергии необходимо для того, чтобы разделить ядро на составляющие его элементы, другими словами отдалить нуклоны друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодействия между ними не происходит. Данную энергию определяют как энергию связи ядра.

Замечание 1

Заметим, что данная формула довольно неудобная в применении, так как в таблицах приводиться не массы ядер, а массы, которые относятся к массам нейтральных атомов. По этой причине ради удобства вычислений формулу преобразуют таким образом, чтобы в нее входили не массы атомов, а массы ядер. Для достижения этой цели в правой части формулы добавим и отнимем массу Z электронов (me). В таком случае Eсв=Zmp+me+A-Zmn-mя+Zmec2=ZmH11+A-Zmn-mac2 — масса атома водорода, ma — масса атома.

В ядерной физике энергию зачастую выражают в мегаэлектрон-вольтах (МэВ). Если речь идет о практическом применении ядерной энергии, то ее измеряют в джоулях. В случае сравнения энергии двух ядер используют массовую единицу энергии — соотношение между массой и энергией (E=mc2). Массовая единица энергии (le) равняется энергии, что соответствует массе в одну а.е.м. Она равняется 931,502 МэВ.

Рисунок 1

Определение 7

Кроме энергии, важное значение имеет удельная энергия связи ядра — энергия связи, которая припадает на один нуклон: ω=Ecв/A. Эта величина меняется сравнительно медленно по сравнению со сменой массового числа A, имея почти постоянную величину 8.6 МэВ в средней части периодической системы и уменьшается до ее краев.

Дефект массы

Энергия связи в МэВ: Eсв=∆m·931,502=0,030359·931,502=28,3 МэВ;

Удельная энергия связи: ω=EсвA=28,3 МэВ4≈7.1 МэВ.