De structuur en functies van de cel hebben in de loop van de evolutie een aantal veranderingen ondergaan. Het verschijnen van nieuwe organellen werd voorafgegaan door transformaties in de atmosfeer en lithosfeer van de jonge planeet. Een van de belangrijke aanwinsten was de celkern. Eukaryotische organismen kregen, vanwege de aanwezigheid van afzonderlijke organellen, significante voordelen ten opzichte van prokaryoten en begonnen snel te domineren.
De celkern, waarvan de structuur en functies enigszins verschillen in verschillende weefsels en organen, heeft de kwaliteit van de RNA-biosynthese en de overdracht van erfelijke informatie verbeterd.
Oorsprong
Tot op heden zijn er twee hoofdhypothesen over de vorming van een eukaryote cel. Volgens de symbiotische theorie waren organellen (zoals flagella of mitochondriën) ooit afzonderlijke prokaryotische organismen. De voorouders van moderne eukaryoten verslonden ze. Het resultaat was een symbiotisch organisme.
De kern werd gevormd als gevolg van uitsteeksel naar binnendeel van het cytoplasmatische membraan. Dit was een noodzakelijke aanwinst op weg naar het onder de knie krijgen van een nieuwe manier van voeding, fagocytose, door de cel. Het vangen van voedsel ging gepaard met een toename van de mate van cytoplasmatische mobiliteit. Genoforen, het genetische materiaal van een prokaryotische cel en vastgemaakt aan de wanden, vielen in een zone van sterke "stroming" en hadden bescherming nodig. Als resultaat werd een diepe invaginatie gevormd van een deel van het membraan met aangehechte genoforen. Deze hypothese wordt ondersteund door het feit dat de schil van de kern onlosmakelijk verbonden is met het cytoplasmatische membraan van de cel.
Er is een andere versie van de ontwikkeling van evenementen. Volgens de virale hypothese van de oorsprong van de kern, werd deze gevormd als gevolg van infectie van een oude archaïsche cel. Een DNA-virus drong het binnen en kreeg geleidelijk volledige controle over levensprocessen. Wetenschappers die deze theorie juister vinden, geven veel argumenten in het voordeel. Tot op heden is er echter geen sluitend bewijs voor een van de bestaande hypothesen.
Een of meer
De meeste cellen van moderne eukaryoten hebben een kern. De overgrote meerderheid van hen bevat slechts één zo'n organel. Er zijn echter cellen die de kern hebben verloren vanwege een aantal functionele kenmerken. Deze omvatten bijvoorbeeld erytrocyten. Er zijn ook cellen met twee (ciliaten) en zelfs meerdere kernen.
Structuur van de celkern
Ongeacht de kenmerken van het organisme, wordt de structuur van de kern gekenmerkt door een reeks typischeorganellen. Het is gescheiden van de binnenruimte van de cel door een dubbel membraan. Op sommige plaatsen smelten de binnen- en buitenlagen samen en vormen ze poriën. Hun functie is om stoffen uit te wisselen tussen het cytoplasma en de kern.
De organelruimte is gevuld met karyoplasma, ook wel nucleair sap of nucleoplasma genoemd. Het bevat chromatine en de nucleolus. Soms is de laatste van de genoemde organellen van de celkern niet aanwezig in een enkele kopie. In sommige organismen zijn nucleoli daarentegen afwezig.
Membraan
Het kernmembraan wordt gevormd door lipiden en bestaat uit twee lagen: buitenste en binnenste. In feite is dit hetzelfde celmembraan. De kern communiceert met de kanalen van het endoplasmatisch reticulum door de perinucleaire ruimte, een holte gevormd door twee lagen van het membraan.
De buitenste en binnenste membranen hebben hun eigen structurele kenmerken, maar zijn over het algemeen vrij gelijkaardig.
Dicht bij cytoplasma
De buitenste laag gaat over in het membraan van het endoplasmatisch reticulum. Het belangrijkste verschil met de laatste is een aanzienlijk hogere concentratie van eiwitten in de structuur. Het membraan dat in direct contact staat met het cytoplasma van de cel, is van buitenaf bedekt met een laag ribosomen. Het is verbonden met het binnenmembraan door talrijke poriën, die vrij grote eiwitcomplexen zijn.
Binnenste laag
Het membraan dat naar de celkern is gericht, is, in tegenstelling tot de buitenste, glad en niet bedekt met ribosomen. Het beperkt het karyoplasma. Een kenmerkend kenmerk van het binnenmembraan is een laag nucleaire lamina die het vanaf de zijkant bekleedt,in contact met het nucleoplasma. Deze specifieke eiwitstructuur behoudt de vorm van de envelop, is betrokken bij de regulatie van genexpressie en bevordert ook de aanhechting van chromatine aan het kernmembraan.
Metabolisme
De interactie van de kern en het cytoplasma vindt plaats via kernporiën. Het zijn nogal complexe structuren gevormd door 30 eiwitten. Het aantal poriën op één kern kan verschillen. Het hangt af van het type cel, orgaan en organisme. Dus bij mensen kan de celkern 3 tot 5000 poriën hebben, bij sommige kikkers bereikt hij 50.000.
De belangrijkste functie van de poriën is de uitwisseling van stoffen tussen de kern en de rest van de celruimte. Sommige moleculen gaan passief door de poriën, zonder extra energieverbruik. Ze zijn klein van formaat. Het transport van grote moleculen en supramoleculaire complexen vereist het verbruik van een bepaalde hoeveelheid energie.
RNA-moleculen die in de kern zijn gesynthetiseerd, komen de cel binnen vanuit het karyoplasma. Eiwitten die nodig zijn voor intranucleaire processen worden in de tegenovergestelde richting getransporteerd.
Nucleoplasma
Kernsap is een colloïdale oplossing van eiwitten. Het wordt begrensd door de nucleaire envelop en omringt het chromatine en de nucleolus. Nucleoplasma is een stroperige vloeistof waarin verschillende stoffen zijn opgelost. Deze omvatten nucleotiden en enzymen. De eerste zijn essentieel voor de DNA-synthese. Enzymen zijn betrokken bij zowel transcriptie als DNA-reparatie en -replicatie.
De structuur van nucleair sap verandert afhankelijk van de toestand van de cel. Er zijn er twee - stationair enoptreden tijdens deling. De eerste is kenmerkend voor interfase (de tijd tussen divisies). Tegelijkertijd onderscheidt nucleair sap zich door een uniforme verdeling van nucleïnezuren en ongestructureerde DNA-moleculen. Gedurende deze periode bestaat het erfelijke materiaal in de vorm van chromatine. De deling van de celkern gaat gepaard met de transformatie van chromatine in chromosomen. Op dit moment verandert de structuur van het karyoplasma: het genetische materiaal krijgt een bepaalde structuur, de nucleaire envelop wordt vernietigd en het karyoplasma wordt gemengd met het cytoplasma.
Chromosomen
De belangrijkste functies van de nucleoproteïnestructuren van het chromatine dat op het moment van deling is getransformeerd, zijn de opslag, implementatie en overdracht van erfelijke informatie in de celkern. Chromosomen worden gekenmerkt door een bepaalde vorm: ze worden in delen of armen verdeeld door een primaire vernauwing, ook wel de coelomeer genoemd. Afhankelijk van de locatie worden drie soorten chromosomen onderscheiden:
- staafvormig of acrocentrisch: ze worden gekenmerkt door de plaatsing van de coelomeer bijna aan het einde, een arm is erg klein;
- gediversifieerd of submetacentrisch hebben armen van ongelijke lengte;
- gelijkzijdig of metacentrisch.
De set chromosomen in een cel wordt een karyotype genoemd. Elk type staat vast. In dit geval kunnen verschillende cellen van hetzelfde organisme een diploïde (dubbele) of haploïde (enkele) set bevatten. De eerste optie is typerend voor somatische cellen, die voornamelijk het lichaam vormen. De haploïde set is een voorrecht van geslachtscellen. menselijke somatische cellenbevatten 46 chromosomen, geslacht - 23.
Chromosomen van de diploïde set vormen paren. Identieke nucleoproteïnestructuren die in een paar zijn opgenomen, worden allelisch genoemd. Ze hebben dezelfde structuur en voeren dezelfde functies uit.
De structurele eenheid van chromosomen is het gen. Het is een deel van het DNA-molecuul dat codeert voor een specifiek eiwit.
Nucleolus
De celkern heeft nog een organel - de nucleolus. Het is niet door een membraan van het karyoplasma gescheiden, maar het is gemakkelijk op te merken bij het onderzoeken van de cel met een microscoop. Sommige kernen kunnen meerdere nucleoli hebben. Er zijn er ook waarin dergelijke organellen volledig afwezig zijn.
De vorm van de nucleolus lijkt op een bol, heeft een vrij kleine afmeting. Het bevat verschillende eiwitten. De belangrijkste functie van de nucleolus is de synthese van ribosomaal RNA en de ribosomen zelf. Ze zijn nodig voor de vorming van polypeptideketens. Nucleoli vormen zich rond speciale delen van het genoom. Ze worden nucleolaire organisatoren genoemd. Het bevat de ribosomale RNA-genen. De nucleolus is onder meer de plek met de hoogste concentratie eiwit in de cel. Een deel van de eiwitten is nodig om de functies van de organoïde uit te voeren.
De nucleolus bestaat uit twee componenten: korrelig en fibrillair. De eerste is de rijpende ribosoomsubeenheden. In het fibrillaire centrum wordt de synthese van ribosomaal RNA uitgevoerd. De granulaire component omringt de fibrillaire component die zich in het midden van de nucleolus bevindt.
Celkern en zijn functies
De rol diespeelt de kern, is onlosmakelijk verbonden met zijn structuur. De interne structuren van de organoïde voeren gezamenlijk de belangrijkste processen in de cel uit. Het herbergt de genetische informatie die de structuur en functie van de cel bepa alt. De kern is verantwoordelijk voor de opslag en overdracht van erfelijke informatie tijdens mitose en meiose. In het eerste geval ontvangt de dochtercel een reeks genen die identiek zijn aan de ouder. Als gevolg van meiose worden kiemcellen gevormd met een haploïde set chromosomen.
Een andere niet minder belangrijke functie van de kern is de regulatie van intracellulaire processen. Het wordt uitgevoerd als resultaat van het regelen van de synthese van eiwitten die verantwoordelijk zijn voor de structuur en het functioneren van cellulaire elementen.
Invloed op eiwitsynthese heeft een andere uitdrukking. De kern, die de processen in de cel regelt, verenigt al zijn organellen in een enkel systeem met een goed functionerend werkmechanisme. Mislukkingen daarin leiden in de regel tot celdood.
Ten slotte is de kern de plaats van synthese van ribosoomsubeenheden, die verantwoordelijk zijn voor de vorming van hetzelfde eiwit uit aminozuren. Ribosomen zijn onmisbaar in het transcriptieproces.
De eukaryote cel is een meer perfecte structuur dan de prokaryotische. Het verschijnen van organellen met hun eigen membraan maakte het mogelijk om de efficiëntie van intracellulaire processen te verhogen. De vorming van een kern omgeven door een dubbel lipidemembraan speelde een zeer belangrijke rol in deze evolutie. De bescherming van erfelijke informatie door het membraan maakte het voor oude eencellige organismen mogelijk om zich te beheersenorganismen in nieuwe manieren van leven. Onder hen was fagocytose, die volgens één versie leidde tot de opkomst van een symbiotisch organisme, dat later de stamvader werd van de moderne eukaryote cel met al zijn karakteristieke organellen. De celkern, de structuur en functies van enkele nieuwe structuren maakten het mogelijk om zuurstof in de stofwisseling te gebruiken. Het gevolg hiervan was een ingrijpende verandering in de biosfeer van de aarde, de basis werd gelegd voor de vorming en ontwikkeling van meercellige organismen. Tegenwoordig domineren eukaryote organismen, waaronder de mens, de planeet, en niets is een voorbode van veranderingen in dit opzicht.
