25.03.2009, wykład nr 5., - Jądro komórkowe

Jądro komórkowe (łac. nucleus; gr. karyon)

–

otoczka jądrowa

–

chromatyna

–

macierz jądra (nukleoszkielet)

–

sok jądrowy (kariolimfa)

–

jąderko:

–

jest to miejsce syntezy RNA (czyli produkcja podjednostek rybosomów)

–

zanika w późnej profazie i jest odtwarzane w telofazie

–

w telofazie mitozy w chromatynie jąderka rozpoczyna siębardzo intensywna transkrypcja genów dla rRNA i tRNA

–

jest zdekondensowaną formą satelitów i okolic przewężeń wtórnych chromosomów 13,14,15,21,22 –

są one regionami organizującymi jąderko

–

ciałka jądrowe

Jądra mogą mieć różne kształty i różne przekroje, zbudowane z: DNA, RNA(nRNA: snRNA,hnRNA), białek, lipidów jądrowych

Różne kształty jąder:

–

O – jądro okrągłe

–

S – jądro segementowane

–

D – jądra dwupłatowe (w eozynofilach)

Skład chemiczny jądra:

–

kwas deoksrybonukleinowy (DNA)

–

kwas rybonukleinowy (RNA)

–

białka

–

lipidy jądrowe

–

DNA

–

stanowi 99% k wasu komórki

–

zawartość kwasu w jądrze komórki somatycznej po podziale wynosi 6 pg

–

DNA jest molekularnym odpowiednikiem genów, każda dwuniciowa cząsteczka kwasu tworzy jeden chromosom

–

RNA

–

zaliczamy tu kilka klas kwasów: tRNA, mRNA, snRNA, rRNA (w jąderku)

–

Białka jądra

–

to albo histony (białka zasadowe) albo białka niehistonowe

–

50% to białka strukturalne, pozostałe są funkcjonalne

–

Wyróżniamy 5 klas histonów H1,H2A,H2B,H3,H4

–

H1 cechuje się wysoką zawartością lizyny a niską argininy

–

w histonach dalszych klas następuje spadek zwartości lizyny na rzecz argininy, ich struktura w czasie ewolucji nie uległa zmiania

–

ich ilość w chromatynie jest wartością stałą

–

białka niehistonowe są bardzo zróżnicowane

–

b.enzymatyczne: biorą udział w syntezie i modyfikacjach kwasów nukleinowych lub w przemianach składników białkowych jądra

–

b.regulatorow: odpowiedzialne za regulację aktywności genów

–

b.strukturalne: związane z przestrzenną organizacją chromatyny

–

Lipidy: fosfolipidy, tłuszcze obojętne, cholesterol, wolne kwasy tłuszczowe Dwuniciowa helisa DNA:

Pojedynczy nukleotyd składa się z zasady azotowej, cząsteczki cukru (rybozy w RNA i deoksyrybozy w DNA) i grupa fosforanowa.

W nukleotydach DNA zasady azotowe to: adenina (A), guanina G), cytozyna (C), tymina (T) w RNA tak samo ale zamiast tymina jest uracyl

Zasady purynowe (A,G) i pirymidynowe (C,T,U)

DNA jądrowy stanowi 99% DNA komórkowego. Zawartość DNA w jądzre komórki somatycznej po podziale (genom

– haploidalna liczba chromosomów) wynosi ok. 6 pg, co odpowiada masie cząsteczkowej 3,5*10do12.

Dwie frakcjae jąrowego DNA:

–

frakcja główna – równomierna rozłożone (80-90%)

–

frakcja DNA satelitarne – tworzy skupiska w okolicach centromerów, w regionach organizujących jąderka oraz na końcach ramion chromosomów

Replikacja satelitarnego DNA – po zreplikowaniu frakcji głównej, pod koniec syntezy.

DNA jest molekularnym odpowiednikiem genów

gen – fragment DNA w którym zapisana jest informacja o określonym produkcie (np. białku, tRNA, rRNA, snRNA) Wyróżnia się:

–

geny struktury

–

geny nadrzędne

–

geny regulacyjne

–

geny rRNA

–

geny tRNA

–

geny onkogeny

–

geny protoonkogeny

Geny struktury:

Występują w pojedynczych kopiach lub niewielkie ich liczbie odcinki DNA o długości od 1,5 tys. - 2 M par zasad; są nieciągłe (introny, egzony)

Geny nadrzędne:

–

ucznniaj zespoły genów struktury, które zmieniają fenotyp kpomórki

–

składają się z długich odcinków DNA

–

zawierają egzony i introny

Geny regulacyjne:

–

odcinki DNA nie podlegającego transkrypcji

–

pełnią funkcje regulatorową

–

rozpoznawane są przez białka regulacyjne i wzmacniają lub osłabiają transkrypcję Onkogeny i protoonkogeny

–

onkogeny – zmutowane geny o nadmiernej ekspresji, ich normalne allele to protoonkogeny

–

ekspresja onkogenów – jedna z przyczyn nowotworzenia

–

odróżnia się :

–

c-onkogeny – skł. Genomu kom. ssaków

–

v-onkogeny – skąłdnik wirusó onkogennych

Protoonkogeny:

–

kodują wiele czynników wzrostu i różnicowania oraz fragmenty receptorów dla tych czynników

–

ich nowotorzenie → aktywacja jest ważnym etapem w rozwoju nowotworów; mutacją punktowa w obrębie protoonkogenu (rak pęcherza – powstaje c-onkogen ras – wytwarzający białko p21) Geny rRNA i tRNA:

–

odcinki rDNA, na których odbywa się transkrypcja rRNA i tRNA – nie podlegają translacji

–

mają bardzo wiele kopii

–

transkrybowane są wspólnie jako jedna cząsteczka (transkrypt DNA), a następnie cięte są przez nukleazy na odcinki odpowiadające równym klasom rRNA

Każda dwuniciowa cząsteczka DNA tworzy jeden chromosom.

Chromosomy – metafazowe człowieka. Mają długość około 10 um. Skłądają się z dwóch chromatyd, na obu końcach każdej z niach znajdują się telomery, zawierające powtórzone sekwencje (TTAGGG)n

Upakowanie DNA w jądrze:

–

I rzędowa struktura – podwójna helisa DNA

–

II rzędowa struktura – niż DNA owinięta wokół białek histonowych, sznur korali, nukleofilament

–

III rzędowa struktura – spiralnie zwinięte nukleofilamenty (solenoid)

–

IV rzędowa struktura – pofałdowana struktura II rzędowa z charakterystycznymi pętlami (domenami) Nukleosom:

–

składa się z rdzenia histonowego

–

w skład którego wchodzą po dwie kopie każdego z czterech białek histonowych: H2A, H2B, H3 i H4

–

wokół trzonu histonowego owija się cząsteczka DNA o długości 166 - 200 par zasad

–

jednostki organizacji DNA, z których składa się nić chromatynowa. Składa się on z rdzenia histonowego w skład którego wchodzi 8 cząsteczek histonów (2xH2A,H2B,H3,H4) na który nawinięte jest DNA długości 146

par zasad. Sąsiednie nukleosomy połączone są łącznikowym DNA zawierającym około 60 par zasad. Histon H1 ulokowany jest na zewnątrz nukleosomu, gdzie wiąże się z łącznikowym DNA i oddziałuje z podjednostką H2A rdzenia

Chromatyna jądrowa:

–

substancja zawarta w jądrze interfazowym

–

która barwi się barwnikami zasadowymi

–

jest ona rozproszoną formą chromosomów

–

to substancja zawarta w jądrze interfazowym, rozspiralizowana forma chromosomów, barwi się barwnikami zasadowymi

–

jej głównym skladnikiem jest DNA, występują także białka: zasadowe histony oraz zasadowe i kwaśne białka niehistonowe

–

w jądrze plemników ssaków chromatyna jest bardziej zbita niż w komórkach jąder somatycznych

–

heterochromatyna – silniej barwiąca się postać chromatyny, silniej zbita, mniej aktywna, w chromosomach mitotycznych występuje w centromerach

–

h. konstytucyjna – wyst w postaci zbitych obszarów ramion obu chromosomów homologicznych widocznych w mitozie, w interfazie także postać bardzo zbita, bogata w pary AT, szczególnie w tych miejscach DNA, które wiążą białka biorące udział w kondensacji/dekondensacji chromatyny

–

h. fakultatywna – może zmieniać stopień swojej kondensacji, występuje tylko w jednym z dwóch chromosomów homologicznych, badana w komórkach żeńskich

–

funkcje heterochromatyny: bierze udział w stabilizowaniu struktury centromerów chromosomów mitotycznych oraz odgrywa rolę w łączeniu się chromosomów homologicznych w mejozie

–

euchromatyna – rozluźniona postać chromatyny, słabo barwiąca się, czynna biologicznie, przez to rozluźnienie jest dużo bardziej dostępna dla enzymów odpowiedzialnych za proces tranckrypcji Heterochromatyna – bardziej skondensowana, silniej barwiąca się, nieaktywna genetycznie Euchromatyna – luźniejsza, bardzo słabo barwiąca się, czynna transkrypcyjnie, dostępna dla zespołu enzymów odpowiedzialnych za proces syntezy DNA

Oprócz tych można też wyróżnić perichromatyna, interchromatyna oraz chromatyna płciowa.

Rodzaje heterochromatyny:

–

konstytucyjna – duża zawartość par A-T, wstępuje w obu chromosomach homologicznych, po interfazie tworzy zbite grudki

–

fakultatywna – zmianie stopień kondensacji, wstępuje w jednym chromosomie z dwóch homologicznych np.: ciałka Barra w komórkach żeńskich (silnie skondensowana)

Budowa chromatyny plemników:

–

u ssaków bardziej zbita niż w komórkach somatycznych

–

DNA tworzy podwójną helisą, nie ma nukleosomów, nukleofilamentów ani solenoidów

–

powstają włókienka DNA odpowiadające solenoidom komórek somatycznych

–

włókienka te wytwarzają pętle, które podstawami wiążą się z macierzą jądra plemnika

–

każda pętla jest krótsza niż w komórka somatycznych

RNA jądrowy (nRNA) stanowi połączenie wielu rodzajów kwasów rybonukleinowych – rRNA, mRNA i tRNA tRNA i rRNA, są w jądrze komórkowym syntetyzowane i przebywają w nim tylko okresowo, potem są transportowane

do cytoplazmy

Występujący stale w jądrze RNA można podzielić na dwa rodzaje:

–

hnRNA-heterogenny, pre-RNA – jest otoczony białkiem – informomerem. Część pre-RNA pozostaje w jądrzem część przechodzi do cytoplazmy w postaci mRNA w kompleksie informosomowym

–

snRNA-metabolicznie stabilny, o małych cząsteczkach. Zawiera oprócz typowych zasad azotowych ich postacie umetylowane

Białka jądra – histony (białka zasadowe) i białka niehistonowe (zasadowe lub kwaśne) 50% stanowią białka strukturalne, a pozostałe w skład których wchodzą enzymy stanowią białka funkcjonalne Wyróżniamy 5 klas histonów: H1, H2A, H2B, H3, H4.

–

Histon H1 charakteryzuje wysoka zawartość lizyny, a niska argininy

–

W histonach klas dalszych następuję stopniowy wzrost argininy przy spadku ilość lizyny Białka niehistonowe – należą do nich białka enzymatyczne, regulatorowe i strukturalne Białka enzymatyczne - biorą udział w syntezie i modyfikacjach kwasów nukleinowych, lub w przemianach składników białkowych jądra.

Białka regulatorowe - są odpowiedzialne są za regulacją aktywności genów Białka strukturalne - zawiązane są z przestrzenną organizacją chromatyny.

Lipidy w jądrze:

–

fosfolipidy

–

tłuszcze obojętne

–

cholesterol

–

wolne kwasy tłuszczowe

Otoczka jądrowa:

–

zbudowana jest z dwóch błon pod nią znajduje się białkowa gęsta, peryferyjna blaszka jądrowa (filamenty laminowe)

–

na powierzchni błony zewnętrznej znajdują się rybosomy

–

między błonami – przestrzeń okołojądrową

–

otoczka jądrowa jest perforowana licznymi otworami – porami jądrowymi

–

zbudowana z dwóch typowych, dwuwarstwowych błon oddzielonych od siebie przestrzenią okołojądrową (perinuklearną) oraz białkowej wyściółki podosłonowej – laminy

–

tam gdzie dwie błony stykają się ze sobą powstają pory jądrowe

–

do błony zewnętrznej przyłączają się rybosomy

Por jądrowy:

–

pojedynczy por otoczony jest pierścieni, wokół którego znajduje się materiał zwany otoczką pierścieni

–

por wraz z pierścieniem i jego otoczką nazywamy kompleksem pora

–

pory mają kształt ośmiokątów

–

kompleksy porów są miejscem wiązania laminy B

–

por składa się z około 100 różnych białek

–

oglądane z góry mają kształt zbliżony do ośmiokątów

–

prześwit poru jest ograniczony przez zespół białek – kompleks poru: składa się on z dwóch pierścieni leżących po jądrowej i cytoplazmatycznej stronie poru, z których każdy zawiera po 8 białek globularnych

–

wokół pierścieni występuje dodatkowo otoczka pierścienia

–

są to miejsca wiązania laminy B

–

Transport przez pory:

–

przez te kanały (wypełnione wodą) mogą przechodzić cząsteczki rozpuszczalne w H2O

–

duże cząsteczki (RNA, białka) wyposażone zostają w sekwencję aminokwasów, która stanowi sygnał

do transportu – RNA na zewnątrz jądra

–

receptory importu jądrowego wiążą się z sygnałem lokalizacji jądrowej (wiązanie przez włókienka zwrócone do cytoplazmy), w wyniku konformacyjnego odkształcenia się transportowca otwiera się w nim kanał

–

białka zostają aktywnie przeniesione dzięki energii z hydrolizy GTP

Blaszka jądrowa:

–

znajduje się pod wewnętrzną błoną otoczki jądrowej

–

zbudowana jest ona z sieci filamentów – lamin A,B i C (lamina B łączy się z blaszką jądrową, a laminy A i C z chromatyną)

–

jest wsparciem otoczki jądrowej i służy jako miejsce kotwiczenia się chromosomów

–

bierze udział w fragmentowaniu i odbudowie otoczki jądrowej w czasie mitozy (przez defosforylację i fosforylację lamin)

–

łączy elementy macierzy jądra z otoczką i cytoszkieletem

–

leży pod wewnętrzną błoną otoczki jądrowej

–

zbudowana jest z sieci filamentów typu V złożonych z białek: lamina A, lamina B i lamina C (włókna pośrednie), lamina B łączy się z blaszką jądrową a laminy A i C z chromatyną

–

jest wsparciem otoczki jądrowej i służy jako miejsce kotwiczenia się chromosomów

–

bierze udział we fragmentowaniu i odbudowie otoczki jądrowej w czasie mitozy (przez defosforylację i fosforylację lamin)

–

łączy elementy macierzy jądra z otoczką jądra i cytoszkieletem

Macierz jądra:

–

zwana jest nukleoszkieletem, utrzymuje podstawowe składniki jądra

–

zbudowana jest z filamentów i ziaren zanurzonych w kariolimfie

–

z filamentami łączą się kompleksy wieloenzymatyczne zwane replisomami, które przeprowadzają replikację DNA oraz spliceosomy, któe biorą udział w obróbce hnRNA

–

białka macierzy – matryny, lamiy A,B,C, białko jąderkowe B23, rybonukleoproteina

–

zwana nukleoszkieletem, utrzymuje podstawowe składniki jądra

–

zbudowana z ziaren i filamentów zanurzonych w kariolimfie

–

z filamentami łączą się wieloenzymatyczne kompleksy zwane replisomami, które przeprowadzają replikację DNA, także łączą się z nimi spliceosomy biorące udział w obróbce hnRNA

–

białka macierzy: laminy A,B i C, matryny, aktyna, poltryna, białko jąderkowe B23, białko jąderkowej rybonukleoproteiny

–

wchodzi w skład jąder interfazowych oraz chromosomów mitotycznych

Ciałko jądra:

–

ciałka jądrowe – (nuclear bodies – NB) śródjądrowe elementy strukturalne

–

występują w niektórych komórkach prawidłowych oraz częściej w komórkach patologicznych

–

najczęściej w komórkach intensywnie dzielących się, wydzielniczych, zakażonych wirusem oraz w komórkach nowotworowych

–

owalne struktury o średnicy 0,5-2 nm kwasochłonne, posiadają ziarna ułożone centralnie i cebulaste włókna na obwodzie

–

ziarna zbudowane są z DNA i RNA lub tylko z RNA, część włóknista z białek

–

chromatyna jądrowa w otoczce NB tworzy jasne „halo”

Procesy patologiczne w jądrze komórkowym:

–

poszerzenie przestrzeni pomiędzy wewnętrzną a zewnętrzną błoną otoczki jądrowej

–

degradacja zewnętrznej błony otoczki

–

segregacja składników jąderka

–

rozpuszczanie się chromatyny i zatarcie konturów jądra w martwicy rozpływowej

–

zagęszczenie chromatyny, obkurczenie jądra (pycnosis), rozpad chromatyny na grudki, rozpad jądra (martwica denaturacyjna)

Otoczka jądrowa w wymianach jądrowo – cytoplazmatycznych współzależność jądra i cytoplazmy s,. 139 – 143 Jerzy Kawiak „Podstawy cytofizjologii”