Struktura jądra komórkowego i chromatyny

Jądro komórkowe: najczęściej jest kształtu kulistego i występuje jako

pojedyncza organella. Składa się z trzech części: macierzy jądrowej,

chromatyny i jąderka.

1. Macierz jądrowa: jest roztworem białek, cukrów, jonów i nukleotydów.

Zawieszone w niej są chromatyna i jąderko. Zanurzony w niej jest także białkowy

szkielet usztywniający i utrzymujący kształt jądra. Jest on zbudowany z różnych

białek, spośród których największym wrzodem na dupie każdego studenta są

laminy. Odkryto je w 1974r. poprzez stopniową ekstrakcję elementów jądra przy

udziale detergentów (metoda Berezneya i Coffeya). Częśćchromatyny pozostaje

w ścisłym związku z białkami otoczki. Nielaminowe białka, wchodzące w skład

wewnątrzjądrowej sieci włóknistej nazywa się matrynami. Matryny mają

strukturę włóknisto-ziarnistą. Oznacza się je symbolami literowymi lub

cyfrowymi (np. 1,2,3…). Mają one różne właściwości w zależności od typu

komórki e.g. matryna F/G wiąże się z DNA przy pomocy palców cynkowych (p.

regulacja ekspresji genów). Analiza składu peptydowego macierzy jądrowej może

być pomocna w diagnostyce nowotworowej.

DNA macierzy jądrowej: w jądrze wyróżnia się dwie klasy DNA: główną (75%) i

stowarzyszoną z macierzą białkową (sami zgadnijcie ile%). DNA stowarzyszony

z macierzą można rozdzielić na rozpuszczalny oraz resztkowy, stanowiący ok.

1% całości DNA, związany ze strukturą macierzy jądrowej, tworzący z nią sieć

włókien. Prawdopodobnie umożliwia on prawidłowe rozmieszczenie długiej nici

DNA w jądrze.

RNA macierzy jądrowej: w jądrach występuje hnRNA (niejednorodny jądrowy),

sarna (mały jądrowy) i śladowe ilości rRNA. W macierzy wykryto duże ilości

prekursorowego rRNA i mRNA.

2. Chromatyna: zbudowana jest z nici DNA związanej z białkami pistonowymi i

niehistonowymi. Dzieli się ją na:

• Euchromatynę: występuje pod postacią bardzo cienkich nici, składa się z

rozwiniętych odcinków chromosomów, niewidocznych pod mikroskopem

świetlnym. Jest czynna transkrypcyjnie i zajmuje 7-10% całej chromatyny

jądrowej. Występujące w niej sekwencje unikatowe kodują geny

strukturalne. Ilość DNA zależy od zaawansowania ewolucyjnego

organizmu, aczkolwiek jest bardzo zmienna ze względu na występowanie

sekwencji

powtarzalnych,

które

dzielimy

na

tandemowe

i

rozproszone. Sekwencje tandemowe ulegające transkrypcji to odcinki

kodujące rRNA, 5S RNA i tRNA. Pozostałe sekwencje tandemowe to DNA

satelitarny, nietranskrybowany. Euchromatyna w stanie nieaktywnym

występuje między innymi w plemnikach, jądrach ptasich erytrocytów lub

jako ciałko Barra w żeńskich komórkach ssaków. W przeciwieństwie do

heterochromatyny, która zawsze pozostaje nieaktywna, euchromatyna

skondensowana może odzyskać zdolność tranksrypcyjną.

• Heterochromatynę: zbudowaną z krótkich sekwencji ułożonych

tandemowo i powtórzonych w każdym genomie milion i więcej razy. Nie

zawiera

sekwencji

kodujących,

poza

nielicznymi

wyjątkami

(transpozony). W chromosomach znajduje się ona w ściśle określonych

miejscach, np. w okolicach centromerów lub telomerów.

Nukleosomowa budowa chromatyny: chromatyna jest zbudowana z dwóch

splecionych nici DNA, tworzących helisę o średnicy 2 nm, nawiniętych na

oktamery histonowe. Podstawową jednostką strukturalną chromatyny jest

nukleonom złożony z rdzenia pistonowego o średnicy 10nm i owiniętej

wokół niego cząsteczki DNA o długości 166-200 pz. Pomiędzy nukleosomami

znajduje się DNA łącznikowy o długości 10-95pz. W rejonach łącznikowych

występują histony H1, stabilizujące nić. Kolejnym poziomem organizacji jest

układanie się nukleosomów w splot o skoku 6 nukleosomów i grubości 11nm.

Następnie włókno to wytwarza pętle (domeny), które skracają je i pogrubiają

do 300nm. Zespoły domen tworzą następnie grona I i II rzędu i długości 104-

3*105pz. Tak uorganizowane włókno ulega dodatkowej kondensacji i

skróceniu, tworząc chromosomy.

3. Otoczka jądrowa: odgradza jądro od cytoplazmy. Zbudowana jest z dwóch błon

i wyściółki podosłonkowej (laminy). Osłonka jądrowa perforowana jest licznymi

porami jądrowymi, w których znajdują się złożone kompleksy białkowe

poru. Zewnętrzna błona osłonki jest podobna do siateczki śródplazmatycznej, z

kolei wewnętrzna cechuje się odmiennym składem białkowym. Na szczególną

uwagę zasługują białka receptorowe dla białek laminy B: emeryny i murimy i

wiele innych. Błonę zewnętrzną oddziela od wewnętrznej przestrzeń zwana

cysterną perynuklearną o szerokości 20-40nm. Wewnętrzna wyściółka

białkowa osłonki zbudowana jest z trzech typów białek: Laminy A, B1 i B2.

wyściółka stanowi szkielet oraz miejsce kotwiczenia chromosomów. Jej białka

ulegają w późnej profazie fosforylacji, stając się rozpuszczalne (p. regulacja cyklu

kom.).

Pory osłonki jądrowej: są hydrofilową drogą transportu substancji między

cytoplazmą i jądrem. Ilość porów w osłonce jest różna i zależy od gatunku, typu

komórki i jej stanu fizjologicznego. Jądra plemników nie mają porów. W miejscu

tworzenia się poru łączy się błona zewnętrzna i wewnętrzna, formując otwór, w

którym tkwi kompleks białkowy poru o średnicy zewnętrznej 120-140nm,

przebity kanałem o średnicy 9nm. Białka tworzące kompleks nazywa się

nukleoporynami. Kompleks składa się z trzech pierścieni białkowych

połączonych pionowo i poziomi ośmioma włóknami. Środek pierścienia zajmuje

kompleks transportujący, w którym przebiega kanał porowy wypełniony

bezpostaciową substancją. Jądrowa część kompleksu ma formę zwężającego się

ku końcowi kosza złożonego z ośmiu filamentów. Kompleksy te ulegają

rozpadowi w czasie mitozy i odbudowie w późnej telofazie.

Transport jądrowo cytoplazmatyczny: można go podzielić na dwie kategorie:

1. Makrocząsteczki wchodzące w interakcje z białkami kompleksu porowego

2. makrocząsteczki wchodzące w interakcje z białkami kompleksu porowego za

pośrednictwem innych białek.

Pierwotnie podejrzewano, że szybkość transportu zalezy od masy cząsteczki, a

jej wartość rzędu 50 kDa jest graniczna i wszystkie cięższe transportowane są

bardzo długo, aż 24godziny. Okazuje się jednak że istotną rolę w szybkośc

transportu odgrywa rola białka transportowanego w procesach jądrowych.

Transport białek z cytoplazmy do jądra (import) odbywa się z udziałem

sekwencji lokalizującej NLS, z kolei cząsteczki eksportowane (głównie RNA)są

wyposażone w sekwencje NES. Obie sekwencje rozpoznawane są przez białka z

grupy importyn. Transport jądrowy uzależniony jest także od cyklicznej

przemiany GTP w GDP z udziałem białka Ran-GTP.

Etapy transportu jądrowo-cytoplazmatycznego

1. Importyny alfa i beta rozpoznają sekwencję NLS, przyłączoną do białka

importowanego.

2. Importowany kompleks przesuwa się w kierunku kanału porowego.

3. kompleks jest transportowany do jądra z udziałem Ran-GTP. W

nukleoplazmie czynniki transportujące oddysocjowują.

4. Importyna beta zostaje przejściowo połączona z kompleksem porowym, by

wrócić do cytoplazmy

5. Importyna alfa wraca do cytoplazmy.

Transport przy udziale importyn jest aktywny ze względu na ich znaczne

rozmiary. na przebycie tej drogi zużyta zostaje energia z ok. 10cz. GTP,

aczkolwiek są to jedynie domysły, gdyż niektórzy naukowcy dowodzą, że

transport ten tak naprawdę wcale nie wymaga energii, i zużywana jest ona

jedynie do odnowienia nośników białkowych.

4. Jądra dodatkowe: poza opisanymi powyżej strukturami w jądrach

komórkowych spotyka się czasami także kilka innych. Zalicza się tu włókna

okołochromatynowe,

ziarnistości

okołochromatynowe,

ziarnistości

międzychromatynowe i ciała jądrowe. Te ostatnie dzielimy na dwie klasy;

proste i zwinięte. Na szczególną uwagę zasługują ciała jądrowe zwinięte,

posiadające białko p80-koilinę, a także czynniki odpowiedzialne za składanie

mRNA, czynniki regulujące dojrzewanie rRNA i formowanie końca 3’mRNA

histonów. Mają one postać włóknistą, kolisto zwiniętą, o średnicy o.1-10 μm.

Wyższą klasą od ciał jądrowych są jądra dodatkowe. Są one zamknięte w

osłonce jądrowej i posiadają pory. Wewnątrz znajdują się zbudowane z

ziarnistego materiału zawierającego RNA i białka kuliste pseudojąderka. Jądra

dodatkowe powstają przez pączkowanie z jądra komórkowego wraz z osłonką.

Po uformowaniu jądra dodatkowe umiejscawiają się w pobliżu błony

cytoplazmatycznej. Na dzień dzisiejszy na temat ich funkcji w komórce gówno

wiemy.

5. Jąderko: występuje u większości komórek eukariotycznych za wyjątkiem

plemników i ptasich erytrocytów. Ich wielkość zależy od intensywności syntezy

białek w komórce. Ich zadaniem jest synteza prekursorowego rRNA na matrycy

rDNA, a następnie formowanie jednostek tworzących rybosomy. Powstają one z

odcinków chromosomów zwanych organizatorami jąderkowymi, a ich liczba

nigdy nie przekracza liczby organizatorów. U człowieka może występować do

dziesięciu jąderek, albowiem posiada on 5 par chromosomów jąderkowych.

Większa ilość jąderek jest wynikiem amplifikacji genów kodujących rRNA.

Jąderko składa się w 80-90% z białek, do których należą:

Polimeraza RNA I

Nukleolina (aktywizuje proces transkrypcji rDNA i bierze udział w formowaniu

podjednostek rybosomowych)

Fibrylaryna (uczestniczy w dojrzewaniu pre-rRNA)

Rybocharyna (bierze udział w dojrzewaniu dużych podjednostek rybosomów)

Jąderko składa się z trzech rejonów: włóknistego, gęstego włóknistego i

ziarnistego. Wszystkie trzy zawieszone są w macierzy jąderkowej zbudowanej

ze zrębu białkowego