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