JĄDRO KOMÓRKOWE
U Prokaryota inf. genetyczna w postaci pojedynczej, kolistej (zamkniętej) cząsteczki DNA znajduje się bezpośrednio w cytoplazmie i jest połączona z plazmalemmą w miejscu jej pofałdowania zwanym mezosomem. Eukaryota posiadają na terenie protoplazmy obszar oddzielony za pośrednictwem otoczki jądrowej zwany nukleoplazmą, zawierający główny zasób informacji genetycznej Strukturę tę określa się mianem jądra komórkowego, a w jego budowie można wyróżnić otoczkę jądrową, matrix, kariolimfę, chromatynę i jąderko.
Otoczka jądrowa składa się z 2 błon, zewnętrznej przylegającej do cytoplazmy oraz wewnętrznej przylegającej do nukleoplazmy. Między błonami występuje przestrzeń okołojądrowa. Obie błony stanowią przedłużenie błon ER a przestrzeń okołojądrowa jest połączona z jej kanałami. Na zew. błonie często znajdują się rybosomy Otoczka zanika w późnej profazie ulegając rozpadowi na pęcherzyki a odtwarzana jest w telofazie z udziałem ER. Przy wew. stronie otoczki znajduje się cienka warstwa zwana blaszką gęstą do której przylega chromatyna. Jest ona zbudowana z 3 rodzajów białek laminy A, B i C, które łączą się strukturalnie z białkami matriks, oraz łączą chromatynę z wew. błoną otoczki i podtrzymują kształt jądra. Błony zew. i wew. otoczki łączą się ze sobą tworząc pory. Prześwit porów, stanowiący kanały w otoczce ma kształt kolisty lub wielokątny. Na obu jego krawędziach tj. od strony nukleoplazmy i cytoplazmy, znajduje się po 8 symetrycznie rozmieszczonych ziarenek połączonych delikatnymi nićmi ze wspólnym ziarenkiem centralnym leżącym w prześwicie poru. Pory mogą znikać i powstawać na nowo a ich liczba jest proporcjonalna do aktywności transkrypcyjnej jądra.
Kariolimfa - jest najbardziej uwodnioną częścią jądra. Zawieszona jest w niej matriks, chromatyna, jąderka oraz składniki przejściowo występujące w jądrze jak np. różne rodzaje RNA oraz wiele białek rozpuszczalnych w tym liczne enzymy.
Matriks - stanowi białkowy szkielet wewnątrzjądrowy odpowiedzialny za utrzymanie struktury przestrzennej chromatyny. W obrębie matriks wyróżnia się trzy strukturalne komponenty: resztkowa otoczka jądrowa ( kompleksy porowe wraz z blaszką), włókienkowo - granularna matriks wewnątrzjądrowa oraz resztkowa struktura jąderka ( matriks jąderkowa ). W skład matriks jądrowej wchodzą białka (98%) oraz niewielkie ilości kwasów nukleinowych i fosfolipidów. Prawdopodobnie matriks determinuje skondensowane i luźne obszary chromatyny, jest miejscem replikacji DNA i interakcji wirusów, bierze udział w transkrypcji, metabolizmie i transporcie jądrowego RNA, w wiązaniu receptorów hormonów i karcinogenów.
Chromatyna- stanowi interfazową postać chromosomów. W jej skład wchodzą: DNA, histony, białka niehistonowe i RNA. Udział ilościowy składników zależy od zawartości DNA u danego gat. oraz stanu funkcjonalnego jądra.
DNA - jego zaw. jest różna u różnych gat. i nie jest skorelowana z liczbą chromosomów lecz ich łączną długością. Liczba cząsteczek DNA jest równa liczbie chromosomów, tak więc każdy chromosom buduje 1 cząsteczka DNA - teoria jednopasmowej budowy chromosomu. W skład DNA wchodzą sekwencje unikatowe - kodujące białka, występują w liczbie 2 kopii na genom diploidalny, rzadko jest ich więcej np. geny histonów , keratyny. Zawierają one odcinki kodujące fragm. cząstek białkowych tzw. eksony i rozdzielające je, nie ulegające translacji introny, oraz sekwencje powtarzalne do których zalicza się geny kodujące RNA nie ulegające translacji tj. rRNA, tRNA i 5S RNA ,występujące w liczbie od kilkuset do kilkunastu tysięcy kopii. Ponadto występuje tzw. satelitarny DNA nie ulegający transkrypcji. Jego zawartość stanowi stałą cechę genomu a charakteryzuje się on dużą zawartością krótkich odcinków o identycznej sekwencji nukleotydów. Stanowi on prawdopodobnie przerywniki między transkrybowanymi odcinkami DNA i uczestniczy w regulacji ekspresji genów.
Histony - zasadowe białka zawierające ponad 20% aminokwasów zasadowych, nieznaczne ilości cystyny i cysteiny, nie zawiera tryptofanu. W komórkach roślin i zwierząt występuje 5 rodzajów histonów, wyróżnionych na podstawie stosunku ilościowego lizyny do argininy (H1,H2A, H2B, H3,H4). Histony nie są specyficzne ani dla gatunku ani tkanki, ich ilość podwaja się w fazie S cyklu kom.
Białka niehistonowe - duża grupa białek o bardzo zróżnicowanych właściwościach fizykochemicznych i biologicznych. Ich ilość w jądrze jest zmienna i wydaje się być skorelowana z aktywnością metaboliczną. Obok wspólnych dla wszystkich tkanek komponentów występują polipeptydy specyficzne tylko dla tkanki, gatunku czy stanu funkcjonalnego jądra. Na podstawie właściwości dzieli się je na: a) białka enzymatyczne - enzymy związane z syntezą i przemianami kwasów nukleinowych oraz modyfikujące białka jądrowe b) białka regulatorowe - o charakterze pozytywnych i negatywnych efektorów transkrypcji - białka kontrolujące transkrypcję na poziomie enzymu i genu. Charakteryzują się znaczną niejednorodnością i molekularną specyficznością komórkową, tkankową i gatunkową, ulegają zmianom w fazach cyklu kom. i w trakcie różnicowania komórkowego i organogenezy c) białka strukturalne - nie są specyficzne tkankowo ani gatunkowo mają zdolność interakcji z histonami i DNA , stanowią strukturalny składnik chromatyny.
RNA - stanowi przejściowy składnik chromosomów - syntetyzowany na podstawie wzorca DNA transportowany jest do cytoplazmy. Wśród RNA wysokocząsteczkowych wyróżnia się heterogenny RNA, którego część stanowi mRNA oraz syntetyzowany w jąderku prerybosomowy RNA - prekursor rRNA. Wśród RNA o niskiej masie cząsteczkowej wyróżnia się frakcje przenikające do cytoplazmy np. tRNA i 5S RNA występujący w rybosomach, oraz frakcje pozostające w jądrze, pełniące prawdopodobnie funkcje w regulacji funkcji genów.
STRUKTURA CHROMATYNY
DNA występuje w formie upakowanej. W krańcowej postaci, w chromosomach metafazowych jego nić jest skrócona ok. 10000 razy. Jest to wynikiem przestrzennej organizacji strukturalnej uwarunkowanej przez histony i białka niehistonowe. Przyjmuje się 3 rzędy uporządkowania strukturalnego chromatyny:
1. Nukleosom - zawiera fragm. DNA (ok. 200 par zasad) który jest owinięty w postaci lewoskrętnej spirali wokół dyskowatego kształtu oktameru histonów (H2A,H2B,H3,H4)x2. Z ok. 200 par zasad w nukleosomie tylko 146 ściśle oddziaływuje z oktamerem tworząc cząstkę rdzeniową (rdzeń nukleosomu). Cząstki rdzeniowe łączą się ze sobą za pomocą łącznikowego DNA tworząc włókno nukleosomowe przypominające koraliki nanizane na nić. Strukturę nukleosomu stabilizują interakcje histon-histon pomiędzy histonami rdzenia oraz histon H1 spinający DNA wchodzący i schodzący z rdzenia.
2. Solenoid (superspirala) - jest to struktura wyższego rzędu będąca helikalną formą włókna nukleosomowego. Powstające włókno chromatynowe o średnicy ok. 30 nm i skoku 10 nm zawiera 6 nukleosomów na skręt. Upakowanie nukleosomów w solenoidzie pozwala na ok. 40-krotne skrócenie zawartego w nim DNA.
3. Struktury wyższego rzędu - kolejny stopień uporządkowania określany jako model promienistych pętli odpowiada ułożeniu włókna chromatynowego w pętle (domeny) zakotwiczone w białkowym rusztowaniu matriks lub białek stanowiących osiową podporę chromosomów. Różnice w wewnętrznej strukturze chromosomów interfazowych i metafazowych dotyczą stopnia ich upakowania.
RODZAJE CHROMATYNY
Ze względu na stan skupienia fibryl chromatynowych wyróżnia się chromatynę zwartą i luźną, zaś na podstawie jej aktywności genetycznej heterochromatynę i euchromatynę. Heterochromatyna jest to rodzaj chromatyny który nie ulega dekondensacji (wyjątek okres replikacji) i nie przekształca się w chromatynę luźną. Liczba i lokalizacja odcinków heterochromatynowych w obrębie chromosomów są stałą cechą genomu. Genetyczna determinacja heterochromatyny polega na tym, że zawiera ona satelitarny DNA, który nie ulega transkrypcji, jest to więc chromatyna nieaktywna genetycznie.
W przeciwieństwie do niej euchromatyna stanowi tę frakcję chromatyny która ulega całkowitej dekondensacji. Zawiera sekwencje unikatowe i powtarzalne, jest więc aktywna genetycznie Euchromatyna w wyniku kondensacji może przekształcić się w chromatynę zwartą nieaktywną w skutek niedostępności wzorca - DNA . Proces kondensacji euchromatyny jest odwracalny tj. chrom. zwarta nie będąca heterochromatyną może w wyniku dekondensacji przekształcić się w aktywną genetycznie chromatynę luźną. Ilość heterochromatyny i euchromatyny jest cechą gatunkową i nie ulega zmianie w procesie różnicowania komórkowego, natomiast zawartość chromatyny luźnej i zwartej w jądrach komórek tego samego organizmu może znacznie się różnić - zależy od aktywności transkrypcyjnej jądra.
JĄDERKO - powstają one w telofazie w miejscu przewężenia wtórnego chromosomu. Liczba chromosomów z przewężeniami wtórnymi tzw. jąderkotwórczych jest stałą cechą genomu. W jądrach interfazowych liczba jąderek może być mniejsza, gdyż często następuje zlewanie jąderek leżących blisko siebie. Odcinki chromosomów odpowiadające przewężeniom wtórnym noszą nazwę organizatorów jąderek - NOR. Zawierają one charakteryzujący się znaczną powtarzalnością sekwencji nukleotydów tzw. rDNA kodujący prerybosomowy RNA który przekształca się w rybosomowy RNA .
W budowie jąderka wyróżnia się: centra fibrylarne zawierające rDNA - są to jasne przestrzenie wypełnione mniej lub bardziej skondensowanymi fibrylami chromatynowymi, składnik fibrylarny - zawiera RNA i jest miejscem intensywnej transkrypcji RNA otacza on centra fibrylarne, występuje w postaci pasm lub zajmuje centralną część w jąderkach zwartych. Składnik granularny - zawiera ziarenka będące prekursorami rybosomów, składające się z rRNA i białek rybosomalnych. Wakuola jąderkowa występuje w jąderkach w których nastąpił gwałtowny eksport składnika granularnego jest to wolna przestrzeń z luźno leżącymi fibrylami i ziarenkami. Matrix jąderkowa - stanowi podłoże w którym rozmieszczone są składniki jąderka.
U roślin wyższych i w szybko rosnących kom. ssaków jąderka wykazują strukturę zwartą tj. skł. fibrylarny zajmuje centralną część a na jego peryferiach znajdują się liczne ziarenka. U większości ssaków jąderka zbudowane są ze splątanych pasm pomiędzy którymi znajdują się wolne przestrzenie o nieregularnym kształcie. Pasma te zwane nukleolonemami zbudowane są z materiału fibrylarnego i ziarnistego a jąderka takie określa się mianem nukleolonemowych.
Jąderka tkwią bezpośrednio w kariolimfie , wobec czego przemieszczające się do cytoplazmy podjednostki rybosomów ( ziarniste cząstki jąderka ) nie napotykają żadnej bariery ograniczającej ich migrację w obrębie jądra. Jąderko zawiera ponad 200 białek strukturalnych ( białka chromatyny NOR, białka cząstek prerybosomowych, białka rybosomowe, białka matriks), białka enzymatyczne (związane z syntezą i dojrzewaniem rRNA) oraz białka regulatorowe, kontrolujące ekspresję genów rRNA.
Śmierć komórki. Martwica i apoptoza
Śmierć komórki jest definiowana jako moment w którym zmiany w komórce osiągają tzw. punkt bez powrotu. Początkowo opisywano, że zmiany po osiągnięciu tego punktu bez względu na przyczynę przebiegają podobnie, czego wyrazem są podobne zmiany morfologiczne i proces ten nazwano martwicą. Jednakże przed ponad 20 laty opisano obraz procesu destrukcji komórki, który znacznie różnił się od klasycznej martwicy. Zjawisko to nazwano apopptozą (apoptosis). Apoptoza jest kontrolowanym procesem usuwania komórek w regulacji populacji komórkowych. Martwicę traktuje się jako morfologiczny obraz „prowokowanej” śmierci komórki, czyli spowodowanej czynnikami zewnątrzkomórkowymi. Apoptoza natomiast to morfologiczny obraz śmierci „programowanej”, czyli spowodowanej czynnikami wewnątrzkomórkowymi. Jest ona aktywnym, genetycznie zaprogramowanym procesem, który może być zapoczątkowany lub zahamowany przez różne czynniki zewnętrzne. Typowe dla apoptozy obrazy morfologiczne spotyka się zarówno w prawidłowych tkankach, podczas rozwoju i metamorfozy, w atrofiach i nowotworach, po napromieniowaniu, w hipertermii i po cytostatykach.
Porównanie martwicy i apoptozy: Normalna komórka w wyniku śmiertelnego uszkodzenia ulega obrzękowi, a następnie dochodzi do rozpadu organelli, rozerwania błon i rozlania zawartości martwej komórki do przestrzeni międzykomórkowych, czemu towarzyszy zwykle proces zapalny. Martwicy ulęgają całe grupy komórek. W przypadku apoptozy we wczesnych jej fazach dochodzi do kondensacji i brzeżnego ułożenia chromatyny, kondensacji cytoplazmy i miejscowego uwypuklenia się błony komórkowej. Komórka ulega fragmentacji na tzw. ciałka apoptyczne, zawierające czasem fragmenty chromatyny i zawsze nie zmienione organelle. Ciałka apoptyczne są fagocytowane przez inną komórkę tkanki. Apoptoza dotyczy pojedynczych komórek w tkance.