Jądro komórkowe - budowa i funkcje.
Jądro komórkowe jest jednym z najważniejszych organelli komórkowych. Znajduje się w nim podstawowy materiał genetyczny decydujący rozmnażaniu się komórki, funkcjach i budowie całego organizmu. Jądro zostało zaobserwowany po raz pierwszy w komórce roślinnej na początku XIX wieku. Jest ono obecne u wszystkich komórek eukariotycznych, z wyjątkiem tych, które wtórnie je utraciły w trakcie różnicowania, są to np. dorosłe erytrocyty ssaków.
Rozmiary jąder komórkowych zależą od rodzaju komórek i gatunku, ale zwykle są zbliżonej wielkości w komórkach posiadających te same funkcje, należących do tych samych tkanek. Zwykle parametr ten jest niezmienny dla określonego typu komórek. Wielkość jądra zależna jest w głównej mierze od ilości kwasu nukleinowego, jaki się w nim znajduje, a także od funkcji i aktywności metabolicznej komórki, a co za tym idzie ilości białek, jakie musi syntezować. Zazwyczaj średnica jądra waha się w granicach 5-25μm.
Jądra komórkowe posiadają, także w zależności od komórki różny kształt. Komórki o regularnym kształcie np. sześcienne mają jądra o kształcie zbliżonym do idealnej kuli, natomiast komórki różnokształtne, wydłużone mają jądra także eliptycznie wydłużone. Jądra mogą mieć także kształt nieregularny, mogą być płatowate i porozrywane, jak ma to miejsce w granulocytach ssaków. Występują także różnice w kształcie jądra u komórek niedojrzałych i tych już zróżnicowanych. Zazwyczaj komórki młode posiadają bardziej regularne jądro. Na kształt jądra wpływają różne schorzenia, które upośledzają funkcjonowanie jądra. Jądro może ulegać zniekształceniu lub rozpadowi na drobne fragmenty.
Większość powszechnie znanych komórek eukariotycznych posiada jedno jądro, czyli są tzw. monokariocytami, ale także i w przypadku organizmu ludzkiego występują komórki, zawierające więcej niż jedno jądro. Są to komórki dwujądrzaste, czyli bikariocyty, a należą do nich np. komórki wątroby (hepatocyty), czy mogą posiadać większą liczbę jąder, są wówczas nazwane polikariocytami i należą do nich np. komórki szpiku kostnego.
Położenie jądra w komórce zależy także od jej kształtu i wielkości. W komórkach roślinnych położone jest ono najczęściej w rogu komórki, przy ścianie komórkowej, ponieważ centralną część komórki zajmuje duża wakuola. Niektóre komórki zwierzęce również mają tak położone jądro, np. komórki mięśni poprzecznie prążkowanych. W przypadku komórek o regularnych kształtach zwykle znajdują się one w centralnej części. W komórkach wydzielniczych, które gromadzą swe produkty zwykle jądro zajmuje część podstawną komórki.
Struktura wewnętrzna jądra
Zasadniczymi elementami budującymi jądro komórkowe to skomplikowana i ważna funkcjonalnie otoczka jądrowa, całe wnętrze zwane nukleoplazmą, a składa się na nią całe wnętrze jądra (z wyjątkiem odrębnego jąderka), gdzie znajduje się materiał genetyczny i dzieli się na kilka rejonów o odmiennej morfologii. Są to: region skondensowanej chromatyny, region okołochromatynowy oraz przestrzeń międzychromatynowa. Wyróżnia się dodatkowo w obrębie nukleoplazmy jąderko, które traktowane jest jako osobna struktura. Odbywa się tam synteza rybosomowego RNA oraz dojrzewanie i montowanie podjednostek rybosomalnych.
W jądrze komórkowym odbywają się procesy replikacji DNA, transkrypcja i procesy potranskrypcyjne. Wszystkie te procesy wiążą się ze strukturą wewnętrzną jądra. W nukleoplazmie syntezowany jest także heterogenny jądrowy RNA oraz mały jądrowy RNA. To ostatnie badania wykazują, że ultrastruktura jądra komórkowego jest znacznie bardziej skomplikowana niż wydawało się to do tej pory. Wraz z pojawieniem się mikroskopu elektronowego możliwe było opisanie ziarnistości międzychromatynowych i okołochromatynowych. W 1969 roku wyróżniono w jądrze nowe regiony, odrębne morfologicznie: włókna perichromatynowe (okołochromatynowe) zawierające RNP (rybonukleoproteina) i ciała zwinięte.
Ultrastruktura jądra komórkowego w różnych komórkach może się nieco różnić, ale zasadnicze elementy budowy pozostają niezmienione. Można w nim wyróżnić cztery takie regiony:
- otoczka jądrowa, składająca się z podwójnej błony białkowo-lipidowej z kompleksami porowymi i blaszką jądrową, która podściela wewnętrzną błonę jądrową i ma postać delikatnej, włóknistej warstwy
- heterochromatyna, która znajduje się pod otoczką w postaci splątanych nici oraz heterochromatyna okołojąderkowa,
- jąderko, które stanowi kupienie specyficznych rejonów chromatynowych
- przestrzeń międzychromatynowa
Jądro komórkowe przechodzi liczne zmiany struktury, które związane są z fazą cyklu komórkowego. Cykl komórkowy można podzielić na dwie zasadnicze fazy. Jest to podział komórki (mitoza) oraz interfaza, czyli ten czas, kiedy komórka nie dzieli się. Dodatkowo interfazę dzieli się jeszcze na trzy fazy. Pierwszą z nich jest faza G1, w której komórka dojrzewa i intensyfikacji ulegają wszystkie procesy metaboliczne. Druga z nich to faza S, w której następuje replikacja materiału genetycznego zawartego w jądrze. Ostatnią fazą przed podziałem komórkowym jest faza G2, w której komórka przygotowuje się do podziału i sprawdza, czy wszystkie procesy związane z replikacją zaszły prawidłowo. Po fazie G2 następuje podział komórki.
Kiedy rozpoczyna się podział komórki zmienia się także struktura wewnętrzna jądra. Zanika otoczka jądrowa, rozproszeniu ulega także jąderko, chromatyna ulega kondensacji, w wyniku czego powstają charakterystyczne struktury, czyli chromosomy. Ich liczba jest charakterystyczna dla gatunku. Podczas podziału ułożone są parami, po dwa takie same chromosomy, które później rozchodzą się do dwóch różnych komórek. Najlepiej widoczne są one w metafazie podziału mitotycznego, kiedy tworzy się tzw. płytka metafazowa (chromosomy ułożone są parami w płaszczyźnie równikowej komórki). Chromatyna w czasie interfazy nie jest dobrze widoczna w jądrze, ponieważ jej nici są bardzo cieniutkie, ale DNA jądrowe nigdy nie wydostaje się poza jądro.
Sama chromatyna zidentyfikowana została w jądrze w 1869 roku, początkowo nazwana została nukleiną. W 1884 roku oprócz nukleiny/chromatyny zauważono w obrębie jądra także zasadowe białko, które połączone było z chromatyną. W ten sposób Kossel odkrył histony.
Chemiczny skład jądra przedstawia się w następujący sposób:
Zdecydowana większość to białka, które stanowią niekiedy do 75%, a średnio ok. 70% zawartości jądra. Ilość DNA to zwykle ok. 20% (17-20%). Następnie składniki, które występują w większej ilości to RNA, którego zawartość waha się 4-8% oraz fosfolipidy, które stanowią ok. 2-4%.
Rozmieszczenie kwasów nukleinowych w komórce jest różne w zależności od kwasu. RNA występuje zarówno w cytoplazmie, jak i w samym jądrze, natomiast DNA wysteruje tylko w jądrze i nigdy go nie opuszcza. Informacja w nim zawarta przedostaje się do cytoplazmy w postaci mRNA, które jest tworzone w procesie transkrypcji z DNA. W związku z lokalizacją RNA w komórce oraz zależności aktywności metabolicznej komórki z zawartością RNA, w latach 40 przedstawiono teorię o podstawowej roli tego kwasu w produkcji białek.
Lipidy jądrowe występują także poza otoczką jądrową, której są integralną częścią, budując błony. Ich obecność długo nie była potwierdzona, ale zasugerowano ją już w 1939 roku.
Otoczka jądrowa
Tworzy barierę pomiędzy materiałem genetycznym komórki a pozostałymi jej składnikami. Jest to zasadnicza różnica pomiędzy eukariontami a prokariontami. Powoduje to zabezpieczenie materiału genetycznego, tak ważnego dla komórki od reakcji, które mają miejsce w cytoplazmie, zapobiegając jego ewentualnemu uszkodzeniu. Jednymi z najciekawszych struktur wchodzących w skład otoczki jądrowej są: skomplikowany kompleks poru jądrowego oraz blaszka jądrowa, która została zaobserwowana najpóźniej ze wszystkich struktur otoczki.
Budowa otoczki jądrowej jest dość skomplikowana i zapewnia ona selektywny transport różnych związków chemicznych z cytoplazmy do wnętrza jądra i w odwrotnym kierunku. Otoczka jądrowa składa się z podwójnej błony białkowo-lipidowej oraz elementów znajdujących się na błonach, stanowiących integralną ich część i blaszki jądrowej, która wyściela ją od wnętrza karioplazmy. We frakcji lipidów błonowych dominują fosfolipidy, co odróżnia otoczkę jądrową od innych błon biologicznych.
Podwójna błona oddzielona jest od siebie przestrzenią perikularną, która zbiega się z miejscach występowania porów jądrowych. Zewnętrzna błona białkowo-lipidowa jest niejako przedłużniem szorstkiej siateczki śródplazmatycznej. Jej budowa jest bardziej urozmaicona, a na jej powierzchni bardzo często znajdują się rybosomy. Jest ona stabilna, ale także elastyczna. Błona wewnętrzna jest z kolei bardziej uporządkowana, gładka, a wpływa na to przylegająca do niej od strony karioplazmy blaszka jądrowa. Jest ona delikatna i ma strukturę włókienkową. Zbudowana jest z lamin, które są białkami należącymi do filamentów pośrednich. Laminy budujące blaszkę to lamina A, B1, B2 i C. Lamina A znajduje się bliżej wnętrza jądra, natomiast laminy B znajdują się bliżej błony białkowo-lipidowej, dlatego tez mogą się łączyć z niektórymi białkami transbłonowymi.
Otoczka jądrowa składa się z czterech klas białek, które jak dotąd udało się zidentyfikować, a są nimi:
- glikoproteina gp210, która jest białkiem transbłonowym i bierze udział w scalaniu obu warstw błony białkowo-lipidowej, a także przyczynia się do stabilizacji obu błon i kompleksów porowych
- laminy, które są białkami należącymi do dużej grupy filamentów pośrednich
- białka transbłonowe, będące integralną częścią wewnętrznej błony jądrowej, a niektóre z nich łączą się z blaszką jądrową
- glikoproteiny wchodzące w skład kompleksu porowego, które pośredniczą w przekazywaniu cząsteczek przez por jądrowy do wnętrza i na zewnątrz jądra
Pory
Liczba porów jądrowych jest uzależniona od aktywności metabolicznej komórki, im więcej porów, tym komórka bardziej aktywna i więcej substancji jest transportowanych z jądra i do jądra. Są one regularnie rozmieszczone i unieruchamiane przez blaszkę jądrową, która pozwala jedynie na ich niewielkie drgania. Każdy por jest zbudowany z wielu podjednostek białkowych. Cały kompleks może niekiedy tworzyć 50-100 różnych białek. Por utworzony jest z dwóch pierścieni, które znajdują się jeden po zewnętrznej, drugi po wewnętrznej stronie otoczki jądrowej. Oba pierścienie są ze sobą połączone. Wewnątrz nich znajduje się kanał centralny o średnicy 40 nm, a w środku kanału znajduje się białko, które nazwane jest transporterem centralnym, które zmieniając konformację umożliwia przedostanie się cząsteczek na zewnątrz lub do wnętrza jądra. Przez błonę jądrową na zasadzie dyfuzji mogą przechodzić jedynie małe niepolarne cząstki i jony. Aby większe związki mogły się przedostać przez pory muszą być połączone z dodatkowym białkiem (importyną lub eksportyną, w zależności od kierunku transportu). Cząsteczkami, które transportowane są do wnętrza jądra są: polimerazy DNA, polimerazy RNA, czynniki transkrypcyjne, splicingowe oraz histony.
Blaszka (lamina) jądrowa
Stanowi ona cienką siateczkę składającą się z licznych włókienek różnych lamin i cieniutką warstwą podściela wewnętrzną błonę jądrową. Dzięki niej jest ona bardziej uporządkowana i gładka, a blaszka stanowi także miejsce przyczepu domen chromatyny.
Laminy pod względem chemicznym są polipeptydami, które bardzo trudno rozpuszczają się w wodzie. Laminy odpowiadają za utrzymanie prawidłowej architektury jądra. Prawdopodobnie laminy odgrywają kluczową rolę w rozpadzie otoczki jądrowej podczas podziału komórki, a związane jest to z ich fosforylacją i defosforylacją. Laminy stanowią nawet połowę wszystkich białek otoczki.
Chromatyna i jej organizacja w jądrze
Aby w jądrze komórkowym mogło zmieścić się tak dużo DNA o bardzo długim łańcuchu (nawet kilka m) konieczna jest jego organizacja i odpowiednie przestrzenne ułożenie. Najprostszym sposobem organizacji nukleotydów jest helisa DNA. Następnym etapem jest oddziaływanie helisy z zasadowymi białkami histonowymi. Rezultatem tego oddziaływania jest utworzenie podstawowej jednostki organizacyjnej chromatyny, która ma charakter włókna i jest to nukleonom. Jego wygląd zbliżony jest do sznura z koralami, gdzie sznurem jest długa nić DNA, a korale to struktury zbudowane z DNA (146 par zasad) nawiniętego na białka histonowe, które ułożone są w postaci oktameru i stanowią one rdzeń dla DNA. Wśród histonów budujących oktamer wyróżnić możemy histony H2A, H2B, H3 i H4. Dodatkowym histonem, który spina nici wchodzące i wychodzące z nukleosomu nici DNA, łącząc tym samym sąsiadujące nukleosomy. Przybliżona średnica nukleosomu wynosi 11 nm. Dzięki właściwościom spinającym histonu H1 możliwe jest utworzenie struktury wyższego rzędu, jaką jest włókno 30nm. Ponadto histon H1 stabilizuje całą strukturę włókna 30 nm. Histon H1 jest także dość specyficzną cząsteczką, wykazującą dużą konserwatywność ewolucyjną. Włókno to powstaje w wyniku naturalnego fałdowania się cienkiej nici w strukturę przypominającą solenoid. Wówczas włókno 11 nm zwinięte jest wokół jednej osi. Nie wiadomo, czy istnieją struktury wyższego rzędu niż włókno 30 nm, wiadomo jednak, że włókna te regularnie upakowane układają się w chromosomy metafazowe, dobrze widoczne podczas podziału komórki
Jąderko
Jąderko jest jedną z najbardziej charakterystycznych struktur występujących w jądrze komórkowym podczas interfazy. Posiada ono dużą gęstość, dużą zawartość suchej masy i zarazem mało wody (zdarza się, że zaledwie 10%). Strukturalnie jąderko utworzone jest przez barwiące się na ciemno fragmenty chromosomów, które tworzą na nich tzw. przewężenie wtórne, a zwane są organizatorami jąderka (NOR). Jąderko jest strukturą bardzo specyficzną i wyspecjalizowaną w swych funkcjach. W jąderku syntezowane są: prekursorowi rRNA (pre-r-RNA), a także dojrzewają i są później składane jednostki rybosomowe (RNP).
Jąderko jest jednym z najważniejszych elementów składowych jądra komórkowego (po materiale genetycznym), ale jest jednocześnie jednym z najbardziej niestabilnych organelli w całej komórce. Jego morfologia, kształt i w ogóle istnienie zależne jest od aktywności komórki i cyklu komórkowego. Podobnie jak całe jądro, jąderko reaguje także na różne stany chorobowe, zmieniając swe funkcje i morfologię. Morfologia jąderka uzależniona jest od gatunku oraz od rodzaju komórki, w której występuje.
Jąderko występuje w komórce tylko w interfazie, ponieważ przed podziałem komórki rozpada się, ponieważ chromatyna, która do tworzy kondensuje i tworzy chromosomy. Niekiedy jąderka nie występują w jądrach, które posiadają bardzo gęsto upakowaną chromatynę i nie zachodzi tam synteza białek. Takim przypadkiem jest m.in. plemnik.
Ilość jąderek w jądrze jest ustalona wcześniej, zaraz po podziale komórkowym i utworzeniu nowej komórki. Zależy ona od ilości chromosomów w jądrze, które zawierają NOR. Liczba jąderek może być mniejsza, bądź równa liczbie organizatorów jąderek. Ponadto liczba ta nie jest stała i zmienia się wraz ze stanem komórki i zależna jest także od rodzaju komórki. U człowieka największa liczba jąderek w jądrze wynosi 10.
Jąderka mogą mieć różne kształty, a zwykle są bardzo nieforemne, nieregularne, w związku z tym, że nie są otoczone żadna błoną, która oddzielałaby je od nukleoplazmy. Mogą one być także bardziej zbliżone do kuli, czy elipsy, a ich kształt zależy także od wieku komórki. Im komórka młodsza, tym bardziej regularne kształty jąderek.
Położenie jąderek w jądrze może być bardzo różne, i mogą się one nieco przemieszczać, ale nie jest to lokalizacja ściśle określona.
Rozmiary jąderka zależą w głównej mierze od aktywności komórki i nasilenia procesów metabolicznych. Im bardziej są one nasilone, tym więcej białek komórka musi produkować, a zatem tym większą aktywnością i wydajnością musi cechować się jąderko. Ważna jest nie tylko sama produkcja rRNA, ale zwłaszcza jego transport z jądra.
W ultrastrukturze jąderka możemy wyróżnić kilka składników. Są to zarówno składniki fibrylarne (włókniste), jak i granularne (składnik ziarnisty), a pomiędzy nimi występują szpary jąderkowe. Składniki włókniste to: centra włókniste (fibrylarne), gęsty składnik włóknisty (fibrylarny). Oprócz tych składników do jąderka przylega związana z nim chromatyna.
Ze względu na morfologię możemy wyróżnić kilka typów jąderek. Są to jąderka spoczynkowe, o nieregularnym kształcie z licznymi wolnymi przestrzeniami wewnątrz - jąderka siateczkowe, lub stanowiące zupełne przeciwieństwo - jąderka zwarte, a także jąderka segregowane.
Pod względem chemicznym, głównym składnikiem jąderka są białka, dlatego są nieco cięższe i mają większą gęstość w porównaniu z resztą nukleoplazmy. Białka te są głownie obojętne i kwasowe. Są to białka pełniące różne funkcje. Większość z nich to białka strukturalne i szkieletowe; białka enzymatyczne niezbędne są do syntezy pre-r-RNA oraz dojrzewania jednostek rybosomowych, a jeszcze inne to białka regulatorowe.