Pory jądrowe są jednym z najważniejszych elementów wewnątrzkomórkowych, ponieważ biorą udział w transporcie molekularnym. Pomimo postępów w badaniach biologicznych nie wszystkie pytania dotyczące tych struktur zostały w pełni zbadane. Niektórzy naukowcy uważają, że kompleks porów jądrowych można przypisać organelli komórkowych pod względem znaczenia funkcji i złożoności strukturalnej.
Pocisk jądrowy
Cechą charakterystyczną komórek eukariotycznych jest obecność jądra, które jest otoczone błoną oddzielającą je od cytoplazmy. Membrana składa się z dwóch warstw - wewnętrznej i zewnętrznej, połączonych dużą liczbą porów.
Znaczenie otoczki jądrowej jest bardzo duże - pozwala na wytyczenie procesów syntezy białek i kwasów nukleinowych niezbędnych do regulacji czynnościowej aktywności genów. Błona kontroluje proces transportu substancji do wewnątrz, do cytoplazmy i odwrotnie. Jest to również struktura szkieletowa, która wspiera kształt jądra.
Pomiędzy błoną zewnętrzną i wewnętrzną znajduje się przestrzeń okołojądrowa, której szerokość wynosi 20-40 nm. Zewnętrznie wygląda koperta jądrowadwuwarstwowa torba. Obecność porów w jej strukturze jest istotną różnicą między tą strukturą a podobnymi w mitochondriach i plastydach.
Struktura porów jądrowych
Kanały to perforacje o średnicy około 100 nm, przechodzące przez całą otoczkę jądrową. W przekroju charakteryzują się kształtem wielokąta o symetrii ósmego rzędu. Kanał przepuszczalny dla substancji znajduje się pośrodku. Jest wypełniony złożonymi strukturami kulistymi (w postaci cewki) i fibrylarnymi (w postaci skręconej nici), które tworzą centralną granulkę - „wtyczkę” (lub transporter). Na poniższym rysunku możesz wyraźnie zbadać, czym jest por jądrowy.
Badanie mikroskopowe tych struktur pokazuje, że mają one strukturę pierścieniową. Włókniste wyrostki rozciągają się zarówno na zewnątrz, do cytoplazmy, jak i do wewnątrz, w kierunku jądra (włókien). Te ostatnie tworzą rodzaj koszyka (zwanego w literaturze zagranicznej „koszykiem”). W porach pasywnych włókienka koszyczkowe zamykają kanał, natomiast w porach czynnych tworzą dodatkową formację o średnicy około 50 nm. Pierścień z boku cytoplazmy składa się z 8 granulek połączonych ze sobą jak kulki na sznurku.
Całość tych perforacji w powłoce jądra nazywana jest kompleksem porów jądrowych. W ten sposób biolodzy podkreślają wzajemne połączenie między poszczególnymi otworami, działające jako jeden, dobrze skoordynowany mechanizm.
Zewnętrzny pierścień jest połączony z przenośnikiem centralnym. Niższe eukarionty (porosty i inne) nie mają cytoplazmyi pierścienie nukleoplazmatyczne.
Cechy konstrukcyjne
Struktura i funkcje porów jądrowych mają następujące cechy:
- Kanały to liczne kopie około 30-50 nukleoporyn (łącznie około 1000 białek).
- Masa kompleksów waha się od 44 MDa u niższych eukariontów do 125 MDa u kręgowców.
- We wszystkich organizmach (ludziach, ptakach, gadach i innych zwierzętach), we wszystkich komórkach, struktury te są ułożone w podobny sposób, to znaczy, że kompleksy porów są ściśle konserwatywnym systemem.
- Składniki kompleksów jądrowych mają budowę podjednostkową, dzięki czemu mają wysoką plastyczność.
- Średnica kanału centralnego waha się między 10-26 nm, a wysokość kompleksu porów wynosi około 75 nm.
Części porów jądrowych daleko od środka nie są symetryczne. Naukowcy przypisują to różnym mechanizmom regulacji funkcji transportowej na początkowych etapach rozwoju komórki. Zakłada się również, że wszystkie pory są strukturami uniwersalnymi i zapewniają ruch cząsteczek zarówno do cytoplazmy, jak i w przeciwnym kierunku. Kompleksy porów jądrowych są również obecne w innych błonowych elementach komórkowych, ale w rzadszych przypadkach (retikulum, fenestrowane błony cytoplazmatyczne).
Liczba porów
Głównym czynnikiem determinującym liczbę porów jądrowych jest aktywność metaboliczna w komórce (im wyższa, tym więcejliczba kanalików). Ich stężenie w grubości błony może zmieniać się kilkakrotnie w różnych okresach stanu funkcjonalnego komórek. Pierwszy wzrost liczby porów następuje po podziale - mitozie (podczas przebudowy jąder), a następnie w okresie wzrostu DNA.
Różne gatunki zwierząt mają różne liczby. Zależy to również od miejsca pobrania próbki. Tak więc w kulturze ludzkiej tkanki jest około 11 sztuk/µm2, a w niedojrzałej komórce jajowej żaby Xenopus - 51 sztuk/µm2. Średnio ich gęstość waha się od 13-30 sztuk/µm2.
Rozmieszczenie porów jądrowych na powierzchni powłoki jest prawie równomierne, ale w miejscach, w których substancja chromosomów zbliża się do błony, ich stężenie gwałtownie spada. Niższe eukarionty nie mają sztywnej sieci włókienkowej pod błoną jądrową, więc pory mogą poruszać się wzdłuż błony jądrowej, a ich gęstość w różnych obszarach znacznie się różni.
Funkcje
Główną funkcją kompleksu porów jądrowych jest pasywny (dyfuzja) i aktywny (wymagający kosztów energii) transfer cząsteczek przez błonę, czyli wymiana substancji między jądrem komórki a cytoplazmą. Proces ten ma kluczowe znaczenie i jest zarządzany przez trzy systemy, które są ze sobą w ciągłej interakcji:
- kompleks substancji biologicznie czynnych-regulatorów w jądrze i cytoplazmie - importyna α i β, białko Ran, trifosforan guanozyny (nukleotyd purynowy) oraz inne inhibitory i aktywatory;
- nukleoporyny;
- elementy strukturalne porowatego kompleksu jądrowego, które są w stanie zmienić swój kształt i zapewnić przenoszenie substancji we właściwym kierunku.
Białka niezbędne do funkcjonowania jądra pochodzą z cytoplazmy przez pory jądrowe, a różne formy RNA są wydalane w przeciwnym kierunku. Kompleks porów nie tylko wykonuje transport czysto mechaniczny, ale służy również jako sorter, który „rozpoznaje” określone cząsteczki.
Transfer pasywny występuje w przypadku tych substancji, których masa cząsteczkowa jest niska (nie więcej niż 5∙103 Tak). Substancje takie jak jony, cukry, hormony, nukleotydy, kwas adenozynotrójfosforowy, które biorą udział w wymianie energii, swobodnie dostają się do jądra. Maksymalny rozmiar białek, które mogą przeniknąć przez pory do jądra, wynosi 3,5 nm.
Podczas syntezy potomnej cząsteczki DNA, transport substancji osiąga szczyt aktywności - 100-500 cząsteczek przez 1 por jądrowy w ciągu 1 minuty.
Białka porów
Elementy kanału mają charakter białkowy. Białka tego kompleksu nazywane są nukleoporynami. Są one gromadzone w około 12 podkompleksach. Konwencjonalnie dzieli się je na trzy grupy:
- związki o określonych sekwencjach powtórzeń rozpoznawalne przez czynniki biochemiczne;
- brak sekwencji;
- białka integralne, które znajdują się w obszarze błony tworzącej pory lub w samym porach w przestrzeni między warstwami otoczki jądrowej.
Badania wykazały, że nukleoporyny mogą się tworzyćraczej złożone kompleksy, zawierające do 7 białek, a także bezpośrednio zaangażowane w transport substancji. Niektóre z nich mogą bezpośrednio wiązać się z cząsteczkami poruszającymi się przez pory jądrowe.
Eksport substancji do cytoplazmy
Ten sam por może brać udział zarówno w wycofywaniu, jak i imporcie substancji. Nie występuje odwrotna translacja RNA z cytoplazmy do jądra. Kompleksy jądrowe rozpoznają sygnały eksportowe (NES) przenoszone przez rybonukleoproteiny.
NES-sekwencja substancji sygnalizacyjnych to złożony kompleks aminokwasów i białek, które po usunięciu z jądra komórkowego do cytoplazmy dysocjują (rozpadają się na oddzielne składniki). Dlatego podobne cząstki sztucznie wprowadzone do cytoplazmy nie wnikają z powrotem do jądra.
Proces mitozy
Podczas podziału komórki (mitozy) kompleks porów jądra jest „rozbierany”. Tak więc kompleksy o masie cząsteczkowej 120 mDa rozkładają się na subkompleksy o masie cząsteczkowej 1 mDa każdy. Po zakończeniu podziału ponownie się zbierają. W tym przypadku pory jądrowe nie poruszają się osobno, ale w szyku. Jest to jeden z dowodów na to, że kompleks porów jądrowych jest dobrze skoordynowanym systemem.
Pęknięta membrana zamienia się w skupisko pęcherzyków, które otacza obszar rdzenia w okresie międzyfazowym. W metafazie, gdy chromosomy są utrzymywane w płaszczyźnie równikowej, elementy te są przesuwane do stref peryferyjnych komórki. Pod koniec anafazy klaster ten zaczyna kontaktować się z chromosomami i rozpoczyna się wzrost.podstawy błony jądrowej.
Pęcherzyki zamieniają się w wakuole, które stopniowo otaczają chromosomy. Następnie łączą się i odgradzają nowe jądro interfazowe od cytoplazmy. Pory pojawiają się już na bardzo wczesnym etapie, kiedy zamknięcie muszli jeszcze nie nastąpiło.
