Jądro komórkowe i cykl komórkowy.

Jednym z najważniejszych organelli komórkowych jest jądro komórkowe. Jego obecność w komórce została odkryta początkowo u roślin na początku XIX wieku. Jest ono obecne w każdej komórce eukariotycznej w przynajmniej jednej z faz rozwojowych komórki, gdyż niektóre komórki wtórnie utraciły jądro (erytrocyty ssaków).

W zależności, w jakiego typu komórce jądro się znajduje może mieć ono różny kształt. Jest to uzależnione od funkcji komórki, ale zazwyczaj ma ono kształt regularnej kuli w komórkach o regularnych kształtach, a bardziej zniekształcone, elipsowate jest w komórkach różnokształtnych, może być także segmentowane, nieregularne np. w granulocytach (leukocyty). Podobna zależność jest pomiędzy młodymi komórkami, które zwykle mają jądro bardziej regularnych kształtów niż komórki dojrzałe, już zróżnicowane. Różnorodne schorzenia wpływają na kształt i konsystencję jądra.

Rozmiary jądra komórkowego również uzależnione są od rodzaju komórki, w której się znajdują oraz od organizmu. Są one podobnej wielkości i kształtu w komórkach pełniących te same funkcje. Im bardziej aktywna czynnościowo komórka, tym ma większe jądro. Wielkość bezpośrednio zależy od ilości DNA w nim zawartej.

Najczęściej komórki somatyczne zwierzęce zawierają jedno jądro komórkowe, ale może to być dwa jądra, wówczas są to bikariocyty, lub więcej niż dwa, a których liczba może być bardzo duża, to polikariocyty.

Jądro w komórce zwierzęcej znajduje się zazwyczaj w jej centralnej części, choć często w komórkach wydzielniczych znajduje się w jej części podstawnej, co związane jest z ich funkcją. Niekiedy zdarza się, że jądro znajduje się na obrzeżach komórki, jak w przypadku komórek mięśniowych mięśni poprzecznie prążkowanych. W komórce roślinnej jądro zwykle zepchnięte jest na obrzeża komórki, często znajduje się w jednym z jej kątów, ponieważ centralną część komórki zajmuje wakuola.

Najważniejsze funkcje jądra związane są z jego strukturą wewnętrzną, a należą do nich: replikacja DNA, transkrypcja, procesy potranskrypcyjne, czy składanie jednostek rybosomowych. Poniżej uogólniony opis ultrastruktury, której obserwacje możliwe były, jedynie po zastosowaniu mikroskopu elektronowego.

Jądro otoczone jest otoczką, składającą się z dwóch błon białkowo-lipidowych, które poprzebijane są porami jądrowymi. Pory jądrowe mają dość złożoną budowę, a ich rozmiary to ok. 120 μm. Im większa aktywność metaboliczna komórki, tym więcej porów jądrowych. Do jądra na zasadzie dyfuzji mogą z cytoplazmy przechodzić jony i inne małe cząstki niepolarne, natomiast inne, większe cząsteczki muszą połączyć się z białkiem - importyną, a kiedy transport zachodzi z jądra do cytoplazmy, odpowiadają im białka - eksportyny.

Jądro wewnątrz wypełnione jest sokiem jądrowym, tzw. kariolimfą. W niej znajduje się zasadniczy funkcjonalnie element jądra, czyli chromatyna. W jądrze interfazowym zaobserwować można cieniutkie niteczki euchromatyny, czyli rozluźnionej formy DNA, w której znajdują się głównie aktywne transkrypcyjnie geny. Przed podziałami euchromatyna ulega kondensacji i nawinięciu na specjalne białka, dzięki czemu jest ona bardzo zagęszczona i w rezultacie tworzy chromosomy, widoczne już w zwykłym mikroskopie świetlnym. Liczba chromosomów oraz ich morfologia charakterystyczna jest dla każdego typu tkanki i gatunki i pozostaje niezmienna przez całe życie osobnicze. Zadziwiający jest fakt, że w przeciętnej komórce eukariotycznej znajduje się ok. 2 m DNA, a mieści się tak w takie ilości, właśnie dlatego, że jest dobrze upakowane. Heterochromatyna to bardziej skondensowana forma chromatyny, w której znajdują się obok siebie odcinki DNA, na których znajdują się geny nic nie kodujące i takie, które zawierają geny kodujące różne cechy.

Ważnym elementem składowym jądra jest jąderko, lub kilka jąderek. Nie posiada ono oddzielnej błony otaczającej. Tu zachodzi synteza rRNA, czyli kwasu, który wchodzi w skład jednostek rybosomowych. Tutaj też następuje składanie tych jednostek, czyli łączenie rRNA z białkami, które są tam syntezowane. Jąderko stanowi zagęszczenie chromatyny.

W zależności od fazy, w której znajduje się komórka zmienia się również struktura jądra komórkowego. Cały cykl komórkowy można podzielić na dwie zasadnicze fazy, są to: interfaza i podział komórki (mitoza, faza M). Samą interfazę dzielimy dodatkowo na trzy fazy, charakteryzujące się innymi procesami zachodzącymi w komórce. Pierwszą po podziale komórkowym fazą cyklu jest faza G1, kiedy intensywnie zachodzą wszystkie procesy metaboliczne, komórka rośnie i powoli przygotowuje się na syntezy DNA, osiągając swoje rozmiary i pełniąc funkcje, do jakich została przeznaczona. W tym momencie niektóre komórki po zakończeniu fazy G1 mogą przechodzić w tzw. fazę spoczynkową, G0, wówczas komórka traci zdolności podziałowe, a zaczyna się jej specjalizacja i pełni ona swoje funkcje. Najczęściej faza taka charakteryzuje się obniżoną aktywnością metaboliczną i może trwać, w przypadku komórek wyspecjalizowanych całe życie, lub może być tylko tymczasowa np. w przypadku zbyt małej ilości substancji odżywczych, by zaszła prawidłowa synteza DNA i podział. Komórkami, które przechodzą do fazy G0 po gazie G1 są np. dojrzałe neurony, erytrocyty, kardiomioblasty (komórki mięśnia sercowego), hepatocyty (te mogą powrócić do fazy podziałowej, kiedy zajdzie taka potrzeba, np. po uszkodzeniu wątroby). Wracając do regularnego przebiegu cyklu komórkowego, po fazie G1 zwyczajowo następuje faza S. W tej fazie w komórce następuje synteza materiału genetycznego (replikacja DNA jądrowego, gdyż replikacja DNA mitochondrialnego może zachodzić w różnych fazach cyklu). Kolejną fazą cyklu komórkowego, po fazie S jest faza G2, w której komórka sprawdza, czy replikacja zaszła prawidłowo i przygotowuje się do podziału. Ostatnią fazą cyklu komórkowego jest faza podziału (faza M), kiedy chromatyna jest już skondensowana, materiał genetyczny podwojony, a sama komórka zaczyna podział. Niekiedy, jak w przypadku komórek macierzystych, (które dzielą się w błyskawicznym tempie) faza G1 i G2 cyklu są maksymalnie zredukowane, a sam cykl skupia się na namnożeniu DNA i następnie podziale komórki. Podobnie wygląda sytuacja z komórkami nabłonkowymi, które dzielą się bardzo szybko, w związku z wciąż złuszczającą się zewnętrzną warstwą komórek. Cały cykl komórkowy podlega ścisłej regulacji. Układ kontroli gwarantuje prawidłowe zakończenie jednej fazy cyklu, przed przejściem do następnej. Komórka reaguje na sygnały z zewnątrz (z komórek sąsiednich, hormonalne, nerwowe). Kontrola wewnątrzkomórkowa sprawowana jest w dużej mierze przez cykliny (białka pojawiające się cyklicznie w komórce, w różnych fazach cyklu, a maksymalne stężenie występuje w fazie podziałowej) i regulowane przez nie kinezy cyklinozależne, które m.in. przenoszą resztę fosforanową, fosforylując kluczowe białka.

W czasie podziału komórkowego zmienia się także jądro i jego struktura wewnętrzna. Oprócz skondensowanej chromatyny (sama kondensacja zachodzi jeszcze w interfazie) w jądrze podczas podziału zanika jąderko, zanika także otoczka jądrowa, rozpada się cytoszkielet, a powstaje nieco inny, taki, który umożliwia późniejsze powstanie płytki metafazowej. W metafazie każdy chromosom ma swoje miejsce, a każde takie terytorium oddzielone jest od innych, dołkami, w których dojrzewa mRNA.

Nieco bardziej szczegółowy opis budowy strukturalnej i chemii jądra komórkowego pozwoli na dokładne zrozumienie mechanizmów procesów, jakie w nim zachodzą, a które pociągają za sobą zmiany w całej komórce.

Sama chromatyna odkryta była stosunkowo wcześniej po zlokalizowaniu w komórce jądra, a mianowicie w 1869 roku, początkowo zwana nukleiną. Niedługo potem wyizolowano białka histonowe, na które nawinięta jest chromatyna.

Pod względem chemicznym jądro w większości zbudowane jest z białek (nawet do 75%), następny składnik pod względem ilości stanowi DNA, które znajduje się w ilości ok. 20%, następnie RNA, którego zawartość waha się w granicach 4-8% oraz fosfolipidy, które nie przekraczają 5%, a zwykle jest to 2-3 %.

Zlokalizowanie DNA i RNA w komórce zajęło naukowcom już nieco więcej czasu. Badania takie prowadzone były w latach 30 i 40 ubiegłego wieku. Odkryto wtedy kluczową rolę RNA w procesie syntezy białek. Należy dodać, że DNA nigdy nie opuszcza jądra, a informacje w nim zawarte przekazywane są na zewnątrz jądra, gdzie następuje synteza białek poprzez mRNA, a synteza białka zachodzi również przy udziale tRNA.

Bardzo ciekawą pod względem swej złożonej struktury jest błona otaczająca jądro. Składa się ona z podwójnej błony białkowo lipidowej. Zewnętrzna z nich jest niejako przedłużeniem szorstkiej siateczki śródplazmatycznej, w związku z czym, ma bardziej zróżnicowaną budowę, a na jej zewnętrznej powierzchni mogą znajdować się rybosomy. Błona wewnętrzna jest bardziej gładka i uporządkowana. Od wewnętrznej strony jądra przylega do niej blaszka jądrowa, która również ma skomplikowaną strukturę. Zbudowana jest ona głównie z lamin jądrowych (białka należące do filamentów pośrednich); są to laminy A, B1, B2 i C. Laminy A znajdują się bliżej wnętrza jądra, natomiast laminy B znajdują się bliżej błony białkowo-lipidowej i mogą łączyć się z niektórymi białkami transbłonowymi. Bardzo ważnym elementem strukturalnym otoczki jądrowej jest kompleks poru jądrowego. Pory jądrowe, jak wspomniano wcześniej przebijają obie błony białkowo-lipidowe i występują w ilości uzależnionej od aktywności metabolicznej komórki. Poszczególne pory mają zdolność do niewielkich drgań, ale nie mogą w większym stopniu zmieniać swojego położenia w otoczce jądrowej, ponieważ to laminy unieruchamiają je. Sam kompleks poru jądrowego zbudowany jest z 50-100 różnych białek. Budują go dwa pierścienie, które położone są, jeden po wewnętrznej, drugi po zewnętrznej stronie błony jądrowej, połączone są między sobą. Pierścienie tworzą kanał centralny, który ma średnicę ok. 40 nm, a w jego wnętrzu znajduje się struktura zwana centralnym transporterem, lub ziarenkiem centralnym, które poprzez zmianę swojej konformacji umożliwia transport cząsteczek do wnętrza lub na zewnątrz jądra. Białkami transportowanymi do wnętrza jądra są m.in. histony, polimerazy DNA, polimerazy RNA, czynniki transkrypcyjne i czynniki splicingowe. Białka te transportowane są dzięki sekwencji zwanej sygnałem lokalizacji jądrowej (NLS).

Podsumowując: otoczka jądrowa zbudowana jest z dwóch błon białkowo lipidowych, (w których we frakcji lipidowej dominują fosfolipidy, co odróżnia ja od innych błon komórkowych), w których zakotwiczone są kompleksy porowe, a także liczne białka. Wśród białek zidentyfikowane zostały: glikoproteina gp210, która jest białkiem transbłonowym, biorącym udział w stabilizacji obu błon i kompleksów porowych, laminy, usztywniające otoczkę jądrową i unieruchamiające kompleksy porowe (są to filamenty pośrednie) oraz białka błonowe, charakterystyczne dla błony wewnętrznej.

Funkcje otoczki jądrowej to przede wszystkim oddzielenie materiału genetycznego, który stanowi głównie DNA od reszty komórki i cytoplazmy, w której zachodzą liczne reakcje chemiczne, które mogłyby zakłócić replikacja DNA czy inne procesy zachodzące w jądrze. Taki rozdział zapewnia komórce prawidłową replikację DNA, a także syntezę i transport do cytoplazmy różnego rodzaju RNA. Ponadto, aby ułatwić rozdział materiału genetycznego do dwóch nowopowstających komórek podczas mitozy, otoczka jądrowa zanika, by w niedługim czasie po samym rozdziale odtworzyć się już otaczając dwa oddzielne jądra. Obecność 3000-4000 porów jądrowych (u ssaków) zapewnia selektywny dopływ i wypływ niezbędnych do funkcjonowania związków chemicznych, unikając tym samym wniknięcie substancji niebezpiecznych.

Chromatyna i DNA

Aby w jądrze komórkowym zmieścić tak niewyobrażalnie długie cząsteczki kwasu DNA (nawet kilka m) niezbędna jest jej odpowiednia organizacja i upakowanie. Pierwszym etapem organizacji materiału genetycznego po helisie DNA jest jej oddziaływanie z zasadowymi białkami histonowymi. W wyniku tych oddziaływań tworzy się podstawowa jednostka budulcowa chromatyny o charakterze włókna - nukleonom. Wygląda on podobnie do sznura z koralami, gdzie sznurem jest długa nić DNA, a korale to struktury zbudowane z DNA (146 par zasad) nawiniętego na białka (o strukturze oktamerycznej, a stanowiące rdzeń), który składa się z dwóch cząsteczek histonów. Są to histony H2A, H2B, H3 i H4. Piątym histonem jest histon H1 i pełni on funkcję łącznika całego nukleosomu z sąsiadującym, co powoduje powstanie struktury wyższego rzędy, jaką jest włókno 30 nm. Oprócz zdolności spinania dwóch cząstek DNA na nukleosomie, ma także zdolność do zaginania nici DNA miedzy nukleosomami, w ten sposób, że przypominają one łodyżkę. Ponadto histon H1 jest dość specyficzną cząsteczką, wykazującą dużą konserwatywność ewolucyjną.

W trakcie namnażanie materiału genetycznego w fazie S cyklu komórkowego replikacji ulega nie tylko sam kwas DNA, ale powielone zostają także wszystkie struktury związane z chromatyną. Podczas replikacji i przechodzenia widełek replikacyjnych zaburzona zostaje miejscowo struktura chromatyny. Natomiast nowe nukleosomy odkładane są na powstających w tym czasie nowych niciach DNA. Powstawanie nowej chromatyny podczas replikacji to proces dwuetapowy. Pierwszym etapem jest przetransportowanie histonów z już istniejących nukleosomów na nowe nici DNA i odtworzenie nukleosomów. Jest to jakby naturalnym następstwem przejścia widełek replikacyjnych. Drugim etapem jest odkładanie na nowopowstałych niciach nukleosomów, z białek pistonowych, które powstały również w fazie S. W proces ten zaangażowanych jest także szereg czynników składania chromatyny.

Jąderko jest kolejną charakterystyczną strukturą znajdującą się w jądrze (tylko w interfazie cyklu komórkowego). Jest ono dobrze widoczne nawet pod zwykłym mikroskopem świetlnym. Jąderko utworzone jest przez znajdujące się zwykle na kilku chromosomach, tzw. organizatory jąderka (NOR, występują one na chromosomie w postaci przewężenia wtórnego), a zatem jąderko jest skupieniem takich regionów chromatyny. Zwykle charakteryzuje się także dużą gęstością i niewielką ilością wody.

Do podstawowych funkcji jąderka należy synteza pre-r-RNA, a także dojrzewanie i składanie białkowych podjednostek rybosomowych.

Jąderko jest strukturą bardzo niestabilną, a jego morfologia oraz struktura wewnętrzna zmienia się w zależności od stanu komórki i fazy cyklu komórkowego. Jest ona również zależna od rodzaju komórki/tkanki, jej funkcji oraz gatunku. Charakterystyczną cechą np. dla plemników jest brak jąderka; dzieje się to w związku z bardzo zagęszczoną chromatyną w jądrze, a także dlatego, że nie zachodzi tam synteza białek.

Należy również zaznaczyć, że liczba jąderek w jądrze jest różna i zależy od aktywności komórki, czyli potrzebą syntezy białka. Im więcej białek jest potrzebnych, czyli im bardzie aktywna metabolicznie komórka, tym więcej jąderek w jądrze. Podobna zależność jest pomiędzy wielkością jąderka/jąderek a zapotrzebowaniem komórki na rybosomy. W jądrze powstaje tyle jąderek ile w danym genomie jest chromosomów z organizatorami jąderek (NOR). U człowieka największa liczba jąderek w komórce, wynosi 10. Jąderko nie jest oddzielone od nukleoplazmy żadną błoną, a zatem jest ono tylko regionem, a zatem może mieć różny kształt. Najczęściej jest ono nieregularnego kształtu skupienie, ale może być owalne, zbliżone do kuli. Objętość jąderka uzależniona jest także od szybkości usuwania poza jądro syntezowanego pre-r-RNA, które w wyniku zastojów, opóźnień może być kumulowane w jąderku, powiększając jego rozmiary.

Pod względem morfologicznym można wyróżnić kilka typów jąderek. Są to jąderka spoczynkowe, o nieregularnym siateczkowym kształcie - jąderka siateczkowe, lub zupełnie przeciwnie - jąderka zwarte, a także jąderka segregowane.

W ultrastrukturze jąderka można wyróżnić kilka elementów składowych. Są to zarówno elementy włókniste (centra fibrylarne wraz z gęstym składnikiem fibrylarnym) oraz ziarniste, do których należy składnik granularny oraz występujące pomiędzy nimi wakuole jąderkowe. W skład jąderka wchodzi także chromatyna, która związana jest z jąderkiem.