Jądra komórkowe i rybosomy

Załóżmy, że posiadasz bardzo cenną informację. Wyobraź sobie, że tą informacją jest plan. W rzeczywistości nie jest to plan budowy domu albo samochodu, ani nawet super tajnego myśliwca. jest to plan całego organizmu - Ciebie - i to nie tylko plan budowy Twojego organizmu ale też plan funkcjonowania każdej komórki w Twoim ciele.

Brzmi poważnie, prawda? Prawdopodobnie chciałbyś aby tak cenne informacje przechowywane były w bezpiecznym miejscu, na przykład skarbcu, który w każdej chwili mógłbyś pilnować. W rzeczywistości, komórki eukariotyczne tak obchodzą się ze swoim materiałem genetycznym, umieszczają go w repozytorium otoczonym błoną zwanym jądrem komórkowym.

DNA (cząsteczki kwasu deoksyrybonukleinowego) komórek eukariotycznych nigdy nie opuszcza jądra. Zamiast tego jest przepisywane na cząsteczki RNA (cząsteczki kwasu rybonukleinowego), które uwalniane są poza jądro komórkowe. W cytozolu RNA współpracuje z rybosomami w efekcie czego dochodzi do biosyntezy białek. Oprócz tego RNA pełni też funkcję w regulacji aktywności genów oraz służy jako komponent w budowie rybosomów. W tym artykule omówimy sobie trochę bardziej szczegółowo strukturę jądra i rybosomów.

Jądro komórkowe (łać. nucleus) magazynuje informacje genetyczną komórki, inaczej zwane DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) oraz jest miejscem powstawania rybosomów, służących do biosyntezy białek. Wewnątrz jądra znajduje się chromatyna (DNA owinięte wokół białek, co omówimy bardziej szczegółowo w dalej części) przechowywana w żelowej substancji zwanej nukleoplazmą.

Nukleoplazmę zamyka w jądrze otoczka jądrowa, która składa się z dwuwarstwowej błony: zewnętrznej i wewnętrznej. Każda z tych błon posiada dwie warstwy fosfolipidów, ułożonych ogonkami do środka (formowanie dwuwarstwy lipidowej). Pomiędzy warstwami błony otoczki jądrowej znajduje się cienka przestrzeń bezpośrednio połączona z retikulum endoplazmatycznym.

Pory jądrowe to małe kanały, które pozwalają na transport substancji na zewnątrz i do wewnątrz jądra. Pory jądrowe są tworzone z zestawu białek, inaczej zwanych nukleoporynami, które regulują jakie cząsteczki mogą zostać przez nie przetransportowane.

Gdybyś obserwował jądro komórkowe pod mikroskopem to w zależności do tego jakiego rodzaju barwnika użyjesz będziesz w stanie zaobserwować ciemną plamkę w jego centralnej części. Ta plamka nazywana jest jąderkiem i jest miejscem powstawania rybosomów.

Jak tworzone są rybosomy? Niektóre chromosomy posiadają fragmenty kodujące rRNA (rybosomalny RNA), które w połączeniu z białkami tworzą rybosomy. W jąderku, rRNA łączy się z białkami tworzą podjednostki rybosomów. Powstające podjednostki transportowane są przez pory na zewnątrz jądra do cytoplazmy, gdzie mogą pełnić swoje funkcje.

Niektóre komórki posiadają więcej niż jedno jąderko w jądrze. Na przykład, komórki myszy mogą posiadać aż $6$‍ jąderek${}^1$‍. Komórki prokariotyczne, które nie posiadają jąder komórkowych, nie posiadają też jąderek a ich rybosomy tworzone są w cytoplaźmie.

Teraz kiedy już znamy dokładniej strukturę jądra komórkowego, przyjrzymy się przechowywanej w nim informacji genetycznej - DNA. Większość DNA organizmu występuje w postaci jednego chromosomu (lub kilku chromosomów). Chromosomy są zbudowane z bardzo długich nici DNA i posiadają geny kodujące wiele różnych cech.

W komórkach prokariotycznych, Dna występuje w postaci pojedyńczego chromosomu, splątanego w kłębek w obszarze jądrowym - tworząc nukleoid. W komórkach eukariotycznych materiał genetyczny występuje w postaci liniowych chromosomów (nici). Każda komórka eukariotyczna ma określoną liczbę chromosomów. na przykład, typowa komórka ludzka posiada $46$‍ chromosomów, natomiast komórka muszki owocówki posiada $8$‍ chromosomów.

Chromosomy jako odrębne struktury możemy zaobserwować tylko, gdy komórka przygotowuje się do podziału. Kiedy komórka rośnie i podtrzymuje swój cykl życiowy, chromosomy występują w formie skondensowanej, jako zaplątane nici DNA. W tej formie na DNA mogą działać enzymy które przepisują informację genetyczną na RNA, tym samym pozwalając na ekspresję genów.

W obu formach luźnej oraz skondensowanej, nic DNA tworzące chromosom są połączone z białkami, które noszą nazwę histonów (obrazek poniżej). Histony utrzymują strukturę DNA i pomagają upakować cały materiał genetyczny w jądrze, a oprócz tego odgrywają ważną rolę w determinacji aktywności genu. DNA i histony tworzą kompleks zwany chromatyną. Tutaj możesz dowiedzieć się więcej o DNA i chromosomach.

By zobrazować Ci jak ważne jest prawidłowe upakowanie DNA w jądrze, wyobraź sobie, że gdybyśmy rozplątali i wyprostowali pojedyńczą nić ludzkiego DNA otrzymalibyśmy długość około $2$‍ metrów. Całe $2$‍ metry DNA muszą zostać wciśnięte w malutkie jądro wielkości jedynie $0.006$‍ mm. Proporcjonalnym do tego byłoby zapakowanie $40$‍ km ($24$‍ mil) cienkiej nici do piłeczki tenisowej ${}^4$‍!

Tak jak wspomniałam wyżej, rybosomy to organella odpowiedzialne za biosyntezę białek. Rybosomy tworzą białka i kwasy rybonukleinowe, każdy rybosom składa się z dwóch oddzielnych kompleksów białko-RNA, zwanych podjednostkami. Podjednostka większa osiada na szczycie mniejszej podjednostki, kwas rybonukleinowy znajduje się wtedy pomiędzy tymi podjednostkami. (Rybosom przypomina hamburgera z większą, puszystą bułką górze, cienką warstwą RNA przechodzącą pomiędzy i nieco mniejszą bułką pod spodem.)

U eukariotów rybosomy uzyskać ich zleceń do syntezy białek z jądra, gdzie fragmenty DNA (genów) są przepisywane do RNA (mRNAs). MRNA podróżuje do rybosomu, który wykorzystuje informacje, które zawiera budować białka z sekwencji określonych aminokwasów. Ten proces jest nazywany tłumaczenia . Prokariotów brak jądra, dzięki czemu ich mRNAs są przepisywane w cytoplazmie i może być natychmiast przetłumaczone przez rybosomy.

W komórkach eukariotycznych rybosomy występują w postaci wolnej (unoszą się w cytoplaźmie) lub związanej (są zakotwiczone w siateczce śródplazmatycznej lub na zewnątrz otoczki jądrowej). Na pierwszej ilustracji załączonej w tym artykule czerwone kropeczki przedstawiają rybosomy, siateczka śródplazmatyczna wyposażona w rybosomy na swojej powierzchni znana jest pod nazwą siateczki śródplazmatycznej szorstkiej.

Ponieważ biosynteza białek jest bardzo istotną funkcją komórki, rybosomy występują w praktycznie wszystkich komórkach organizmów wielokomórkowych, a także prokariotów (bakterii). Jednakże, komórko eukariotyczne specjalizujące się w biosyntezie białka mają o wiele większą niż przeciętne komórki liczbę rybosomów. Na przykład, trzustka, która jest odpowiedzialna za produkcje i wydzielanie dużych ilości enzymów trawiennych posiada w swoich komórkach wyjątkowo dużo rybosomów.

Ciekawostka: badania na temat istotności rybosomów w komórkach, w 2009 nagroda Nobla w dziedzinie chemii została przyznana trzem badaczom, który opracowali ich strukturę oraz ruchy poszczególnych atomów używając promieniowania rentgenowskiego ${}^5$‍.