Ядерні пори є одним з найбільш важливих внутрішньоклітинних компонентів, так як вони беруть участь в молекулярному транспорті. Незважаючи на досягнення в біологічних дослідженнях, не всі питання, що стосуються цих структур, вивчені повністю. Деякі вчені вважають, що по значущості функцій та складності будови комплекс ядерних пір можна віднести до органел клітин.
Ядерна оболонка
Характерною особливістю эукариотических кліток є наявність ядра, яке оточене оболонкою, яка відділяє його від цитоплазми. Мембрана складається з двох шарів – внутрішнього і зовнішнього, з’єднаних між собою за допомогою великої кількості часу.
Значення ядерної оболонки дуже велика – вона дозволяє відмежувати процеси синтезу білка і нуклеїнових кислот, необхідних для регулювання функціональної активності генів. Мембрана управляє процесом транспортування речовин всередину, в цитоплазму, і в зворотному напрямку. Також вона є скелетної структурою, що підтримує форму ядра.
Між зовнішньою і внутрішньою мембраною знаходиться перинуклеарное простір, ширина якого становить 20-40 нм. Зовні ядерна оболонка виглядає як двошаровий мішок. Наявність пір в її будові є істотною відмінністю цієї структури від аналогічних, наявних у мітохондрій і пластид.
Будова ядерних пір
Канали являють собою перфорації, діаметром близько 100 нм, що проходять через всю ядерну оболонку. В поперечному перерізі вони характеризуються формою багатокутника, що володіє симетрією восьмого порядку. Проникний для речовин канал знаходиться в центрі. Він заповнений складно організованими глобулярными (у вигляді клубка) і фибриллярными (у формі закрученої нитки) структурами, що утворюють центральну гранулу-«пробку» (або транспортер). На малюнку нижче можна наочно вивчити, що являє собою ядерна пора.
Мікроскопічне дослідження даних структур показує, що вони мають кольчатое будова. Фібрилярні вирости простягаються як назовні, в цитоплазму, так і всередину, у бік ядра (филаменты). Останні утворюють своєрідну кошик (в зарубіжній літературі звану «баскет»). У пасивної порі фібрили кошика закривають канал, а в активній – формують додаткову освіту діаметром близько 50 нм. Кільце з боку цитоплазми складається з 8 гранул, сполучених між собою, як намисто на нитці.
Сукупність цих перфорацій в оболонці ядра носить назву комплексу ядерних пор. Тим самим біологи підкреслюють взаємозв’язок між собою окремих отворів, що працюють як єдиний злагоджений механізм.
Зовнішнє кільце пов’язане з центральним транспортером. У нижчих еукаріотів (лишайники та інші) немає цитоплазматичного і нуклеоплазматического кілець.
Особливості структури
Будова і функції ядерних пір мають наступні особливості:
- Канали являють собою численні копії близько 30-50 нуклеопоринов (а всього – близько 1000 білків).
- Маса комплексів знаходиться в межах від 44 МДа у нижчих еукаріотів до 125 МДа у хребетних тварин.
- У всіх організмів (людини, птахів, рептилій та інших тварин) у всіх клітинах ці структури влаштовані аналогічним чином, тобто порові комплекси є строго консервативною системою.
- Компоненти ядерних комплексів мають субъединичное будову, завдяки яким вони володіють високою пластичністю.
- Діаметр центрального каналу варіюється в межах 10-26 нм, а висота порового комплексу – близько 75 нм.
Віддалені від центру ділянки ядерних пір несиметричні. Вчені пов’язують це з різними механізмами регулювання транспортної функції на початкових етапах розвитку клітини. Передбачається також, що всі пори є універсальними структурами і забезпечують переміщення молекул як в цитоплазму, так і в зворотному напрямку. Ядерні порові комплекси присутні і в інших компонентах клітини, що володіють мембранами, але у більш рідкісних випадках (ретикулум, окончатые мембрани цитоплазми).
Кількість пор
Основним чинником того, від чого залежить кількість ядерних пор, є активність обміну речовин в клітині (чим вона вище, тим більше число канальців). Їх концентрація в товщі мембрани може змінюватися кілька разів у різні періоди функціонального стану клітин. Перше збільшення числа пір відбувається після поділу – мітозу (під час реконструкції ядер), а потім, у період зростання ДНК.
У різних видів тварин їх кількість відрізняється. Воно залежить також від місця узяття зразка. Так, у культурі тканин людини їх налічується близько 11 шт./мкм2, а в несозревшей яйцеклітини жаби ксенопус – 51 шт./мкм2. В середньому їх щільність коливається в межах 13-30 шт./мкм2.
Розподіл ядерних пір по поверхні оболонки є практично рівномірним, але в місцях зближення речовини хромосом з мембраною їх концентрація різко зменшується. У нижчих еукаріотів під ядерною мембраною немає фибриллярной мережі жорсткої структури, тому пори можуть переміщатися вздовж ядерної оболонки, і їх щільність на різних ділянках значно варіює.
Функції
Головною функцією ядерного порового комплексу є пасивна (дифузійна) і активна (що вимагає енергетичних витрат) передача молекул через мембрану, тобто обмін речовин між ядром клітини і цитоплазмою. Цей процес життєво важливий і регулюється трьома системами, які знаходяться в постійній взаємодії один з одним:
- комплекс біологічно активних речовин-регуляторів в ядрі і цитоплазмі – импортин α і β, Ran-білок, гуанозинтрифосфат (пуриновий нуклеотид) і інші інгібітори і активатори;
- нуклеопорины;
- структурні компоненти порового ядерного комплексу, які здатні змінювати свою форму і забезпечувати перенесення речовин в потрібному напрямку.
З цитоплазми через ядерні пори надходять білки, необхідні для функціонування ядра, а в зворотному напрямку виводяться різні форми РНК. Поровый комплекс не тільки здійснює чисто механічну транспортування, але і служить сортувальником, «який дізнається» певні молекули.
Пасивна передача відбувається для тих речовин, молекулярна маса яких невисока (не більше 5∙103). В ядро вільно надходять такі речовини, як іони, цукру, гормони, нуклеотиди, аденозинтрифосфорная кислота, бере участь в обміні енергії. Максимальний розмір білків, які можуть проникнути через пори в ядро – 3,5 нм.
Під час синтезу дочірньої молекули ДНК транспортування речовин досягає піку активності – по 100-500 молекул через 1 ядерну пору за 1 хв.
Білки пір
Елементи каналів мають білкову природу. Білки цього комплексу носять назву нуклеопоринов. Вони зібрані приблизно в 12 субкомплексах. Умовно їх поділяють на три групи:
- з’єднання зі специфічними повторюваними послідовностями, впізнавані біохімічними факторами;
- не володіють послідовностями;
- інтегральні білки, які знаходяться в ділянці мембрани, формує пору, або в самій порі в просторі між шарами ядерної оболонки.
Дослідженнями встановлено, що нуклеопорины здатні утворювати досить складні комплекси, що включають до 7 білків, а також приймають безпосередню участь у транспорті речовин. Деякі з них можуть безпосередньо зв’язуватися з переміщуються через ядерну пору молекулами.
Експорт речовин в цитоплазму
Одна і та ж пора може брати участь як у створенні, так і в імпорті речовин. Зворотного перекладу РНК з цитоплазми в ядро не відбувається. Ядерні комплекси дізнаються сигнали для експорту (NES), які несуть в собі рибонуклеопротеины.
NES-послідовність сигнальних речовин являє собою складний комплекс амінокислот і білків, які після виведення з ядра в цитоплазму дисоціюють (розпадаються на окремі складові). Тому аналогічні частинки, введені в цитоплазму штучним шляхом, назад в ядро не проникають.
Процес мітозу
При поділі (митозе) клітини відбувається «розбирання» ядерного порового комплексу. Так, комплекси з молекулярною масою 120 мДа розпадаються на субкомплексы по 1 мДа. Після закінчення поділу вони знову збираються. При цьому ядерні пори переміщуються не окремо, а масивами. Це є одним з доказів того, що ядерний поровый комплекс – злагоджена система.
Зруйнована мембрана перетворюється бульбашкове скупчення, яке оточує область ядра в період інтерфази. У метафазі, коли хромосоми утримуються в екваторіальній площині, ці елементи відтісняються до периферійним зонам клітини. Наприкінці анафази дане скупчення починає контактувати з хромосомами і запускається ріст зачатків ядерної мембрани.
Бульбашки перетворюються у вакуолі, які поступово обволікають хромосоми. Потім вони зливаються і відгороджують нове интерфазное ядро від цитоплазми. Пори з’являються вже на самій ранній стадії, коли ще не сталося замикання оболонок.
