Ядерные поры являются одним из наиболее важных внутриклеточных компонентов, так как они участвуют в молекулярном транспорте. Несмотря на достижения в биологических исследованиях, не все вопросы, касающиеся этих структур, изучены полностью. Некоторые ученые считают, что по значимости функций и сложности строения комплекс ядерных пор можно отнести к органеллам клеток.
Ядерная оболочка
Характерной особенностью эукариотических клеток является наличие ядра, которое окружено оболочкой, отделяющей его от цитоплазмы. Мембрана состоит из двух слоев – внутреннего и наружного, соединенных между собой с помощью большого количества пор.
Значение ядерной оболочки очень велико – она позволяет отграничить процессы синтеза белка и нуклеиновых кислот, необходимых для регулирования функциональной активности генов. Мембрана управляет процессом транспортировки веществ внутрь, в цитоплазму, и в обратном направлении. Также она является скелетной структурой, поддерживающей форму ядра.
Между наружной и внутренней мембраной находится перинуклеарное пространство, ширина которого составляет 20-40 нм. Внешне ядерная оболочка выглядит как двухслойный мешок. Наличие пор в ее строении является существенным отличием данной структуры от аналогичных, имеющихся у митохондрий и пластид.
Строение ядерных пор
Каналы представляют собой перфорации диаметром около 100 нм, проходящие через всю ядерную оболочку. В поперечном сечении они характеризуются формой многоугольника, обладающего симметрией восьмого порядка. Проницаемый для веществ канал находится в центре. Он заполнен сложно организованными глобулярными (в виде клубка) и фибриллярными (в форме закрученной нити) структурами, образующими центральную гранулу-«пробку» (или транспортер). На рисунке ниже можно наглядно изучить, что представляет собой ядерная пора.
Микроскопическое исследование данных структур показывает, что они имеют кольчатое строение. Фибриллярные выросты простираются как наружу, в цитоплазму, так и внутрь, в сторону ядра (филаменты). Последние образуют своеобразную корзинку (в зарубежной литературе называемую «баскет»). В пассивной поре фибриллы корзины закрывают канал, а в активной – формируют дополнительное образование диаметром порядка 50 нм. Кольцо со стороны цитоплазмы состоит из 8 гранул, соединенных между собой, как бусы на нитке.
Совокупность этих перфораций в оболочке ядра носит название комплекса ядерных пор. Тем самым биологи подчеркивают взаимосвязь между собой отдельных отверстий, работающих как единый слаженный механизм.
Внешнее кольцо связано с центральным транспортером. У низших эукариотов (лишайники и другие) нет цитоплазматического и нуклеоплазматического колец.
Особенности структуры
Строение и функции ядерных пор имеют следующие особенности:
- Каналы представляют собой многочисленные копии порядка 30-50 нуклеопоринов (а всего – около 1000 белков).
- Масса комплексов находится в пределах от 44 МДа у низших эукариотов до 125 МДа у позвоночных животных.
- У всех организмов (человека, птиц, рептилий и других животных) во всех клетках эти структуры устроены аналогичным образом, то есть поровые комплексы являются строго консервативной системой.
- Компоненты ядерных комплексов имеют субъединичное строение, благодаря которому они обладают высокой пластичностью.
- Диаметр центрального канала варьируется в пределах 10-26 нм, а высота порового комплекса – порядка 75 нм.
Удаленные от центра участки ядерных пор несимметричны. Ученые связывают это с различными механизмами регулирования транспортной функции на начальных этапах развития клетки. Предполагается также, что все поры являются универсальными структурами и обеспечивают перемещение молекул как в цитоплазму, так и в обратном направлении. Ядерные поровые комплексы присутствуют и в других компонентах клетки, обладающих мембранами, но в более редких случаях (ретикулум, окончатые мембраны цитоплазмы).
Количество пор
Основным фактором того, от чего зависит количество ядерных пор, является активность обмена веществ в клетке (чем она выше, тем больше число канальцев). Их концентрация в толще мембраны может изменяться в несколько раз в различные периоды функционального состояния клеток. Первое увеличение числа пор происходит после деления – митоза (во время реконструкции ядер), а затем в период роста ДНК.
У разных видов животных их количество отличается. Оно зависит также от места взятия образца. Так, в культуре тканей человека их насчитывается порядка 11 шт./мкм2, а в несозревшей яйцеклетке лягушки ксенопус – 51 шт./мкм2. В среднем их плотность варьирует в пределах 13-30 шт./мкм2.
Распределение ядерных пор по поверхности оболочки является практически равномерным, но в местах сближения вещества хромосом с мембраной их концентрация резко уменьшается. У низших эукариотов под ядерной мембраной нет фибриллярной сети жесткой структуры, поэтому поры могут перемещаться вдоль ядерной оболочки, и их плотность на различных участках значительно варьирует.
Функции
Главной функцией ядерного порового комплекса является пассивная (диффузионная) и активная (требующая энергетических затрат) передача молекул через мембрану, то есть обмен веществ между ядром клетки и цитоплазмой. Этот процесс жизненно важен и регулируется тремя системами, которые находятся в постоянном взаимодействии друг с другом:
- комплекс биологически активных веществ-регуляторов в ядре и цитоплазме – импортин α и β, Ran-белок, гуанозинтрифосфат (пуриновый нуклеотид) и другие ингибиторы и активаторы;
- нуклеопорины;
- структурные компоненты порового ядерного комплекса, которые способны изменять свою форму и обеспечивать перенос веществ в нужном направлении.
Из цитоплазмы через ядерные поры поступают белки, необходимые для функционирования ядра, а в обратном направлении выводятся различные формы РНК. Поровый комплекс не только осуществляет чисто механическую транспортировку, но и служит сортировщиком, «узнающим» определенные молекулы.
Пассивная передача происходит для тех веществ, молекулярная масса которых невысока (не больше 5∙103 Да). В ядро свободно поступают такие вещества, как ионы, сахара, гормоны, нуклеотиды, аденозинтрифосфорная кислота, участвующая в обмене энергии. Максимальный размер белков, которые могут проникнуть через поры в ядро, – 3,5 нм.
Во время синтеза дочерней молекулы ДНК транспортировка веществ достигает пика активности – по 100-500 молекул через 1 ядерную пору за 1 мин.
Белки пор
Элементы каналов имеют белковую природу. Белки этого комплекса носят название нуклеопоринов. Они собраны примерно в 12 субкомплексах. Условно их делят на три группы:
- соединения со специфическими повторяющимися последовательностями, узнаваемые биохимическими факторами;
- не обладающие последовательностями;
- интегральные белки, которые находятся в участке мембраны, формирующей пору, или в самой поре в пространстве между слоями ядерной оболочки.
Исследованиями установлено, что нуклеопорины способны образовывать довольно сложные комплексы, включающие до 7 белков, а также принимают непосредственное участие в транспорте веществ. Некоторые из них могут непосредственно связываться с перемещаемыми через ядерную пору молекулами.
Экспорт веществ в цитоплазму
Одна и та же пора может принимать участие как в выводе, так и в импорте веществ. Обратного перевода РНК из цитоплазмы в ядро не происходит. Ядерные комплексы узнают сигналы для экспорта (NES), которые несут в себе рибонуклеопротеины.
NES-последовательность сигнальных веществ представляет собой сложный комплекс из аминокислот и белков, которые после выведения из ядра в цитоплазму диссоциируют (распадаются на отдельные составляющие). Поэтому аналогичные частички, введенные в цитоплазму искусственным путем, обратно в ядро не проникают.
Процесс митоза
При делении (митозе) клетки происходит «разборка» ядерного порового комплекса. Так, комплексы с молекулярной массой 120 мДа распадаются на субкомплексы по 1 мДа. После окончания деления они снова собираются. При этом ядерные поры перемещаются не отдельно, а массивами. Это является одним из доказательств того, что ядерный поровый комплекс – слаженная система.
Разрушенная мембрана превращается пузырьковое скопление, которое окружает область ядра в периоде интерфазы. В метафазе, когда хромосомы удерживаются в экваториальной плоскости, эти элементы оттесняются к периферийным зонам клетки. В конце анафазы данное скопление начинает контактировать с хромосомами и запускается рост зачатков ядерной мембраны.
Пузырьки превращаются в вакуоли, которые постепенно обволакивают хромосомы. Затем они сливаются и отгораживают новое интерфазное ядро от цитоплазмы. Поры появляются уже на самой ранней стадии, когда еще не произошло замыкание оболочек.
