Tuumapoorid on üks tähtsamaid rakusiseseid komponente, kuna nad osalevad molekulaarses transpordis. Vaatamata edusammudele bioloogilistes uuringutes ei ole kõiki neid struktuure puudutavaid küsimusi täielikult uuritud. Mõned teadlased usuvad, et tuumapooride kompleksi võib funktsioonide tähtsuse ja struktuurse keerukuse poolest omistada rakuorganellidele.
Tuumakest
Eukarüootsete rakkude iseloomulik tunnus on tuuma olemasolu, mis on ümbritsetud membraaniga, mis eraldab selle tsütoplasmast. Membraan koosneb kahest kihist – sisemisest ja välimisest, mis on omavahel ühendatud suure hulga pooridega.
Tuumaümbrise tähtsus on väga suur – see võimaldab piiritleda geenide funktsionaalse aktiivsuse reguleerimiseks vajalikke valkude sünteesi ja nukleiinhapete protsesse. Membraan juhib ainete transportimise protsessi sissepoole, tsütoplasmasse ja vastupidi. See on ka luustruktuur, mis toetab tuuma kuju.
Välise ja sisemise membraani vahel on perinukleaarne ruum, mille laius on 20-40 nm. Väliselt näeb tuumaümbris välja sellinekahekihiline kott. Pooride olemasolu selle struktuuris on oluline erinevus selle struktuuri ja samalaadsete mitokondrites ja plastiidides leiduvate vahel.
Tuumapooride struktuur
Kanalid on umbes 100 nm läbimõõduga perforatsioonid, mis läbivad kogu tuumaümbrist. Ristlõikes iseloomustab neid kaheksandat järku sümmeetriaga hulknurga kuju. Keskel on ainet läbilaskev kanal. See on täidetud keeruk alt organiseeritud kerakujuliste (pooli kujul) ja fibrillaarsete (keerdkeerme kujul) struktuuridega, mis moodustavad keskse graanuli - “pistiku” (või transportija). Alloleval joonisel saate selgelt uurida, mis on tuumapoor.
Nende struktuuride mikroskoopiline uurimine näitab, et neil on rõngakujuline struktuur. Fibrillaarsed väljakasvud ulatuvad nii väljapoole, tsütoplasmasse, kui ka sissepoole, tuuma (filamentide) suunas. Viimased moodustavad omamoodi korvi (väliskirjanduses nimetatakse seda "korviks"). Passiivses pooris sulgevad korvifibrillid kanali, aktiivses pooris aga moodustavad umbes 50 nm läbimõõduga täiendava moodustise. Tsütoplasma küljel olev rõngas koosneb 8 graanulist, mis on omavahel ühendatud nagu helmed nööril.
Nende perforatsioonide kogumit tuuma kestas nimetatakse tuumapooride kompleksiks. Seega rõhutavad bioloogid üksikute aukude omavahelist seost, töötades ühtse hästi koordineeritud mehhanismina.
Väline rõngas on ühendatud keskkonveieriga. Madalamatel eukarüootidel (samblikud ja teised) ei ole tsütoplasmaatilistja nukleoplasmaatilised rõngad.
Struktuuri funktsioonid
Tuumapooride struktuuril ja funktsioonidel on järgmised omadused:
- Kanalid on umbes 30–50 nukleoporiini (kokku umbes 1000 valgu) arvukad koopiad.
- Komplekside mass ulatub 44 MDa-st madalamatel eukarüootidel kuni 125 MDa-ni selgroogsetel.
- Kõigis organismides (inimesed, linnud, roomajad ja muud loomad), kõikides rakkudes on need struktuurid paigutatud sarnaselt, see tähendab, et pooride kompleksid on rangelt konservatiivne süsteem.
- Tuumakomplekside komponentidel on subühikuline struktuur, tänu millele on neil kõrge plastilisus.
- Keskkanali läbimõõt varieerub vahemikus 10–26 nm ja pooride kompleksi kõrgus on umbes 75 nm.
Tuumapooride keskpunktist kaugel asuvad osad ei ole sümmeetrilised. Teadlased omistavad selle erinevatele transpordifunktsiooni reguleerimise mehhanismidele raku arengu algfaasis. Samuti eeldatakse, et kõik poorid on universaalsed struktuurid ja tagavad molekulide liikumise nii tsütoplasmasse kui ka vastupidises suunas. Tuumapooride kompleksid esinevad ka teistes membraani kandvates rakukomponentides, kuid harvematel juhtudel (võrkkestad, fenestreeritud tsütoplasmaatilised membraanid).
Pooride arv
Peamine tegur, mis määrab tuumapooride arvu, on metaboolne aktiivsus rakus (mida kõrgem see on, seda rohkemtuubulite arv). Nende kontsentratsioon membraani paksuses võib rakkude funktsionaalse seisundi erinevatel perioodidel mitu korda muutuda. Esimene pooride arvu suurenemine toimub pärast jagunemist - mitoosi (tuumade rekonstrueerimise ajal) ja seejärel DNA kasvu perioodil.
Erinevatel loomaliikidel on erinev arv. Oleneb ka sellest, kus proov võeti. Seega on inimese koekultuuris ligikaudu 11 tk/µm2 ja ebaküpses ksenoopse konnamunarakus - 51 tk/µm2. Nende tihedus varieerub keskmiselt 13-30 tükki/µm2.
Tuumapooride jaotus üle kesta pinna on peaaegu ühtlane, kuid kohtades, kus kromosoomide aine läheneb membraanile, väheneb nende kontsentratsioon järsult. Madalamatel eukarüootidel puudub tuumamembraani all jäik fibrillaarne võrgustik, mistõttu võivad poorid liikuda mööda tuumamembraani ja nende tihedus eri piirkondades on märkimisväärselt erinev.
Funktsioonid
Tuumapooride kompleksi põhiülesanne on passiivne (difusioon) ja aktiivne (energiakulu nõudev) molekulide ülekandmine läbi membraani ehk ainete vahetus raku tuuma ja tsütoplasma vahel. See protsess on ülioluline ja seda juhivad kolm süsteemi, mis on üksteisega pidevas suhtluses:
- tuuma ja tsütoplasma bioloogiliselt aktiivsete ainete-regulaatorite kompleks - α ja β importiin, Ran-valk, guanosiintrifosfaat (puriini nukleotiid) ja muud inhibiitorid ja aktivaatorid;
- nukleoporiinid;
- poorse tuumakompleksi struktuurikomponendid, mis on võimelised muutma oma kuju ja tagama ainete liikumise õiges suunas.
Tuuma funktsioneerimiseks vajalikud valgud tulevad tsütoplasmast läbi tuumapooride ning erinevad RNA vormid väljutatakse vastupidises suunas. Poorikompleks ei teosta mitte ainult puht alt mehaanilist transporti, vaid toimib ka sorteerijana, mis "tunneb ära" teatud molekulid.
Passiivne ülekanne toimub nende ainete puhul, mille molekulmass on madal (mitte rohkem kui 5∙103 Jah). Ained nagu ioonid, suhkrud, hormoonid, nukleotiidid, adenosiintrifosforhape, mis osalevad energiavahetuses, sisenevad vab alt tuuma. Valkude maksimaalne suurus, mis võib läbi pooride tuuma tungida, on 3,5 nm.
Tütar-DNA molekuli sünteesi käigus saavutab ainete transport aktiivsuse tipu – 100-500 molekuli läbi 1 tuumapoori 1 minutiga.
Poorvalgud
Kanali elemendid on valgulised. Selle kompleksi valke nimetatakse nukleoporiinideks. Need on kogutud ligikaudu 12 alamkompleksiks. Tavaliselt jagatakse need kolme rühma:
- ühendid spetsiifiliste kordusjärjestustega, mis on biokeemiliste tegurite abil äratuntavad;
- pole jadasid;
- integraalsed valgud, mis asuvad poori moodustava membraani piirkonnas või pooris endas tuumaümbrise kihtidevahelises ruumis.
Uuringud on näidanud, et nukleoporiinid on võimelised moodustumaüsna keerukad kompleksid, sealhulgas kuni 7 valku, ja on samuti otseselt seotud ainete transpordiga. Mõned neist võivad seostuda otse läbi tuumapoori liikuvate molekulidega.
Ainete eksport tsütoplasmasse
Sama poor võib osaleda nii ainete kõrvaldamisel kui ka impordil. RNA pöördtranslatsioon tsütoplasmast tuuma ei toimu. Tuumakompleksid tunnevad ära ribonukleoproteiinide poolt kantavad ekspordisignaalid (NES).
Signaalainete järjestus NES on kompleksne aminohapete ja valkude kompleks, mis pärast tuumast tsütoplasmasse eemaldamist dissotsieeruvad (lagunevad eraldi komponentideks). Seetõttu ei tungi sarnased osakesed kunstlikult tsütoplasmasse tagasi tuuma.
Mitoosi protsess
Rakkude jagunemise (mitoosi) käigus tuumapooride kompleks "demonteeritakse". Seega lagunevad kompleksid molekulmassiga 120 mDa alamkompleksideks, millest igaüks on 1 mDa. Pärast jagamise lõppu kogunevad nad uuesti. Sel juhul ei liigu tuumapoorid eraldi, vaid massiivides. See on üks tõendeid selle kohta, et tuumapooride kompleks on hästi koordineeritud süsteem.
Rebenenud membraan muutub faasidevahelisel perioodil südamikupiirkonda ümbritsevaks mulliklastriks. Metafaasis, kui kromosoome hoitakse ekvatoria altasandil, lükatakse need elemendid raku perifeersetesse tsoonidesse. Anafaasi lõpus hakkab see klaster kromosoomidega kokku puutuma ja algab kasv.tuumamembraani alged.
Mullid muutuvad vakuoolideks, mis järk-järgult ümbritsevad kromosoome. Seejärel nad ühinevad ja eraldavad tsütoplasmast uue faasidevahelise tuuma. Poorid tekivad juba väga varajases staadiumis, kui kestad pole veel sulgunud.
