נקבוביות גרעיניות הן אחד המרכיבים התוך-תאיים החשובים ביותר שכן הם מעורבים בהובלה מולקולרית. למרות ההתקדמות במחקר הביולוגי, לא כל השאלות הנוגעות למבנים אלה נחקרו במלואן. כמה מדענים מאמינים שניתן לייחס את קומפלקס הנקבוביות הגרעיניות לאברוני התא במונחים של משמעות הפונקציות והמורכבות המבנית.
פגז גרעיני
תכונה אופיינית של תאים אוקריוטיים היא נוכחות של גרעין, המוקף בקרום המפריד בינו לבין הציטופלזמה. הממברנה מורכבת משתי שכבות - פנימית וחיצונית, המחוברות ביניהן על ידי מספר רב של נקבוביות.
המשמעות של המעטפת הגרעינית גבוהה מאוד - היא מאפשרת לתחום את תהליכי סינתזת החלבון וחומצות הגרעין הנחוצות לוויסות הפעילות התפקודית של גנים. הממברנה שולטת בתהליך הובלת חומרים פנימה, לתוך הציטופלזמה, ולהיפך. זהו גם מבנה השלד שתומך בצורת הגרעין.
בין הממברנה החיצונית והפנימית נמצא החלל הפרי-גרעיני, שרוחבו 20-40 ננומטר. חיצונית, המעטפת הגרעינית נראית כמושקית שכבה כפולה. נוכחות של נקבוביות במבנה שלו מהווה הבדל משמעותי בין מבנה זה לבין אלה דומים המצויים במיטוכונדריה ובפלסטידים.
מבנה של נקבוביות גרעיניות
ערוצים הם נקבים בקוטר של כ-100 ננומטר, העוברים דרך כל המעטפת הגרעינית. בחתך, הם מאופיינים בצורת מצולע עם סימטריה מהסדר השמיני. הערוץ החדיר לחומר נמצא במרכז. הוא מלא במבנים כדוריים מאורגנים בצורה מורכבת (בצורת סליל) ופיברילר (בצורת חוט מעוות) היוצרים גרגיר מרכזי - "תקע" (או טרנספורטר). באיור למטה, אתה יכול ללמוד בבירור מהי נקבובית גרעינית.
בדיקה מיקרוסקופית של מבנים אלו מראה שיש להם מבנה טבעתי. יציאות פיברילריות משתרעות הן כלפי חוץ, לתוך הציטופלזמה והן פנימה, לכיוון הגרעין (פילאמנטים). האחרונים יוצרים מעין סל (המכונה "סל" בספרות הלועזית). בנקבובית הפסיבית, סיבים של הסל סוגרים את התעלה, בעוד שבנקבובית האקטיבית הם יוצרים תצורה נוספת בקוטר של כ-50 ננומטר. הטבעת בצד הציטופלזמה מורכבת מ-8 גרגירים המחוברים ביניהם כמו חרוזים על חוט.
מכלול הנקבים הללו במעטפת הגרעין נקרא מכלול הנקבוביות הגרעיניות. לפיכך, ביולוגים מדגישים את החיבור בין חורים בודדים, הפועלים כמנגנון אחד מתואם היטב.
הטבעת החיצונית מחוברת למסוע המרכזי. לאאוקריוטים תחתונים (חזזיות ואחרות) אין ציטופלזמהוטבעות נוקלאופלזמיות.
תכונות המבנה
למבנה והתפקודים של נקבוביות גרעיניות יש את התכונות הבאות:
- ערוצים הם עותקים רבים של כ-30-50 נוקלאופורינים (בסך הכל כ-1000 חלבונים).
- מסת הקומפלקסים נעה בין 44 MDa באוקריוטים תחתונים ל-125 MDa בבעלי חוליות.
- בכל האורגניזמים (בני אדם, ציפורים, זוחלים ובעלי חיים אחרים), בכל התאים, מבנים אלה מסודרים בצורה דומה, כלומר, מתחמי נקבוביות הם מערכת שמרנית לחלוטין.
- למרכיבים של מתחמים גרעיניים יש מבנה תת-יחידה, שבגללו יש להם פלסטיות גבוהה.
- קוטר הערוץ המרכזי משתנה בין 10-26 ננומטר, וגובה קומפלקס הנקבוביות הוא כ-75 ננומטר.
חלקי הנקבוביות הגרעיניות הרחוקות מהמרכז אינם סימטריים. מדענים מייחסים זאת למנגנונים שונים של ויסות תפקוד התחבורה בשלבים הראשונים של התפתחות התא. ההנחה היא גם שכל הנקבוביות הן מבנים אוניברסליים ומבטיחות תנועה של מולקולות הן לתוך הציטופלזמה והן בכיוון ההפוך. קומפלקסים של נקבוביות גרעיניות קיימים גם ברכיבים אחרים של תאים נושאי ממברנה, אך במקרים נדירים יותר (רשתית, ממברנות ציטופלזמיות מחוצות).
מספר הנקבוביות
הגורם העיקרי שקובע את מספר הנקבוביות הגרעיניות הוא הפעילות המטבולית בתא (ככל שהיא גבוהה יותר, כך יותרמספר צינורות). הריכוז שלהם בעובי הממברנה יכול להשתנות מספר פעמים במהלך תקופות שונות של מצב התפקוד של התאים. העלייה הראשונה במספר הנקבוביות מתרחשת לאחר החלוקה - מיטוזה (במהלך שחזור הגרעינים), ולאחר מכן במהלך תקופת צמיחת ה-DNA.
למיני בעלי חיים שונים יש מספרים שונים. זה תלוי גם איפה הדגימה נלקחה. אז, בתרבית רקמה אנושית, יש בערך 11 יח'/µm2, ובתא ביצת צפרדע קסנופוס לא בוגרת - 51 יח'/µm2. בממוצע, הצפיפות שלהם משתנה בין 13-30 חתיכות/µm2.
התפלגות הנקבוביות הגרעיניות על פני המעטפת היא כמעט אחידה, אך במקומות שבהם חומר הכרומוזומים מתקרב אל הממברנה, ריכוזם יורד בחדות. לאאוקריוטים התחתונים אין רשת פיברילרית קשיחה מתחת לממברנה הגרעינית, ולכן הנקבוביות יכולות לנוע לאורך הממברנה הגרעינית, וצפיפותן באזורים שונים משתנה באופן משמעותי.
פונקציות
תפקידו העיקרי של קומפלקס הנקבוביות הגרעיניות הוא העברה פסיבית (דיפוזיה) ואקטיבית (הדורשת עלויות אנרגיה) של מולקולות דרך הממברנה, כלומר חילופי חומרים בין גרעין התא לציטופלזמה. תהליך זה חיוני והוא מנוהל על ידי שלוש מערכות הנמצאות באינטראקציה מתמדת זו עם זו:
- קומפלקס של חומרים פעילים ביולוגית-מווסתים בגרעין ובציטופלזמה - ייבוא α ו-β, Ran-protein, guanosine triphosphate (נוקלאוטיד פורין) ומעכבים ומפעילים אחרים;
- נוקלאופורינים;
- מרכיבים מבניים של המכלול הגרעיני הנקבובי, המסוגלים לשנות את צורתם ולהבטיח העברת חומרים בכיוון הנכון.
חלבונים הנחוצים לתפקוד הגרעין מגיעים מהציטופלזמה דרך הנקבוביות הגרעיניות, וצורות שונות של RNA מופרשות בכיוון ההפוך. מתחם הנקבוביות לא רק מבצע הובלה מכנית גרידא, אלא גם משמש כסדרן ש"מזהה" מולקולות מסוימות.
העברה פסיבית מתרחשת עבור אותם חומרים שהמשקל המולקולרי שלהם נמוך (לא יותר מ-5∙103 כן). חומרים כמו יונים, סוכרים, הורמונים, נוקלאוטידים, חומצה אדנוזין טריפוספורית, המעורבים בחילופי אנרגיה, נכנסים בחופשיות לגרעין. הגודל המרבי של חלבונים שיכול לחדור דרך הנקבוביות לתוך הגרעין הוא 3.5 ננומטר.
במהלך סינתזה של מולקולת DNA בת, הובלת חומרים מגיעה לשיא פעילות - 100-500 מולקולות דרך נקבובית גרעינית אחת בדקה.
חלבונים נקבוביים
רכיבי התעלה הם בעלי אופי חלבוני. החלבונים של קומפלקס זה נקראים נוקלאופורינים. הם נאספים בכ-12 מתחמי משנה. באופן קונבנציונלי, הם מחולקים לשלוש קבוצות:
- תרכובות עם רצפים חוזרים ספציפיים הניתנים לזיהוי על ידי גורמים ביוכימיים;
- אין רצפים;
- חלבונים אינטגרליים הממוקמים באזור הממברנה היוצרת את הנקבובית, או בנקבוביה עצמה במרווח שבין שכבות המעטפת הגרעינית.
מחקרים הראו שנוקלאופורינים מסוגלים להיווצרקומפלקסים מורכבים למדי, הכוללים עד 7 חלבונים, והם גם מעורבים ישירות בהובלת חומרים. חלקם יכולים להיקשר ישירות למולקולות הנעות דרך הנקבוביות הגרעיניות.
יצוא חומרים לציטופלזמה
אותה נקבובית יכולה לקחת חלק הן במשיכה והן ביבוא של חומרים. התרגום ההפוך של RNA מהציטופלזמה לגרעין אינו מתרחש. קומפלקסים גרעיניים מזהים אותות ייצוא (NES) הנישאים על ידי ריבונוקלאופרוטאין.
NES-רצף של חומרי איתות הוא קומפלקס מורכב של חומצות אמינו וחלבונים, אשר לאחר הסרתם מהגרעין לתוך הציטופלזמה, מתפרקים (מתפרקים למרכיבים נפרדים). לכן, חלקיקים דומים המוכנסים באופן מלאכותי לציטופלזמה אינם חודרים חזרה לגרעין.
תהליך המיטוזה
במהלך חלוקת התא (מיטוזה), מתחם הנקבוביות הגרעיני "מפורק". לפיכך, קומפלקסים בעלי משקל מולקולרי של 120 mDa מתפרקים לתת-קומפלקסים של 1 mDa כל אחד. לאחר סיום החלוקה הם מרכיבים מחדש. במקרה זה, הנקבוביות הגרעיניות אינן זזות בנפרד, אלא במערכים. זוהי אחת ההוכחות לכך שמתחם הנקבוביות הגרעיניות הוא מערכת מתואמת היטב.
הממברנה הנקרעת הופכת לצביר בועות המקיף את אזור הליבה בתקופת הבין-פאזית. במטאפאזה, כאשר הכרומוזומים מוחזקים במישור המשווני, אלמנטים אלה נדחפים לאזורים ההיקפיים של התא. בסוף האנפאזה, אשכול זה מתחיל ליצור קשר עם כרומוזומים והצמיחה מתחילה.יסודות של הממברנה הגרעינית.
בועות הופכות ל-vacuoles, שעוטפות את הכרומוזומים בהדרגה. ואז הם מתמזגים ומגדרים את הגרעין הבין-פאזי החדש מהציטופלזמה. הנקבוביות מופיעות כבר בשלב מוקדם מאוד, כאשר עדיין לא התרחשה סגירת הקליפות.
