Ядро и рибозоми.

Представи си, че имаш много ценна информация. Да приемем, че тази информация е план. Но не е просто план на къща или кола, не е и план на свръхсекретен самолет. Това е план на цял организъм – твоят, и в него не просто се обяснява как трябва да бъдеш сглобен/а, а има информация, която дава възможност на всяка една клетка в тялото ти да функционира във всеки един момент.

Звучи важно нали? Вероятно ще е добре да държиш тази информация на сигурно място, може би в сейф, където да можеш да я наглеждаш. Точно това правят еукариотните клетки с генетичния си материал – поставят го в хранилище, оградено с мембрана.

ДНК на еукариотите никога не напуска ядрото, вместо това тя се транскрибира до РНК молекули, които могат да излязат извън ядрото. В цитозола някои РНК молекули се свързват със структури, наречени рибозоми, където ръководят синтеза на белтъци. (Други РНК молекули имат функционални роли в клетката и служат за структурни компоненти на рибозомите или регулират дейността на гени.) В тази статия ще разгледаме в малко повече подробности структурата на ядрото и на рибозомите.

Ядрото (множествено число, ядра) е домът на генетичния материал на клетката или на нейната ДНК. Също така е и мястото за синтез на рибозоми, това са клетъчните машини, които произвеждат белтъци. Вътре в ядрото хроматинът (ДНК, увита около белтъци, описани по-долу) се съхранява във вещество, подобно на гел, наречено кариоплазма.

Кариоплазмата е оградена от ядрена обвивка, която се състои от два слоя мембрана: външна мембрана и вътрешна мембрана. Всяка от тези мембрани е изградена от два слоя фосфолипиди, наредени така, че опашките им да сочат навътре (образувайки двоен фосфолипиден слой). Между двата слоя на ядрената обвивка има малко пространство, което е директно свързано с вътрешността на друг мембранен органел - ендоплазмената мрежа.

Ядрените пори са малки канали, които минават през ядрената обвивка и позволяват на вещества да влизат и излизат от ядрото. Всяка пора е покрита с белтъци, наречени ядренопорен комплекс, който контролира кои молекули могат и кои не могат да преминат през пората.

Ако погледнеш микроскопска снимка на ядрото, може да забележиш, в зависимост от препарата, че в него има тъмно петно. Този по-тъмно оцветен регион се нарича ядърце и е мястото, където се сглобяват рибозомите.

Как се правят рибозомите? Някои хромозоми имат участъци от ДНК, които кодират рибозомна РНК, вид структурна РНК, която се комбинира с белтъци, за да изгради рибозома. В ядърцето нова рибозомна РНК се комбинира с белтъци, за да формира субединиците на рибозомата. Новите рибозоми се изнасят през ядрените пори до цитоплазмата, където изпълняват функциите си.

В ядрото си някои клетки имат повече от едно ядърце. Например някои клетки на мишките имат до $6$‍ ядърца${}^1$‍. Прокариотите, които нямат ядро, нямат ядърца и изграждат рибозомите си в цитозола.

След като вече имаме представа за структурата на ядрото, да разгледаме генетичната информация, която се съхранява в него - ДНК. По-голямата част от ДНК на организма е организирана в една или повече хромозоми, всяка от които е много дълга нишка или затворена верига ДНК. Една хромозома може да носи много различни гени.

Най-често ДНК на прокариотите е организирана в една кръгова хромозома. От друга страна при еукариотите хромозомите са линейни структури (нишки). В ядрото на телесните клетки на всеки еукариотен вид има определен брой хромозоми. Например типичната клетка от тялото на човек има $46$‍ хромозоми, докато клетка на плодовата мушица има $8$‍.

Хромозомите са видими като отделни структури само когато клетката се готви да се раздели. Когато клетката е във фаза на растеж и развитие, хромозомите приличат на развити и оплетени нишки. В тази форма ДНК е достъпна за ензимите, които я транскрибират до РНК и позволяват на генетичната информация да бъде използвана, да се експресира.

И в развитата, и в компактната си форма ДНК нишките на хромозомите са свързани със структурни белтъци, включително и семейство от протеини, наречени хистонови белтъци (виж схемата по-долу). Тези белтъци организират ДНК и ѝ помагат да се побере в ядрото, те имат важна роля и в определянето на това кои гени са активни и кои не са. Комплексът, който се образува от ДНК и структурните белтъци, които я поддържат, се нарича хроматин. Можеш да научиш повече за ДНК, хроматина и хромозомите в статията за ДНК и хромозми.

За да разбереш колко важно е опаковането на ДНК, помисли за това, че ДНК от типична човешка клетка би била $2$‍ метра дълга, ако се разпъне по права линия. Всички тези $2$‍ метра ДНК се побират в малкото клетъчно ядро с диаметър от само $\mathrm{0,006}$‍ mm. Този подвиг е еквивалентен на това да побереш $40$‍ km ($24$‍ мили) много тънка нишка в тенис топка ${}^4$‍!

Както споменахме, рибозомите са молекулярните машини, отговорни за синтеза на белтъци. Всяка рибозома е изградена от РНК и белтъци и се състои от два отделни комплекса от РНК и белтъци, наречени голяма и малка субединица. Голямата субединица седи върху малката субединица, а РНК матрицата се разполага между двете. (Рибозомата прилича на хамбургер с пухкави хлебчета, между които има РНК кюфте.)

При еукариотните организми рибозомите получават заповеди за производство на белтъци от ядрото, където части от ДНК (гени) се транскирибират до информационна РНК (иРНК). Информационната РНК стига до рибозомата, която от своя страна използва информацията, записана в иРНК, за да изгради белтък със специфична аминокиселинна последователност. Този процес се нарича транслация. Прокариотите обаче нямат ядро, затова техните молекули иРНК се транскрибират в цитоплазмата и могат веднага да бъдат транслирани от рибозомите.

Рибозомите на еукариотите могат да са свободни, което означава, че се носят из цитоплазмата, или да са прикрепени, което означава, че са закачени за ендоплазмената мрежа или за външната част на ядрената обвивка. (На първата диаграма в тази статия червените точки представят прикрепени рибозоми; ендоплазмената мрежа с прикрепени рибозоми се нарича зърнеста ендоплазмена мрежа.)

Тъй като производството на белтъци е жизненоважна функция във всички клетки, на практика рибозоми се откриват във всеки един вид от клетките на многоклетъчните организми, както и в прокариотите като бактериите. Въпреки това клетки, които са специализирани в производството на белтъци, имат особено голям брой рибозоми. Например панкреасът е отговорен за производството и секретирането на големи количества храносмилателни ензими, така че клетките на панкреаса, които произвеждат тези ензими, имат необичайно голям брой рибозоми.

И накрая - интересен факт: Нобеловата награда за химия за 2009 г. свидетелства за важността на рибозомите. Тя е присъдена на трима изследователи, които разкриват структурата и движенията на рибозомите до нивото на отделни атоми, използвайки техника, наречена рентгеновата кристалография${}^5$‍.