Nukleoplasma: Eigenschaften, Struktur und Funktionen

Das Nukleoplasma ist die Substanz, in die DNA und andere Kernstrukturen wie Nukleolen eingetaucht sind. Es ist durch die Kernmembran vom zellulären Zytoplasma getrennt, kann aber durch die Kernporen Stoffe mit ihm austauschen.

Seine Hauptbestandteile sind Wasser und eine Reihe von Zuckern, Ionen, Aminosäuren sowie Proteinen und Enzymen, die an der Genregulation beteiligt sind, darunter mehr als 300 andere Proteine ​​als Histone. Tatsächlich ähnelt seine Zusammensetzung der des zellulären Zytoplasmas.

In dieser Kernflüssigkeit befinden sich auch Nukleotide, die "Blöcke", die mithilfe von Enzymen und Cofaktoren für die Konstruktion von DNA und RNA verwendet werden. In einigen großen Zellen, wie zum Beispiel in der Acetabularia, ist das Nucleoplasma deutlich sichtbar.

Früher wurde angenommen, dass das Nukleoplasma aus einer amorphen Masse bestand, die im Kern eingeschlossen war, mit Ausnahme von Chromatin und Nukleolus. Im Nucleoplasma befindet sich jedoch ein Proteinnetzwerk, das für die Organisation von Chromatin und anderen Bestandteilen des Nucleus verantwortlich ist und als Kernmatrix bezeichnet wird.

Die neuen Techniken haben es geschafft, diese Komponente besser zu visualisieren und neue Strukturen wie intranukleäre Schichten, Proteinfilamente, die aus den Kernporen austreten, und die RNA-Verarbeitungsmaschine zu identifizieren.

Allgemeine Eigenschaften

Das Nucleoplasma, auch "Kernsaft" oder Carioplasma genannt, ist ein protoplasmatisches Kolloid mit ähnlichen Eigenschaften wie das Zytoplasma, das relativ dicht und reich an verschiedenen Biomolekülen, hauptsächlich Proteinen, ist.

In dieser Substanz befinden sich das Chromatin und ein oder zwei Blutkörperchen, die als Nukleolen bezeichnet werden. Es gibt auch andere immense Strukturen in dieser Flüssigkeit, wie z. B. Cajal-Körper, PML-Körper, Spiralkörper oder Kernflecken .

In den Körpern von Cajal sind die notwendigen Strukturen für die Verarbeitung von Messenger-Prä-RNAs und Transkriptionsfaktoren konzentriert.

Die Kernflecken scheinen den Körpern von Cajal ähnlich zu sein, sie sind sehr dynamisch und bewegen sich in Regionen, in denen die Transkription aktiv ist.

Die PML-Körper scheinen Marker für Krebszellen zu sein, da sie ihre Anzahl im Zellkern enorm erhöhen.

Es gibt auch eine Reihe von kugelförmigen Nucleolarkörpern mit Durchmessern zwischen 0, 5 und 2 μm, die aus Kügelchen oder Fibrillen bestehen. Obwohl von ihnen in gesunden Zellen berichtet wurde, ist ihre Häufigkeit in pathologischen Strukturen viel höher.

Die wichtigsten Kernstrukturen, die im Nucleoplasma eingebettet sind, werden nachfolgend beschrieben:

Nucleoli

Der Nucleolus ist eine herausragende kugelförmige Struktur im Zellkern und wird von keiner Art von Biomembran begrenzt, die sie vom Rest des Nucleoplasmas trennt.

Es besteht aus Regionen, die NORs ( chromosomal nucleolar organizer regions ) genannt werden und in denen sich die für Ribosomen kodierenden Sequenzen befinden. Diese Gene befinden sich in bestimmten Regionen der Chromosomen.

Im speziellen Fall des Menschen sind sie in den Satellitenregionen der Chromosomen 13, 14, 15, 21 und 22 organisiert.

Eine Reihe von unverzichtbaren Prozessen findet im Nukleolus statt, wie etwa die Transkription, Verarbeitung und Assemblierung der Untereinheiten, aus denen die Ribosomen bestehen.

Auf der anderen Seite haben neuere Studien festgestellt, dass der Nukleolus, abgesehen von seiner traditionellen Funktion, mit supprimierenden Proteinen von Krebszellen, Regulatoren des Zellzyklus und Proteinen von Viruspartikeln verwandt ist.

Subnukleare Gebiete

Das DNA-Molekül ist nicht zufällig im zellulären Nucleoplasma verteilt, es ist hochspezifisch und kompakt organisiert und enthält eine Reihe von Proteinen, die während der gesamten Evolution hochkonserviert sind und als Histone bezeichnet werden.

Der Prozess der DNA-Organisation ermöglicht das Einbringen von fast vier Metern genetischem Material in eine mikroskopische Struktur.

Diese Assoziation von genetischem Material und Protein nennt man Chromatin. Dies ist in Regionen oder Domänen organisiert, die im Nucleoplasma definiert sind und in der Lage sind, zwei Typen zu unterscheiden: Euchromatin und Heterochromatin.

Eucromatin ist weniger kompakt und umfasst Gene, deren Transkription aktiv ist, da Transkriptionsfaktoren und andere Proteine ​​im Gegensatz zu Heterochromatin, das sehr kompakt ist, Zugang dazu haben.

Die Heterochromatinregionen befinden sich in der Peripherie und das Euchromatin weiter im Zentrum des Kerns und auch in der Nähe der Kernporen.

Ebenso sind Chromosomen in bestimmten Zonen innerhalb des Kerns verteilt, die als Chromosomengebiete bezeichnet werden. Mit anderen Worten, Chromatin schwebt nicht zufällig im Nucleoplasma.

Kernmatrix

Die Organisation der verschiedenen Kernkompartimente scheint durch die Kernmatrix vorgegeben zu sein.

Es ist eine innere Struktur des Kerns, die sich aus einer Schicht zusammensetzt, die an Kernporenkomplexe, nukleolare Reste und eine Reihe von faserigen und körnigen Strukturen gekoppelt ist, die über den Kern verteilt sind und ein beträchtliches Volumen davon einnehmen.

Die Studien, die versucht haben, die Matrix zu charakterisieren, haben ergeben, dass sie zu vielfältig ist, um ihre biochemische und funktionelle Konstitution zu definieren.

Die Folie ist eine Art Proteinverbundschicht, die 10 bis 20 nm überspannt und neben der Innenseite der Kernmembran angeordnet ist. Die Proteinzusammensetzung variiert in Abhängigkeit von der untersuchten taxonomischen Gruppe.

Die Proteine, aus denen sich das Blatt zusammensetzt, ähneln den Zwischenfilamenten und haben zusätzlich zur nuklearen Signalübertragung kugelförmige und zylindrische Bereiche.

Die interne Kernmatrix enthält eine große Anzahl von Proteinen mit einer Bindungsstelle für Messenger-RNA und andere Arten von RNA. In dieser internen Matrix findet DNA-Replikation, nicht-nukleolare Transkription und die Verarbeitung von Messenger-Prä-RNA nach Transkription statt.

Nukleoskelett

Innerhalb des Kerns gibt es eine Struktur, die mit dem Zytoskelett in Zellen, dem so genannten Nucleoskelett, vergleichbar ist und aus Proteinen wie Actin, αII-Spectrin, Myosin und dem Riesenprotein Titin besteht. Die Existenz dieser Struktur wird jedoch noch von Forschern diskutiert.

Struktur

Das Nucleoplasma ist eine gallertartige Substanz, in der Sie verschiedene oben erwähnte Kernstrukturen unterscheiden können.

Eine der Hauptkomponenten des Nucleoplasmas sind die Ribonucleoproteine, die aus Proteinen und RNA bestehen, die aus einer Region bestehen, die reich an aromatischen Aminosäuren mit einer Affinität für RNA ist.

Die im Kern vorkommenden Ribonukleoproteine ​​werden spezifisch als Ribonukleoproteine ​​mit kleinem Kern bezeichnet.

Biochemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung des Nucleoplasmas ist komplex, einschließlich komplexer Biomoleküle wie Kernproteine ​​und Enzyme sowie anorganischer Verbindungen wie Salze und Mineralien wie Kalium, Natrium, Calcium, Magnesium und Phosphor.

Einige dieser Ionen sind unverzichtbare Kofaktoren der Enzyme, die die DNA replizieren. Es enthält auch ATP (Adenosintriphosphat) und Acetyl-Coenzym A.

In das Nucleoplasma sind eine Reihe von Enzymen eingebettet, die für die Synthese von Nucleinsäuren wie DNA und RNA erforderlich sind. Zu den wichtigsten zählen unter anderem DNA-Polymerase, RNA-Polymerase, NAD-Synthetase und Pyruvatkinase.

Eines der am häufigsten vorkommenden Proteine ​​im Nucleoplasma ist die Nucleoplastie, ein saures und pentameres Protein mit ungleichen Domänen an Kopf und Schwanz. Durch seine Säureeigenschaft werden die in den Histonen vorhandenen positiven Ladungen abgeschirmt und mit dem Nukleosom assoziiert.

Nukleosomen sind solche Strukturen, die Perlen in einer Kette ähneln und durch die Wechselwirkung von DNA mit Histonen gebildet werden. In dieser halbdurchlässigen Matrix wurden auch schwimmende kleine Lipidmoleküle nachgewiesen.

Funktionen

Das Nucleoplasma ist die Matrix, in der eine Reihe von wesentlichen Reaktionen ablaufen, um das ordnungsgemäße Funktionieren des Nucleus und der Zelle im Allgemeinen zu gewährleisten. Hier findet die Synthese von DNA, RNA und ribosomalen Untereinheiten statt.

Es fungiert als eine Art "Matratze", die die darin eingetauchten Strukturen schützt und ein Transportmittel für Materialien darstellt.

Es dient als Suspensionszwischenprodukt für die subnuklearen Strukturen und trägt außerdem zur Aufrechterhaltung einer stabilen Kernform bei und verleiht ihm Steifheit und Härte.

Die Existenz mehrerer Stoffwechselwege im Nucleoplasma wurde wie im Zellzytoplasma nachgewiesen. Innerhalb dieser biochemischen Wege befinden sich die Glykolyse und der Zitronensäurezyklus.

Es wurde auch über den Weg von Pentosephosphat berichtet, der dem Kern Pentose verleiht. Ebenso ist der Kern eine Synthesezone für NAD +, die als Coenzyme von Dehydrogenasen fungiert.

Verarbeitung des Messenger-PreARN

Die Verarbeitung der Prä-mRNA findet im Nucleoplasma statt und erfordert die Anwesenheit kleiner nucleolarer Ribonucleoproteine, die als snRNP abgekürzt werden.

In der Tat ist eine der wichtigsten aktiven Aktivitäten, die im eukaryotischen Nucleoplasma auftritt, die Synthese, Verarbeitung, der Transport und der Export von reifen Messenger-RNAs.

Die Ribonukleoproteine ​​werden gruppiert, um das Spleißosom oder den Spleißkomplex zu bilden, bei dem es sich um ein katalytisches Zentrum handelt, das für die Entfernung von Introns aus der Messenger-RNA verantwortlich ist. Eine Reihe von RNA-Molekülen mit hohem Uracil-Gehalt ist für die Erkennung von Introns verantwortlich.

Das Spliciosom besteht neben der Beteiligung anderer Proteine ​​aus etwa fünf kleinen nukleolaren RNAs, die als snRNA U1, U2, U4 / U6 und U5 bezeichnet werden.

Denken Sie daran, dass in Eukaryoten Gene in einem DNA-Molekül durch nicht-kodierende Regionen, sogenannte Introns, unterbrochen sind, die eliminiert werden müssen.

Die Spleißreaktion integriert zwei aufeinanderfolgende Schritte: den nucleophilen Angriff in der 5'-Schnittzone durch Wechselwirkung mit einem Adenosinrest, der an die 3'-Zone des Introns angrenzt (Passage, die das Exon freisetzt), gefolgt von der Vereinigung der Exons.