Jadro - mozog bunky

Bunkové jadro (lat. nucleus = jadro, zrnko) prvýkrát pozoroval škótsky botanik ROBERT BROWN (1773-1858) v roku 1831. Jadro je centrálnou organelou, ktorá obsahuje genetickú informáciu nevyhnutnú pre život a delenie bunky. Predstavuje riadiace a koordinačné centrum bunky. Obsahujú ho všetky bunky (okrem vysokošpecializovaných buniek, napr. zrelé erytrocyty cicavcov alebo bunky vodivého pletiva rastlín).

Veľkosť jadra je veľmi variabilná, väčšinou v rozmedzí 4–30 µm. Je to najväčšia bunková organela, ktorá sa vo väčšine, hlavne mladých buniek, nachádza v ich strede; výnimkou sú ontogeneticky staršie rastlinné bunky s veľkou centrálnou vakuolou, v ktorých je jadro vytláčané k ich okraju. Excentrickú lokalizáciu možno pozorovať aj v žľazových bunkách, kde je jadro uložené na bazálnom póle bunky. Pomer veľkosti jadra a cytoplazmy sa nazýva nukleocytoplazmatický pomer, ktorý je relatívne stály: ak sa zväčší jadro, tak sa primerane k tomu zväčší aj celá bunka. Tento jav sa cielene využíva u poľnohospodárskych rastlín, ktoré tolerujú polyploidizáciu - zduplikovaním počtu chromozómov dôjde k zväčšeniu rastliny a jej plodov.

Polyploidizácia skutočne znamená zväčšenie rastlinných orgánov, predovšetkým plodov. Často je však väčší objem na úkor chuti, lebo zväčšovanie objemu súvisí hlavne s príjmom vody, ktorá v konečnom dôsledku zrieďuje látky v bunke zodpovedné za chuť plodov.

Prevažná väčšina buniek rastlín a živočíchov má jedno jadro, sú to tzv. monoenergidné bunky. V bunkách nižších rastlín a húb môže počet jadier značne kolísať. Aj peľové zrnká majú dve jadrá: generatívne a vegetatívne. Nálevníky majú tiež dve jadrá, ktoré sú dokonca štruktúrne a funkčne diferencované (mikro- a makronukleus).

Tvar jadra sa môže výrazne meniť. Závisí od typu bunky, jej funkcie a štádia diferenciácie. Základný tvar je guľovitý. Guľovité jadrá sa nachádzajú v guľovitých, polyedrických a kubických bunkách, v cylindrických alebo vretenovitých bunkách sú často oválne, v kostrových svaloch elipsovité. Značne členité jadro sa vyskytuje v bunkách epifýzy. Neutrofilné granulocyty (typ bielych krviniek) majú členité (segmentované) jadrá. V bunkách s amébovitým pohybom (meňavky, makrofágy) sa prechodne mení aj tvar jadra.

Jadro je mimoriadne zložitá organela. Nie je to statická štruktúra, ale značne dynamická. Jeho morfológia sa periodicky opakuje. Štrukturálne zmeny jadra môžu byť spojené s procesom ontogenézy, morfologickej diferenciácie a funkčnej špecializácie jednotlivých typov buniek. Rozlišujeme dve hlavné formy bunkového jadra:

  • interfázové (interkinetické) jadro medzi bunkovými deleniami
  • mitotické (karyokinetické) jadro charakteristické špiralizáciou chromatínu

Interfázové jadro

Základnými zložkami interfázového (interkinetického) jadra sú:

  • jadrová membrána
  • chromatín
  • jadierko
  • jadrový skelet
  • jadrové inklúzie

Jadrová membrána

Jadrová membrána (jadrový obal, karyotéka, karyoléma) oddeľuje nukleoplazmu (jadrový obsah) od cytoplazmy (obsah bunky) počas interfázy. Skladá sa z dvoch membrán, ktoré majú typickú stavbu biomembrány. Obidve membrány sú od seba oddelené 20-80 µm širokým perinukleárnym priestrom (perinukleárny = okolojadrový). Vonkajšia jadrová membrána je na cytoplazmatickej strane pokrytá ribozómami a komunikuje s drsným endoplazmatickým retikulom.

Súvislý povrch jadrovej membrány je miestami prerušovaný jadrovými pórmi (nukleopóry), kde do seba plynule prechádza vnútorná a vonkajšia membrána jadrového obalu. Nie sú to skutočné póry, ale sú prekryté tzv. diafragmou. Pri niektorých jadrách zaberajú až 25% povrchu. Umožňujú prechod makromolekulových jadrových produktov do cytoplazmy a naopak. Okrem transportu cez jadrové póry sa predpokladá aj aktívny transport cez jadrový obal.

Chromatín

Chromatín predstavuje hmotu interkinetického jadra, ktorej hlavnou zložkou je DNA asociovaná s histónmi - komplex nazývaný nukleohistón. Vo svetelnom mikroskope sa chromatín javí ako homogénna hmota, začínajúca naberať vláknitú štruktúru až po prechode k začiatku mitózy.

Podľa intenzity farbenia zásaditými cytologickými farbivami rozlišujeme dva stavy chromatínu, ktoré zodpovedajú stupňu jeho špiralizácie (kondenzácie) a zároveň miere, s akou prebieha v týchto miestach transkripcia:

  • Euchromatín je dekondenzovaný, farbí sa slabo, gény v ňom obsiahnuté sa prepisujú do RNA.
  • Heterochromatín je kondenzovaný, preto sa intenzívne farbí, gény v ňom obsiahnuté sa neprepisujú.

Heterochromatín delíme na:

  • konštitutívny heterochromatín, trvale transkripčne inaktívny (napr. vysoko-repetitívne sekvencie, Barrovo teliesko)
  • fakultatívny heterochromatín, ktorý môže v závislosti od stavu bunky prejsť do štádia transkripčne aktívneho euchromatínu.

Kondenzácia a dekondenzácia chromatínu, tj. prechod medzi fakultatívnym chromatínom a euchromatínom, patrí medzi veľmi významné regulačné mechanizmy eukaryotickej transkripcie.

Tab. Porovanie euchromatínu a heterochromatínu
euchromatínheterochromatín
intenzita farbeniaslabásilná
stupeň kondenzáciedekondenzovanýkondenzovaný
transkripciaaktívnainaktívna

Jadierko

Jadierko (lat. nucleolus) je tmavo sa farbiaca štruktúra prítomná v jadre všetkých eukaryotických buniek. Nepredstavuje samostatnú bunkovú organelu, ani nie je od jadra oddelené žiadnou membránou, ale svojimi fyzikálno-chemickými vlastňosťami sa odlišuje od hmoty jadra. Môže byť guľovitého, eliptického alebo nepravidelného tvaru. Nie je trvalou štruktúrou jadra, počas mitózy zaniká.

Jadierko vzniká v oblasti interkinetického jadra, ktorá korešponduje s prítomnosťou chromozómov obsahujúcich tzv. jadierkový (nukleolárny) organizátor, čo je špecifická sekvencia DNA obsahujúca gény pre syntézu ribozomálnych RNA. Oblasť kódujúca ribozomálne RNA sa zvykne označovať ako rDNA (DNA, na ktorej vzniká rRNA). Jadierko je vlastne agregát vznikajúcich rRNA a ribozomálnych proteínov. Na submikroskopickej úrovni možno odlíšiť granulárnu a fibrilárnu zložku jadierka. Počet jadierok je daný počtom jadierkových organizátorov.

Úloha jadierka je v tvorbe ribozomálnych podjednotiek. Tie vznikajú priamo v jadierku, kde dochádza k spájaniu (asociácii) rRNA s ribozomálnymi proteínmi. Hotové ribozómy, resp. ribozomálne podjednotky, sú najväčšími štruktúrami, ktoré prechádzajú cez jadrové póry do cytoplazmy.

Ribozomálne proteíny sa ako každé proteíny syntetizujú mimo jadra. Do jadierka sa dostanú až dodatočne cez jadrové póry, aby sa spojili s rRNA a znovu sa vrátili do cytoplazmy ako hotové ribozomálne podjednotky.

Jadrový skelet

Jadrový skelet (nukleoskelet) je priestorová sieťovitá štruktúra podobná intermediárnym filamentom. Časť jadrového skeletu vystiela celý vnútorný povrch membrány jadrového obalu. Táto 40 nm hrubá vrstva sa nazýva lamina a tvoria ju tri proteíny: lamín A, lamín B a lamín C. Majú úlohu v dezintegrácii (rozrušení) jadrovej membrány počas M-fázy bunkového cyklu a jej znovuvytvorení po rozdelení bunky. Ukotvujú chromozómy v jadrovej membráne a udržiavajú celkový tvar jadra.

Mutácia v géne pre syntézu lamínu A je príčinou zriedkavej genetickej choroby - progérie, ktorá zapríčiňuje predčasné starnutie. Vyskytuje sa u jedného z 8 miliónov živo-narodených detí. Deti s touto chorobou trpia už veľmi skoro po narodení (1,5-2 roky) na choroby typické pre ľudí v staršom veku, ako sú vypadávanie vlasov, problémy s videním, stuhnuté kĺby, degenerácia svalovej hmoty, ateroskleróza a infarkt, na ktorý, bohužiaľ, väčšinou zomierajú po dovŕšení 11-13 veku života. Progeria nie je spojená s mentálnou retardáciou.

Jadrové inklúzie

Intranukleárne inklúzie predstavujú hlavne bielkovinové kryštály. Proces kryštalizácie je výsledkom prebytočného nahromadenia bielkovín.

Mitotické jadro

Karyokinetické (mitotické) jadro je charakteristické celkovou zmenou štruktúry oproti interkinetickému jadru a kondenzáciou chromatínu do vláknitých útvarov - chromozómov. Zmeny mitotického jadra sú okrem toho spojené aj s dezintegráciou jadierka a jadrovej membrány.

Štruktúra chromozómu

Chromozóm predstavuje jednu lineárnu molekulu DNA asociovanú s histónmi. Na rozdiel od chromatínu interfázového jadra (čo je len iné pomenovanie dekondenzovaného chromozómu) je však tento komplex poskladaný do makroskopicky viditeľnej štruktúry, aby bola zabezpečená jeho jednoduchá separácia do dcérskych buniek. Chromozómy sú najlepšie pozorovateľné v metafáze mitózy, pretože vtedy dosahujú najväčší stupeň kondenzácie (sú najkratšie a najhrubšie).

Cytogenetika metafázického chromozómu

Metafázický chromozóm je dlhý 0,5-30 µm a má priemer 0,2-3 µm. Rastliny majú v priemere väčšie chromozómy ako živočíchy. Na metafázickom chromozóme sú dobre viditeľné dve chromatidy. Každá chromatida je tvorená len jednou molekulou DNA vedúcou po celej dĺžke chromozómu. Chromatidy toho istého chromozómu sú geneticky identické (jedna chromatida vznikla replikáciou druhej v S-fáze bunkového cyklu) a nazývajú sa preto sesterské chromatidy.

Sesterské chromatidy sú navzájom spojené v mieste centroméry pomocou proteínu kohezínu. Táto oblasť sa nazýva aj primárna konstrikcia (primárne zaškrtenie). Takéto chromozómy majú typický tvar písmena "X". Primárna konstrikcia predstavuje miesto, kam sa pripájajú vlákna deliaceho vretienka. Mikrotubuly deliaceho vretienka rozoznávajú tzv. kinetochór, čo je taktiež bielkovinový komplex pripojený k centromére. Deliace vretienko zabezpečuje rozídenie chromozómov na opačné póly bunky počas anafázy jadrového delenia.

Centroméra rozdeľuje chromozóm na dve ramená. Každý chromozóm má len jednu centroméru. Chromozómy, ktoré nemajú žiadnu centroméru alebo ich majú viac, sú označené ako acentrické, resp. polycentrické (di-, tricentrické apod.) a predstavujú chromozómové aberácie, ktoré neumožňujú správne rozdelenie chromozómov v anafáze.

Podľa polohy centroméry rozlišujeme niekoľko typov chromozómov:

  • metacentrické chromozómy - centroméra je viac-menej v strede
  • submetacentrické chromozómy - centroméra je viac od stredu a rozdeľuje chromozóm na dve nerovnako dlhé ramená
  • akrocentrické chromozómy - jedno rameno je výrazne skrátené
  • telocentrické chromozómy - centroméra je na konci; predstavujú nestabilné chromozómové aberácie vzniknuté zlomom jedného ramena v oblasti centroméry

Niektoré chromozómy (zväčša akrocentrické) majú aj sekundárnu konstrikciu (sekundárne zaškrtenie), ktorá oddeľuje od zvyšku ramena (zväčša krátkeho) malú oblasť nazývanú satelit. Satelit predstavuje úsek chromozómu, ktorý obsahuje nukleolárny organizátor a má funkciu vo vytvorení jadierka. Sekundárna konstrikcia nie je rozoznávaná vláknami deliaceho vretienka.

Koncové časti lineárnych chromozómov sa nazývajú teloméry. Predstavujú akúsi ochranu, ktorá nedovoľuje vzájomné spájanie chromozómov ich koncovými časťami. Aberované (mutované) chromozómy bez niektorej teloméry majú "lepivé" konce. Lepivými koncami sa môžu chromozómy ľubovoľne medzi sebou spájať, čo môže mať vážne následky, pretože takéto mutácie sú stabilné a prechádzajú do ďalších generácií buniek.

Celkový súbor metafázických chromozómov telovej (somatickej) bunky možno zoradiť podľa tvaru a veľkosti a vytvoriť tak karyotyp. Karyotyp je teda informácia o počte, tvare a veľkosti chromozómov. Živé organizmy, ktoré majú stály a rovnaký karyotyp, patria do jedného druhu. V praxi nám analýza karyotypu pomáha v identifikovaní chromozómových aberácií jedinca (pacienta) podozrivého na postihnutie genetickou chorobou. Zmenený karyotyp má aj väčšina nádorových buniek, ale tento je často veľmi nestabilný. Schematické znázornenie karyotypu sa nazýva idiogram.