Nucleul și ribozomii

Să zicem că ai o informație foarte importantă. Să ne imaginăm că această informație este un plan. Dar nu este un simplu plan pentru o casă, o mașină sau chiar pentru un avion militar top-secret. Este planul unui întreg organism - tu - și nu doar explică alcătuirea ta, ci oferă informația care facilitează funcționarea fiecărei celule din corpul tău în fiecare moment.

Sună important, nu? Probabil ai vrea să păstrezi această informație de valoare într-un loc sigur, poate într-un seif ferit de ochii lumii. În fapt, exact asta fac celulele eucariote cu materialul lor genetic, îl păstrează într-un depozit delimitat de o membrană numit nucleu.

ADN-ul eucariotic nu părăsește niciodată nucleul; în schimb, este transcris (copiat) în molecule de ARN, care pot părăsi nucleul. În citosol, unele tipuri de ARN se asociază în structuri numite ribozomi, care apoi sintetizează proteina. (Alte tipuri ARN au alte funcții în cadrul celulei: intră în structura ribozomului sau reglează activitatea genelor.) Aici, vom privi în detaliu structura nucleului și a ribozomilor.

Nucleul (plural: nuclei) depozitează materialului genetic al celulei, sau ADN, fiind, totodată, sediul sintezei ribozomilor, organite celulare care asamblează proteine. În interiorul nucleului, cromatina (ADN învelit în jurul proteinelor, descrisă mai amănunțit mai jos) este stocată într-o substanță gelatinoasă numită nucleoplasmă.

Nucleoplasma este delimitată de învelișul nuclear, format din membrană dublă: o membrană externă și una internă. Fiecare dintre aceste membrane conține două straturi de fosfolipide, aranjate cu cozile înspre interior (formând un bistrat fosfolipidic). Între cele două straturi ale învelișului nuclear există un spațiu subțire conectat direct de interiorul unui alt organit celular delimitat de membrană, reticulul endoplasmatic.

Porii nucleari, mici canale din învelișul nuclear, lasă substanțe să intre și să iasă din nucleu. Fiecare por este căptușit cu un set de proteine, numite complexul porilor nucleari, care controlează ce molecule pot intra și ieși.

Dacă privești la imaginea microscopică a nucleului, poți observa - în funcție de tipul pigmentului utilizat pentru a face posibilă vizualizarea celulei - că are o pată neagră în interior. Această regiune se numește nucleol, și este zona în care sunt formați noii ribozomi.

Dar cum se fabrică un ribozom? Unii cromozomi au secvențe de ADN care codifică ARN ribozomal, un tip de ARN care se combină cu proteine pentru a forma ribozomul. În nucleoli, ARN ribozomal nou se combină cu proteine pentru a forma subunitățile ribozomului. Subunitățile abia-formate sunt transportate prin porii nucleari în citoplasmă, unde își pot face treaba.

Unele tipuri de celule au mai mult de un singur nucleol în interiorul nucleului. De exemplu, unele dintre celulele șoarecilor au până la $6$6 nucleoli$^1$start superscript, 1, end superscript. Procariotele, care sunt lipsite de nucleu și nucleoli, își construiesc ribozomii în citosol.

Acum că știm structura nucleului, să privim mai amănunțit informația genetică din interiorul acestuia: ADN-ul. Majoritatea ADN-ului din organism este organizat într-unul sau mai mulți cromozomi, fiecare fiind un șir sau o buclă lungă de ADN. Un singur cromozom conține mai multe gene diferite.

La prokaryote, ADN-ul este de obicei organizat într-un singur cromozom circular (o buclă). La eukaryote, în schimb, cromozomii sunt structuri liniare (șiruri). Fiecare specie eucariotică are un anumit număr de cromozomi în nucleul celulelor corpului său. De exemplu, o celulă umană tipică ar avea $46$46 cromozomi, în timp ce o celulă a musculiței de oțet are $8$8.

Cromozomii sunt vizibili doar ca structuri distincte când celula este gata să se dividă. Când celula este în faza de creștere și întreținere a ciclului vieții sale, cromozomii se aseamănă, mai degrabă, cu o grămadă de ațe încâlcite. În această formă, ADN-ul este accesibil enzimelor care îl transcriu în ARN, permițând informației genetice să fie folosită (exprimată).

Atțt în starea laxă, și în cea compactă, șirurile de ADN din cromozomi sunt asociate cu proteine structurale, în special grupul de proteine numite histone (vezi poza de mai jos). Aceste proteine asociate cu fragmentele de ADN, organizează ADN-ul în nucleu și determină ce gene vorm fi activate sau inactivate. Complexul format de ADN și proteinele structurale este denumit cromatină. Poți afla mai multe despre ADN, cromatină și cromozomi în articolul despre ADN și cromozomi.

Pentru a înțelege exact cât de importantă este condensarea ADN-ului, se ia în considerare faptul că ADN-ul dintr-o celulă tipică a corpului uman ar măsura în jur de $2$2 metri dacă ar fi extinsă într-o linie dreaptă. Cei $2$2 metri de ADN sunt strânși într-un nucleu cu diametru de doar $0.006$0, point, 006 mm. Asta este echivalent geometric cu împachetarea a $40$40 de km de ață foarte fină într-o minge de tenis$^4$start superscript, 4, end superscript!

După cum am menționat și mai sus, ribozomii sunt mașinăriile moleculare responsabile pentru sinteza proteinelor. Un ribozom este alcătuit din ARN și proteine, iar fiecare ribozom este format din două complexe ARN-proteină, cunoscute ca subunitățile mică și mare. Subunitatea mare este dispusă deasupra celei mici, cu un șablon ARN între cele două. (Un ribozom arată ca un hamburger cu o chiflă pufoasă deasupra, și carnea de ARN trecând prin ea.)

La eucariote, ribozomii primesc ordinele pentru sinteza proteinelor de la nucleu, unde fragmente de ADN (gene) sunt transcrise pentru a forma ARN mesager (ARNm). Un ARNm călătorește la ribozom, care folosește informația pe care o conține pentru a construi o proteină cu o secvență de aminoacizi specifică. Acest proces se numește traducere. Procariotele nu au nucleu, deci ARNm-urile sunt transcrise în citoplasmă și pot fi traduse de ribozomi imediat.

Ribozomii eucariotelor pot să fie liberi, adică plutesc prin citoplasmă, sau legați, adică atașați de reticulul endoplasmatic sau de exteriorul învelișului nuclear. (În prima diagramă din articol, punctele roșii reprezintă ribozomii atașați; reticulul endoplasmatic cu ribozomi atașați este numit reticul endoplasmatic rugos.)

Deoarece sinteza proteică este o funcție esențială a tuturor celulelor, ribozomii sunt prezenți în toate tipurile de celule ale organismelor pluricelulare, dar și în procariote precum bacteriile. Totuși, celulele eucariote care sunt specializate în producerea proteinelor au un număr mai mare de ribozomi. De exemplu, pancreasul este responsabil pentru producerea și secreția de numeroase enzime digestive, deci celulele pancreasului care produc aceste enzime au un număr abnormal de mare de ribozomi.

O ultimă idee: într-o mărturie a importanței ribozomilor, Premiul Nobel pentru chimie din 2009 a fost oferit celor trei cercetători care i-au cartografiat structura și mișcările până la nivelul de atomi individuali folosind o tehnică numită cristalografie cu raze X$^5$start superscript, 5, end superscript.