A sejtmag és a riboszómák

Tegyük fel, hogy értékes információ van a birtokodban. Képzeld el, hogy ez az információ egy tervrajz. Valójában ez nem csak egy ház, autó vagy akár szuper titkos vadászgép tervrajza. Ez bizony egy egész élőlénynek – mint amilyen te vagy – a leírása, amely nem csak azt mutatja meg, hogy hogyan épülsz fel, hanem azokat az információkat is tartalmazza, amelyek a sejtjeid működéséhez szükségesek minden pillanatban.

Fontosnak hangzik, ugye? Valószínűleg egy ennyire értékes információt biztos helyen szeretnél tárolni, talán egy védett széfben, ahol rajta tarthatod a szemedet. Nos az eukarióta sejtek pontosan ezt teszik a genetikai anyagukkal: egy membrán által körbevett tárolóban tartják, amelyet sejtmagnak hívnak.

Az eukarióta sejtek DNS-e sosem hagyja el a sejtmagot, helyette RNS-molekulákká íródik át (lemásolódik), amelyek aztán kijuthatnak a sejtmagból. A sejtplazmában egyes RNS-molekulák úgynevezett riboszómákkal kapcsolódnak össze, és a fehérjék szintézisét irányítják. (Más RNS-molekulák a sejt működésében segítenek, például a riboszómák szerkezeti elemeiként vagy a génaktivitás szabályozásával.) Ebben a részben a sejtmag és a riboszómák szerkezetével foglalkozunk részletesebben.

A sejtmag (vagy nukleusz) tartalmazza a sejt genetikai anyagát, vagyis DNS-ét, és itt szintetizálódnak a riboszómák is, amelyek a sejt fehérje-összeszerelő masinái. A sejtmagban a kromatin (fehérjékre tekeredett DNS, részletesebb leírás alább) egy zselészerű anyagban, a magplazmában (vagy nukleoplazmában) található.

A magplazmát a maghártya határolja, amely két membránból: egy külső és egy belső membránból áll. Mindegyik membránt két réteg foszfolipid építi fel úgy, hogy a foszfolipidek farki része egymás felé, befelé néz (foszfolipid kettősréteget alkotva). Van egy vékony rés a maghártya két membránja között, és ez a rés közvetlenül kapcsolódik egy másik membránnal határolt sejtalkotó, az endoplazmás retikulum belsejéhez.

A magpórusok a maghártyán található apró csatornák, amelyek lehetővé teszik az anyagok be- és kilépését a sejtmagba. Mindegyik pórust egy csapat fehérje, a magpóruskomplex béleli, amely meghatározza, melyik molekulák mehetnek ki és be.

Ha egy sejtmagról készült mikroszkópos képet nézel, a sejtfestéshez használt festéktől függően felfedezhetsz egy sötét foltot a sejtmagban. Ezt a sötéten festődő részt sejtmagvacskának (vagy nukleólusznak) hívják, és itt történik az új riboszómák összeszerelése.

Hogy készülnek a riboszómák? Néhány kromoszómán vannak olyan DNS-szakaszok, amelyek riboszómális RNS-t kódolnak. Ezek a strukturális RNS-ek csoportjába tartoznak és fehérjékkel együtt alkotják a riboszómákat. A sejtmagvacskában az új riboszómális RNS fehérjékkel egyesül, létrehozva a riboszóma alegységeit. Az újonnan szintetizált alegységek a maghártya pórusain keresztül a sejtplazmába jutnak, ahol a feladatukat teljesítik.

Bizonyos sejttípusok sejtmagjában egynél több sejtmagvacska található. Például egyes egérsejtek akár $6$‍ sejtmagvacskát is tartalmazhatnak${}^1$‍. A prokariótáknak nincs se sejtmagjuk, se sejtmagvacskájuk, és a riboszómáik a sejtplazmában készülnek.

Most, hogy megismertük a sejtmag szerkezetét, vessünk egy közelebbi pillantást a benne tárolt genetikai információra: a DNS-re. Egy élőlény DNS-ének nagy része egy vagy több kromoszómába szerveződik, melyek mindegyike egy nagyon hosszú DNS-láncot vagy -hurkot tartalmaz. Egyetlen kromoszóma számos, különböző gént hordozhat.

Prokariótákban a DNS jellemzően egyetlen, cirkuláris kromoszómába rendeződik (gyűrűbe). Ezzel szemben az eukariótákban a kromoszómák lineáris struktúrák (láncdarabok). Minden eukarióta fajnál meghatározott számú kromoszóma található a sejtek sejtmagjában. Például az ember egy testi sejtjében jellemzően $46$‍ kromoszóma található, míg egy ecetmuslica hasonló sejtjében $8$‍.

A kromoszómák csak akkor láthatók különálló elemekként, amikor a sejt felkészül az osztódásra. Amikor a sejt a növekedés és fenntartás fázisában van, a kromoszómák inkább egy kupac kibomlott gombolyagra emlékeztetnek. Ebben az állapotban a DNS-hez hozzáférnek azok az enzimek, amelyek RNS-sé írják át, így a genetikai információ kifejeződhet (expresszálódhat).

A kromoszómák DNS-láncai mind laza, mind tömörített formájukban strukturális fehérjékhez kapcsolódnak, köztük a hisztonok nevű fehérjecsalád tagjaihoz (lásd az alábbi képen). Ezek a DNS-hez kapcsolódó fehérjék segítenek abban, hogy a DNS elférjen a sejtmagban, továbbá szerepet játszanak annak meghatározásában, hogy melyik gének aktívak vagy inaktívak. A DNS és az ahhoz kapcsolódó strukturális fehérjék alkotta komplexet hívják kromatinnak. Többet is megtudhatsz a DNS-ről, kromatinról és a kromoszómákról a DNS és kromoszómák tananyagban.

Hogy képet kapj arról, mennyire fontos a DNS tömörítése, gondolj bele, hogy egy tipikus emberi sejt DNS-e kiterített állapotban körülbelül $2$‍ méter lenne. A teljes $2$‍ méternyi DNS belepréselődik az aprócska sejtmagba, aminek az átmérője csupán $\mathrm{0,006}$‍ mm. Ez a mutatvány arányaiban megegyezik azzal, mintha egy $40$‍ km hosszú, rendkívül finom fonalat gyömöszölnénk bele egy teniszlabdába ${}^4$‍!

Mint már említettük, a riboszómák a fehérjék szintéziséért felelős molekuláris gépezetek. Egy riboszóma RNS-ből és fehérjékből épül fel, és minden riboszóma két külön RNS-fehérje komplexből áll, melyeket nagy és kis alegységnek hívnak. A riboszóma nagy alegysége a kis alegység tetején ül, és a kettő között, mint egy szendvicsben található az átíródó RNS (RNS-templát). (A riboszóma egy kicsit olyan, mint egy hamburger egy nagy bucival a tetején és egy RNS-pogácsával a közepén)

Az eukariótákban a riboszómák a sejtmagból kapják az utasítást a fehérjék szintézisére, ahol az egyes DNS-szakaszok (gének) hírvivő RNS-sé (messenger RNS, vagy röviden mRNS) íródnak át (ezt hívják transzkripciónak). Az mRNS a riboszómához vándorol, ami az mRNS-ben tárolt információ segítségével egy meghatározott aminosav-sorrendű fehérjét hoz létre. Ezt a folyamatot hívják transzlációnak. A prokariótákban nincsen sejtmag, így az mRNS-ek a sejtplazmában képződnek, és azonnal megkezdődhet a riboszómák általi transzláció is.

Eukariótákban a riboszómák vagy szabadon vannak jelen – vagyis a sejtplazmában úszkálnak – vagy kötött állapotban, vagyis az endoplazmás retikulumon vagy a maghártya külsején. (A tananyag első ábráján a piros pöttyök a kötött riboszómákat ábrázolják; a kötött riboszómákat tartalmazó endoplazmás retikulumot hívják durva felszínű endoplazmás retikulumnak.)

Mivel a fehérjeszintézis egy nélkülözhetetlen sejtfunkció, a riboszómák gyakorlatilag a többsejtű élőlények minden sejttípusában, azon kívül a prokariótákban, mint pl. a baktériumokban is megtalálhatók. Azonban az eukarióta sejtek, amelyek fehérjeszintézisre specializálódtak, különösen sok riboszómát tartalmaznak. Például a hasnyálmirigy számos emésztőenzimet termel és választ el, így a hasnyálmirigy enzimtermelő sejtjei szokatlanul sok riboszómát tartalmaznak.

Egy utolsó érdekesség: a riboszómák fontosságát bizonyítja, hogy 2009-ben a kémiai Nobel-díjat három olyan kutató kapta meg, akik a riboszómák struktúráját és mozgását térképezték fel egészen az egyes atomok szintjéig úgynevezett röntgen krisztallográfia segítségével${}^5$‍.