Транспорт между ядром и цитоплазмой через ядерные поровые комплексы (ЯПК)
Незаряженные молекулы менее 100 Да, включая молекулы воды, могут свободно диффундировать через фосфолипидный бислой, однако все остальные молекулы и макромолекулы транспортируются через ЯПК (ядерный комплекс поры) в ядерной оболочке. Процесс транспорта через ЯПК называется транслокация.
На рисунке ниже представлены различные классы молекул, которые проходят в ядро и выходят из него через ядерные поровые комплексы (ЯПК).
Транспорт молекул (>100 Да) и макромолекул между ядром и цитоплазмой можно исследовать, используя соединения, меченные радиоактивными изотопами или флуоресцентными красителями. Эти соединения вводят в цитоплазму или в ядра крупных клеток, таких как, например, ооциты амфибий.
Локализация молекул, меченных радиоактивными изотопами, определяется после выделения ядерной и цитоплазматической фракции клеток, а локализация соединений, меченных красителями — с помощью флуоресцентной микроскопии. Исследования, проведенные с использованием этих методов, показали, что относительно небольшие молекулы таких соединений, как глюкозо-6-фосфат или флуоресцеин, проходят через ядерную оболочку очень быстро — в течение нескольких секунд.
В состоянии равновесия концентрация таких соединений по обеим сторонам ядерной оболочки одинакова. Мы полагаем, что транспорт этих небольших молекул происходит за счет прямой диффузии, поскольку он осуществляется с одинаковой скоростью как при температуре 4 °С, так и при физиологических ее значениях.
Через ЯПК транспортируется много различных молекул и макромолекул.
Не показаны небольшие, незаряженные молекулы (< 100 Да), которые способны диффундировать через мембраны ядерной оболочки.
Максимальный размер частиц, способных свободно диффундировать через ядерную оболочку, определяли путем инъекции частиц золота определенного размера с одной стороны ядерной оболочки и регистрации их появления с другой стороны. Как показано на при помощи таких исследований удалось выяснить, что частицы размером 9 нм и менее могут поступать в ядро и выходить из него за счет пассивной диффузии через ядерные поры.
Такой диаметр соответствует молекуле глобулярных белков массой около 40 кДа. Поскольку скорость диффузии частицы пропорциональна ее величине, поскольку более крупные частицы проникают в обоих направлениях медленнее, чем более мелкие. Скорость диффузии одинакова в обоих направлениях.
Молекулы белков, размеры которых превышают 9 нм, не могут свободно диффундировать через ядерные поры и переносятся в процессе активного селективного транспорта. К такому заключению пришли на основании экспериментов, в которых в цитоплазму клетки вводили белки различного размера.
Было показано, что лишь некоторые белки способны проникать в ядро, причем скорость их транспорта не связана с величиной молекул. Такие же закономерности существуют и для экспорта белков из ядра. Эти эксперименты показали, что ядерный импорт и экспорт белков представляют собой избирательные процессы.
Они не происходят при недостатке АТФ и при 4 °С, что свидетельствует об их энергозависимом характере. Ниже мы обсудим вопрос о том, что причина транспорта в ядро и выхода из него только определенных белков заключается в том, что они содержат специальные сигналы, позволяющие им транспортироваться через оболочку ядра.
Когда частицы золота различных размеров, покрытые поливинилпирролидоном,
вводят в клетку, частицы меньше либо равные 9 нм проходят через ЯПК за счет пассивной диффузии.
