Hücre Çekirdeği

Hücre çekirdeği, ya da nükleus, ökaryot hücrelerin çoğunda bulunan zarla kaplı bir organeldir. Hücrenin genetik bilgilerinin çoğu, hücre çekirdeğinin içinde katlı uzun doğrusal DNA molekülleri ile histon gibi birçok proteinin biraraya gelerek oluşturduğu kromozomlarda bulunur. Bu kromozomların içindeki genler hücrenin çekirdek genomunu oluşturur. Hücre çekirdeğinin işlevi bu genlerin bütünlüğünü devam ettirmek ve gen ekspresyonunu düzenleyerek hücre işlevlerini kontrol altında tutmaktır.

Çekirdeğin ana yapı elemanları, organelin tamamını kaplayan çift katmanlı bir zar olan ve içindekileri hücre sitoplazmasından ayrı tutan çekirdek kılıfı ile hücrenin tamamına destek sağlayan hücre iskeletine benzer ve çekirdeğe mekanik destek sağlayan ağ yapısındaki hücre lâminasıdır. Birçok molekülün çekirdek kılıfından geçememesi nedeniyle, moleküllerin hareketini sağlamak için çekirdek gözenekleri gerekir.

Bu gözenekler çekirdek kılıfının her iki katmanını da geçer ve küçük moleküller ile iyonların serbest dolaşmasını sağlayan bir kanal oluştururlar. Proteinler gibi daha büyük moleküllerin hareketi daha kontrollüdür ve taşıyıcı proteinler tarafından kolaylaştırılan etkin bir taşıma işlemi gerektirir. Gözenekler sayesinde olan hareket hem gen ekspresyonu hem de kromozom sürekliliği için gerekli olduğundan çekirdek taşınımı hücre işlevi için çok büyük önem taşır.

Her ne kadar hücre çekirdeği içinde zarla kaplı cisimler bulunmasa da içindekiler aynı yapıda değildir ve özgün proteinler, RNA molekülleri ve DNA kümeleri gibi daha küçük cisimler bulunur. Bu cisimlerin içinde en çok bilineni ribozomların birleşmesinde görev alan çekirdekçiktir. Ribozomlar, çekirdekte üretildikten sonra sitoplazmaya taşınır ve orada mRNA’yı dönüştürürler.

Tarihçe

Hücre çekirdeği bulunan ilk organeldir ve 1802’de Franz Bauer tarafından tanımlanmıştır. Daha sonra 1831 yılında İskoçyalı botanikçi Robert Brown tarafından Linnean Society of London’da yapılan bir konuşmada daha ayrıntılı olarak tanımlanmıştır.

Mikroskopla orkideleri inceleyen Brown çiçeğin dış katmanlarındaki hücrelerde gözlemlediği donuk alana areola ya da nükleus (çekirdek) adını vermiştir.Ancak olası bir işlev önermemiştir. 1838 yılında Matthias Schleiden hücre çekirdeğinin hücrelerin oluşmasında rol aldığını önererek hücre kurucu anlamına gelen sitoblast adını kullanmaya başladı. Sitoblastların etrafında yeni hücrelerin biriktiğini gözlemlediğine inandı. Hücrelerin bölünerek çoğaldığını göstermiş olan ve pek çok hücre tipinde çekirdek olmadığına inanan Franz Meyen bu görüşe şiddetle karşı çıkıyordu.

Hücrelerin sitoblast ya da başka yolla baştan oluşması düşüncesi, hücrelerin yalnızca hücreler meydana geldiği paradigmasını (Omnis cellula e cellula) yayan Robert Remak (1852) ve Rudolf Virchow’un (1855) çalışmaları ile tezat oluşturuyordu. Hücre çekirdeğinin işlevi belirsiz olarak kaldı.

1876 ve 1878 yılları arasında Oscar Hertwig, deniz kestanesi yumurtalarının döllenmesi üzerine yayımladığı çeşitli çalışmalarında sperm çekirdeğinin oosit içine girerek çekirdeğiyle kaynaştığını gösterdi.

Bireyin tek çekirdekli bir hücreden gelişebileceği bu çalışmalar ile ilk defa olarak önerilmiştir. Bu teori Ernst Haeckelin, bir türün tüm soyoluşunun (phylogeny) embriyo gelişmesi sırasında tekrarlandığını, ve bu süreçte ilk çekirdekli hücrenin de Monerula adı verilen yapısız öncül mukus kütlesinden (Urschleim) yeniden oluştuğu teorisi ile çelişiyordu. Bu nedenle döllenme için sperm çekirdeğinin gerekliliği uzun bir süre tartışılmıştır.

Ancak Hertwig gözlemlerini amfibyumlar ve yumuşakçalar gibi diğer hayvan grupları üzerinde de doğruladı. Eduard Strasburger de aynı sonuçlara bitkiler için ulaştı (1884). Bu çalışmalar hücre çekirdeğine kalıtımda önemli bir görev verilmesi fikrine yol açmıştır. 1873 yılında August Weismann kalıtımda ana ve baba eşey hücrelerinin eşdeğerde olduklarını koyutunu ileri sürdü. Hücre çekirdeğinin genetik bilgiyi taşıma işlevi ancak daha sonraları, mitoz bölünmenin keşfinden ve Mendel yasasının 20. yüzyılın başlarında tekrar bulunarak kalıtımda kromozom teorisinin oluşturulmasından sonra açığa kavuşmuştur.

Yapı

Hücre çekirdeği hayvanlarda en büyük hücre organelidir. Memeli hücrelerinde ortalama çap 11 ile 22 mikrometre (μm) arasındadır ve toplam hacmin yaklaşık 10% ‘unu kapsar.İçinde bulunan visköz sıvıya nükleoplazma adı verilir, bu, çekirdek dışında bulunan sitoplazmaya benzer.

Çekirdek kılıfı ve gözenekleri

Çekirdek kılıfı birbirine paralel ve 10 ile 50 nanometre (nm) uzaklıkta iç ve dış iki zardan oluşur. Çekirdeği tamamen saran kılıf hücrenin genetik malzemesini sitoplazmadan ayırır ve makromoleküllerin nükleoplazma ile sitoplazma arasında serbest dolaşmasına engel olur.Çekirdek kılıfının dış zarı granüllü endoplazmik retikulum ile bağlantılıdır ve benzer şekilde üzerinde ribozomlar bulunur. Zarlar arasındaki boşluğa perinükleer boşluk denir ve granüllü endoplazmik retikulum lümeni ile bağlantılıdır.

Çekirdek kılıfı boyunca akış kanalları görevi yapan çekirdek porları nükleoporin adı verilen çoklu proteinlerden oluşmuştur. Gözeneklerin moleküler ağırlığı yaklaşık 125 milyon daltondur ve (ekmek mayasında) 50 ile (omurgalılarda) 100 kadar proteinden oluşurlar.

Gözeneklerin toplam çapı 100 nm kadardır ancak merkezlerinde bulunan düzenleyici sistemler nedeniyle moleküllerin serbestçe dolaşabildiği açıklık 9 nm genişliğindedir. Bu boyuttaki açıklıktan suda çözünebilen küçük moleküller geçebilirken nükleik asit ve proteinler gibi daha büyük moleküller geçerek çekirdeğin içine giremez. Bu daha büyük moleküller aktif olarak çekirdeğin içine taşınmalıdır.

Tipik bir memeli hücresinin çekirdek kılıfı üzerinde 3000 ile 4000 kadar gözenek bulunur ve bu porların her birinde, dış ve iç zarların birbirine kaynaştığı yerde, simit şeklinde sekizli ışınsal simetrik halka şeklinde yapılar bulunur. Bu halkalara, nükleoplazmaya uzanan çekirdek sepeti denilen yapılarla sitoplazmaya ulaşan ipliksi uzantılar bağlıdır. Her iki uzantı da çekirdek taşıyıcı proteinlerinin bağlanmasına yardımcı olur.

Proteinlerin çoğu, ribozomlardan oluşan alt birimler ve bazı RNA’lar karyoferin diye bilinen bir dizi taşıyıcı faktörün aracılık ettiği bir süreçle gözenek komplekslerinden geçerek taşınırlar. Çekirdek içine doğru olan harekete aracılık eden karyoferinlere importin, çekirdek dışına doğru olan harekete aracılık edenlere de eksportin denir. Karyoferinlerin çoğu taşıdıkları yükle doğrudan etkileşime girer ama bazıları yine de adaptör proteinler kullanır.

Kortizol ve aldosteron gibi steroit hormonları ile hücrelerarası haberleşmede yer alan diğer yağda çözünen küçük moleküller hücre zarından difüzyonla sitoplazmaya geçer ve burada bağlandıkları nükleer reseptör proteinleri aracılığıyla çekirdek içine taşınırlar. Orada, eğer ligantlarına bağlı iseler transkripsiyon faktörleri olarak görev yapar; ligantların olmadığı durumda ise bu reseptörlerin çoğu gen ekspresyonunu baskılayan histon deasetilazlar olarak işlev gösterir.

Hücre iskeleti

Hayvan hücrelerinde iki ara filâment ağı hücre çekirdeğine mekanik destek sağlar: çekirdek lâminası kılıfın iç yüzünde organize bir ağyapısı oluşturur, kılıfın sitoplazmaya açık olan yüzündeki daha az organize bir destek yapı bulunur. Her iki sistem de çekirdek kılıfına yapısal destek sağlar, kromozomlar ve çekirdek porları içinde de tutunacak yerleri oluşturur.

Çekirdek lâminasının çoğu lamin proteinlerden oluşur. Tüm proteinler gibi laminler sitoplazmada sentezlenir; sonra çekirdek içine taşınır ve burada toplanarak çekirdek lâminasının varolan ağına katılırlar.Laminler ayrıca içinde bulundukları nükleoplazma içinde nükleoplazmik peçe (İng. nucleoplasmic veil) denen başka bir düzenli yapı oluştururlar,bu yapılar floresan mikroskobu kullanarak gözlemlenebilir.

Bu peçenin gerçek işlevi açık değildir; çekirdekçik dışında kalmakta ve interfaz sırasında bulunmaktadırlar.Peçeyi oluşturan lamin yapıları kromatine bağlanır ve onların yapısının bozulması protein kodlayan genlerin transkripsiyonunu engellenmesine neden olur. Ara iplikçıklerın diğer parçaları gibi lamin monomer bir alfa sarmal yapı barındırır. Bu yapıyı kullanan iki monomer birbirleri etrafında sarılarak sargılı sarmal adı verilen bir ikili (dimer) yapı oluşturur.

Bu dimer yapıların iki tanesi daha sonra yanyana gelerek antiparalel bir düzende birleşerek protoiplikçik adında bir dörtlü (tetramer) oluşturur. Bu protoiplikçiklerin sekizi yanyana gelip burularak halat benzeri iplikçikler oluşturur. Bu iplikçikler dinamik olarak birleşip ayrışırlar, yani iplikçiklerin uzunluğundaki değişme, iplikçik eklenme ve çıkma hızlarına bağlıdır.

İplikçik birleşmesinde hatalara yol açan lamin genlerindeki mutasyonlar laminopatiler olarak bilinir. En tanınmış laminopati, yakalananlarda erken yaşlanma görünümüne sebep olan progeria hastalık ailesidir. Bununla ilişkili biyokimyasal değişikliklerin yaşlanmış fenotipe nasıl yol açtığı tam olarak anlaşılamamıştır.

Kromozomlar

Hücrenin genetik materyalinin büyük bir çoğunluğu hücre çekirdeğinde bulunur. Bu genetik materyal lineer DNA moleküllerinin oluşturduğu kromozom adı verilen çoklu yapılardan ibarettir. Hücre döngüsünin büyük bir kısmında bunlar kromatin adı verilen bir DNA-protein kompleksi halinde bulunur, hücre bölünmesi sırasında kromatin, karyotiplerde görülen yapılanmış kromozomlara dönüşür. Hücre genlerinin küçük bir kısmı da mitokondrilerde yer alır.

İki tip kromatin vardır. Ökromatin'de DNA daha az sıkışık bir şekildedir ve hücre tarafından sıklıkla kullanılan genleri barındırır.Diğer tip olan heterokromatin daha sıkışık olan DNA şeklidir ve seyrek olarak kullanılan genleri barındırır. Bunlar da, yalnızca bazı tip hücreler de ya da gelişimin bazı aşamalarında görülen genleri içeren seçmeli (fakültatif) heterokromatin ve telomer ile sentromer gibi kromozomun yapısal parçalarından oluşan yapısal heterokromatin olarak ikiye ayrılır.

İnterfaz sırasında kromatin, kromozom bölgeleri adı verilen ayrık bölgeler olarak sekillenir.Genellikle kromozomun ökromatik bölgesinde bulunan etkin genler kromozomun bölge sınırına doğru yer almaya meyillidir. Bazı kromatin yapılarına, özellikle de nükleozomları karşı olan antikorlar sistemik lupus eritematozis gibi bazı otoimmün hastalıklarla ilişkilendirilmektedir.

Bunlar antinükleer antikor (ANA) olarak bilinir ve genel bağışıklık sistemi bozukluğunun bir parçası olarak multipl skleroz ile birlikte de gözlemlenmişlerdir.Progeria’da olduğu gibi otoimmün hastalıkların semptomlarını ortaya çıkarmada antikorların rolleri çok açık olarak bilinmemektedir.