Por jądrowy jest jednocześnie ogromnym otworem i bardzo selektywną barierą
Otoczka jądrowa jest poprzecinana tysiącami kompleksów porów jądrowych, ale nie oznacza to swobodnego mieszania jądra z cytoplazmą. Małe cząsteczki mogą dyfundować względnie łatwo, natomiast duże białka i RNA zwykle wymagają receptorów transportowych. W centralnym kanale znajdują się białka nukleoporynowe bogate w powtórzenia FG, tworzące dynamiczne środowisko selektywne dla karioferyn. Dzięki temu ten sam otwór może przepuszczać masywny kompleks transportowy, a jednocześnie ograniczać przypadkowe przenikanie innych makrocząsteczek podobnej wielkości.
Por jest wielkim kompleksem białkowym
Kompleks poru jądrowego składa się z wielu kopii około trzydziestu rodzajów nukleoporyn i tworzy ośmiokrotnie symetryczną strukturę osadzoną w miejscu połączenia błony wewnętrznej i zewnętrznej otoczki jądrowej. Jego rozmiary są ogromne w porównaniu z typowym enzymem. Mimo to nie działa jak zwykły szeroki kanał wodny — kluczową część bariery stanowią elastyczne domeny FG wystające do centralnego kanału.
Małe cząsteczki i duże ładunki podlegają innym regułom
Małe białka i metabolity mogą przechodzić przez por drogą dyfuzji, lecz wraz ze wzrostem rozmiaru swobodne przejście staje się coraz mniej wydajne. Duże ładunki wykorzystują receptory transportu jądrowego, które rozpoznają sygnały lokalizacji jądrowej albo eksportowej w białkach lub adapterach. Receptor nie powiększa fizycznie poru; zmienia sposób, w jaki ładunek oddziałuje z selektywnym wnętrzem kanału.
Powtórzenia FG tworzą barierę bez stałej klapki
FG-nukleoporyny zawierają liczne motywy z fenyloalaniną i glicyną oraz długie, nieuporządkowane regiony. Ich wzajemne oddziaływania i ruchliwość tworzą środowisko, które utrudnia przechodzenie przypadkowych makrocząsteczek, ale jest korzystne dla receptorów transportowych mających wiele miejsc wiążących FG. Istnieje kilka modeli opisujących dokładną fizykę bariery i nie wszystkie szczegóły są rozstrzygnięte, lecz selektywność FG-Nup jest dobrze potwierdzona.
Kierunek transportu tworzy układ Ran-GTP
Sam receptor musi wiedzieć, po której stronie poru ma zabrać, a po której oddać ładunek. Informację kierunkową zapewnia nierównomierny stan małej GTPazy Ran: w jądrze przeważa Ran związany z GTP, a w cytoplazmie Ran-GDP. Importyny i eksportyny reagują na ten gradient odmiennym powinowactwem do ładunku. Energia jest zużywana pośrednio na utrzymanie asymetrii systemu, a nie na mechaniczne przepychanie każdego transportowanego białka.
RNA opuszcza jądro jako duże kompleksy
Przez pory muszą przechodzić nie tylko białka. mRNA jest eksportowane w postaci kompleksów z licznymi białkami, a podjednostki rybosomalne należą do największych regularnie transportowanych ładunków. Komórka potrafi więc przeprowadzić przez barierę obiekty znacznie większe niż pojedynczy enzym, zachowując jednocześnie selektywność wobec ogromnej liczby przypadkowych makrocząsteczek.
Transport i kontrola jakości są powiązane
Eksport wielu rodzajów RNA jest sprzężony z ich dojrzewaniem. Powstający transkrypt musi zostać odpowiednio obrobiony i związany z właściwymi białkami, zanim efektywnie opuści jądro. Por nie jest jedynym miejscem kontroli, ale znajduje się na końcu całej linii przygotowania ładunku. W praktyce przestrzenna bariera między transkrypcją a translacją daje komórkom eukariotycznym dodatkowe poziomy regulacji.
To filtr oparty na chemii, a nie sitko o jednej średnicy
Por jądrowy najlepiej rozumieć nie jako sito z otworami ustalonej wielkości. Dwie cząsteczki o podobnych wymiarach mogą mieć zupełnie inną zdolność przejścia zależnie od tego, czy jedna jest związana z właściwym receptorem. Selektywność wynika z interakcji molekularnych w dynamicznym środowisku. Dzięki temu komórka może przepuszczać ogromne, prawidłowo oznaczone ładunki bez rezygnacji z kontroli nad składem jądra.
Skala przepływu przez pory jest ogromna. Rosnąca komórka musi codziennie przemieścić przez otoczkę jądrową olbrzymią liczbę białek jądrowych, RNA i podjednostek rybosomów, a pojedynczy kompleks poru może obsługiwać wiele zdarzeń transportowych na sekundę. Jednocześnie musi zachować różnicę składu między jądrem a cytoplazmą. Receptory transportowe nie są po przejściu zużywane: importyna po oddaniu ładunku wiąże Ran-GTP, wraca do cytoplazmy i po hydrolizie GTP jest gotowa do kolejnego cyklu. Eksportyny wykonują cykl o odwróconej logice wiązania ładunku. Sama asymetria Ran jest utrzymywana dlatego, że czynnik wymiany nukleotydu RCC1 znajduje się przy chromatynie, a białka pobudzające hydrolizę GTP działają głównie po stronie cytoplazmatycznej. Kierunkowość nie jest więc wpisana w kształt kanału; powstaje dzięki przestrzennemu rozdzieleniu regulatorów małej GTPazy. To szczególnie eleganckie rozwiązanie: jeden por jest fizycznie niemal symetryczny względem kierunku, ale otaczający go układ chemiczny sprawia, że import i eksport zachowują kierunek netto.
Podczas mitozy otwartej u kręgowców kompleksy porów jądrowych są częściowo rozmontowywane wraz z otoczką jądrową, a po segregacji chromosomów muszą zostać złożone ponownie. Komórka potrafi więc nie tylko obsługiwać gigantyczny filtr, ale również cyklicznie demontować i odtwarzać tysiące jego kopii przy każdym podziale.