El núcleo es la estructura
más destacada de la célula eucarionte, tanto por su morfología como por sus
funciones. Su tamaño es variable (5 a 10 mm) al igual que su ubicación siendo en la mayoría de
los tipos celulares central.
El núcleo tiene tres
funciones primarias, todas ellas relacionadas con su contenido de ADN. Ellas
son:
1. Almacenar la información genética en
el ADN.
2. Recuperar la información almacenada
en el ADN en la forma de ARN.
3. Ejecutar, dirigir y regular las
actividades citoplasmáticas, a través del producto de la expresión de los
genes: las proteínas.
En el núcleo se localizan
los procesos a través de lo cuales se llevan a cabo dichas funciones. Estos
procesos son:
1. La duplicación del ADN y su ensamblado
con proteínas (histonas) para formar la cromatina.
2. La transcripción de los
genes a ARN y el procesamiento de éstos a sus formas maduras, muchas de las
cuales son transportadas al citoplasma para su traducción y
3. La regulación de la expresión
genética.
ESTRUCTURA
DEL NÚCLEO
El núcleo está rodeado por
la envoltura nuclear, una
doble membrana interrumpida por numerosos poros
nucleares. Los poros actúan como una compuerta selectiva a través de la
cual ciertas proteínas ingresan desde el citoplasma, como también permiten la
salida de los distintos ARN y sus proteínas asociadas.
La envoltura nuclear es
sostenida desde el exterior por una red de filamentos intermedios dependientes
del citoesqueleto, mientras que la lámina
nuclear, la cual se localiza adyacente a la superficie interna de la
envoltura nuclear, provee soporte interno.
El núcleo también tiene un nucleoplasma, en el cual están
disueltos sus solutos y un esqueleto filamentoso, la matriz nuclear la cual provee soporte a los cromosomas y a los grandes complejos proteicos
que intervienen en la replicación y transcripción del ADN.
Los cromosomas aparecen
ocupando lugares específicos. Los genes que codifican productos relacionados,
aunque estén localizados en diferentes cromosomas, pueden estar ubicados
próximos en el núcleo interfásico. Por ejemplo, los cromosomas humanos 13, 14,
15, 21 y 22 poseen un gran número de genes que codifican para ARNr. Dichos cromosomas
están agrupados de tal forma que los genes de los ARNr están todos juntos y
confinados en elnucléolo, el lugar donde se sintetizan, procesan y
ensamblan los ARNr. Esta separación física asegura que los ARNr puedan ser eficientemente ensamblados dentro de
las subunidades ribosomales.
En el núcleo, los genes
transcripcionalmente activos tienden a estar separados de los inactivos. Los
activos se encuentran ubicados centralmente, mientras que los silentes están
confinados próximos a la envoltura nuclear.
Tan pronto como las células
entran en mitosis o meiosis, los fragmentos de la matriz nuclear dirigen la
condensación de los cromosomas, constituyéndose en la parte central de los
mismos.
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LA ENVOLTURA NUCLEAR
La envoltura está formada por dos
membranas concéntricas interrumpidas por poros nucleares y por la lámina
nuclear.
Las membranas delimitan un
espacio de 10 a 50 nm, el espacio
o cisterna perinuclear. La membrana externa en contacto con el citoplasma
tiene ribosomas adheridos, que sintetizan las proteínas que se vuelcan al
espacio perinuclear. El espacio perinuclear se continua con el REG.
La membrana interna posee proteínas integrales que le son
propias, que se unen a la lámina nuclear y a los cromosomas.
La lámina nuclear, capa fibrosa de 10 a 15 nm en la
que apoya la membrana interna, está formada por proteínas del tipo de los
filamentos intermedios, polímeros de lámina o laminina nuclear. Ellas se unen a
las proteínas integrales de membrana.
La fosforilación de las láminas
provoca el desensamble de la lámina nuclear causando la ruptura de la envoltura
al inicio de la división celular.
La lámina nuclear confiere
estabilidad mecánica a la envoltura nuclear. Además, al interactuar con la
cromatina participa en la determinación de la organización tridimensional del
núcleo interfásico.
Si bien la formación de la
lámina no se requiere durante los pasos iniciales, la organización de la
envoltura es indispensable para el crecimiento posterior y el mantenimiento de
su integridad. Las láminas se incorporan luego que la cisterna perinuclear
rodea al ADN y se inicia el transporte entre el núcleo y el citoplasma.
La envoltura nuclear es un
derivado del sistema de endomembranas, siendo esto evidente al inicio de la
división celular, cuando la envoltura se desorganiza y pasa a formar parte del
sistema de cisternas y vesículas del retículo endoplásmico.
La aparición de la envoltura
nuclear permitió que los eucariontes aislaran los procesos genéticos
principales, como la autoduplicación del ADN o la síntesis de ARN. Además esto
posibilitó que el ARNm se modifique dentro del núcleo antes de ser traducido en
los ribosomas. Estas modificaciones no ocurren en los procariontes, ya que a
medida que la ARN polimerasa sintetiza el ARN, simultáneamente el extremo 5’ se
une al ribosoma y comienza la traducción.
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COMPLEJOS DE PORO NUCLEAR
La
envoltura nuclear presenta estructuras discoidales llamadas complejos de poro nuclear (CPN)
El número de CPN es variable, incrementándose a medida
que aumenta la actividad celular. En una célula de mamífero hay entre 3000 a
4000 complejos de poro. Cada CPN es una estructura macromolecular compleja
constituida por un gran número de proteínas de disposición octamérica. Está
formado por:
· Ocho columnas proteicas, que forman
las paredes laterales del poro.
· Un anillo externo, formado por ocho
unidades proteicas.
· Un anillo interno, también con
estructura octamérica.
· Proteínas de anclaje que
fijan cada columna al espacio perinuclear.
· Proteínas radiales que se proyectan
desde las columnas hacia la luz del poro, a manera de diafragma
· Proteínas fibrilares fijas al anillo
interno y externo. En la cara nuclear convergen para formar una canastilla o
cesta. A lo largo de estas fibrillas se ubican nucleoporinas que intervienen en el transporte de
sustancias a través del poro.
· Un poro central o abertura.
La luz de los CPN suele
presentarse obturada por las proteínas que circulan a través del poro, como por
las carioportinas (Kap) que actúan como eficientes
transportadores en el tráfico núcleo/citoplasma.
Los CPN presentan uno o varios
canales acuosos a través de los cuales las pequeñas moléculas solubles en agua
difunden (transporte no regulado). Las moléculas de mayor peso molecular son
transportadas en forma activa, por lo que requieren energía y moléculas
transportadoras.
Se
importan dentro del núcleo:
· Las proteínas sintetizadas en el citoplasma necesarias para
ensamblar los ribosomas.
· Los factores de transcripción
requeridos en la activación o inactivación de los genes.
· Los factores de empalme necesarios en
el proceso de maduración de los ribosomas.
Las moléculas y macromoléculas ensambladas y
exportadas desde el núcleo al citoplasma incluyen:
· Las subunidades ribosomales
· ARNm
· ARN de transferencia
· Factores de transcripción que son
devueltos al citoplasma para ser reutilizados.
Los mecanismos implicados
en el transporte a través del poro son diferentes al transporte de proteínas en
las membranas de otros organelos . Por ejemplo, las proteínas nucleares son
transportadas a través del poro manteniendo su conformación plegada, por el
contrario las proteínas que no se localizarán en el núcleo se despliegan
durante el transporte.
Los complejos de poro
nuclear hacen de la envoltura nuclear una barrera selectiva entre el núcleo y
el citoplasma. Estos complejos constituyen la principal vía de comunicación
entre el compartimiento nuclear y citoplasmático de la célula ante el pesado
tráfico molecular. Aun cuando las proteínas pequeñas y otras moléculas viajan a
través de los canales periféricos, las proteínas de gran tamaño deben poseer
una etiqueta para ingresar por el canal central. Estas proteínas sintetizadas
en el citoplasma contienen la señal de localización nuclear (nuclear signal
localization, NSL).
Tampoco
los ARN pueden salir de núcleo por sí mismos. Ellos salen a través del complejo
de poro con una proteína especial que posee una señal nuclear de exportación
(nuclear export signal, NES). Ambas NSL y NES consisten en una secuencia corta
de aminoácidos, muchos de los cuales tienden a estar ubicados centralmente
dentro de las proteínas.
Las moléculas de mayor
tamaño requieren de una proteína
“transbordadora” o carioportina. La superfamilia de carioportinas está
integrada por: importinas . exportinas y transportinas .
El
núcleo contiene los cromosomas de la célula. Cada cromosoma
consiste en una molécula única de ADN con una cantidad equivalente de
proteínas. Colectivamente, el ADN con sus proteínas asociadas se denomina cromatina. La mayor parte de las proteínas de la
cromatina consisten en copias múltiples de cinco clases de histonas.
Estas proteínas básicas son ricas en residuos de
arginina y lisina cargados positivamente. Por esta razón se unen estrechamente
con los grupos fosfatos (cargados negativamente) del ADN.
La
cromatina también contiene pequeñas cantidades de una amplia variedad de proteínas no histónicas y RNP.
La mayoría de ellas son factores de transcripción (por ej., el receptor
esteroide), siendo su asociación con el ADN pasajera. Estos factores regulan
que parte del ADN será transcripta en ARN.
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EL NUCLÉOLO
En el nucléolo tiene lugar la formación de subunidades
ribosómicas, la síntesis y procesamiento de ARNr y actualmente se considera que
desempeña un importante papel en la regulación del ciclo celular. [2]
El nucléolo es un
aglomerado de fibras de cromatina de distintos cromosomas. En el hombre, los
pares 13,14, 15, 21 y 22, aportan sectores de cromatina que forman el nucléolo.
Todos estos cromosomas son acrocéntricos y presentan constricciones secundarias
denominadas organizadores nucleolares (NOR), donde están los genes que
codifican ARNr.
El nucléolo aparece como una
estructura simple carente de componente membranoso, en la que diferenciamos dos
regiones:
· Una zona fibrilar central,
formada por ADNribosómico y ARNr naciente
· Un zona granular periférica donde los
gránulos están formados por las subunidades ribosómicas en proceso de
ensamblado.
Los nucléolos, al igual que la envoltura nuclear
desaparecen en la mitosis y se reorganizan alrededor de los segmentos de ADNr,
que como su nombre lo indica, codifica ARNr. Siendo el ARNr el más abundante
dentro de los tipos de ARN, existen múltiples copias del gen que lo codifica.
El genoma humano presenta alrededor de 200 copias del gen para ARNr. Estos
genes que promedian los 10.000 nucleótidos se localizan en tándem. Cada gen
está separado por ADN espaciador y presenta asociado una molécula de ARN
polimerasa I. De cada enzima parten perpendicularmente los ARNr nacientes,
tomando la apariencia característica de un árbol de navidad. Cada gen produce
un transcripto llamado ARNr 45S que será luego procesado.
El
tamaño del nucleólo varía entre células y en la misma célula según su
actividad, pues si bien la velocidad de transcripción puede acelerarse, el
ensamblado de las subunidades ribosomales requiere de un tiempo más o menos
constante; es por ello que en los nucléolos grandes observamos mayor proporción
de componente granular.
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