LA CÉLULA: EL NÚCLEO

Transcripción

1 LA CÉLULA: EL NÚCLEO GUIÓN EL NÚCLEO INTERFÁSICO. - Características del núcleo interfásico: Envoltura nuclear. Complejo de poro. Nucleoplasma. Cromatina. Nucleolo. - Duplicación del DNA. - Transcripción. INTRODUCCIÓN. El núcleo es el orgánulo celular que alberga la información genética. Todos sus componentes van a estar relacionados con el metabolismo del ADN. Estructuralmente manifiesta dos estados diferenciados: INTERFASE y DIVISIÓN. El de interfase coincide con el momento del ciclo celular en el que el ADN no se divide y se denomina núcleo interfásico. 1. EL NÚCLEO INTERFÁSICO. CARACTERÍSTICAS DEL NÚCLEO INTERFÁSICO. Su FORMA es diferente, dependiendo del tipo celular y del momento de su ciclo. En células hiperactivas su contorno es muy irregular. En células epiteliales cúbicas es esférico; en células epiteliales prismáticas es ovoide; en células fusiformes, alargado; en granulocitos, polilobulado; etc. Sus DIMENSIONES son variables. Su volumen varía de un tipo celular a otro. Dentro del mismo aumenta antes de la división, debido a la duplicación del material genético. El NÚMERO DE NÚCLEOS por célula suele ser uno. Existen masas protoplásmicas plurinucleadas que aparecen por multiplicación nuclear sin citodiferenciación: son los plasmodios. Los sincitios resultan de la fusión de muchas células en una masa común. La POSICIÓN es variable, pero característica de cada tipo celular. En las células embrionarias ocupa el centro geométrico de la célula. En las células adiposas aparece lateralizado. En las serosas ocupa la región situada entre el tercio basal y el tercio medio. En las mucosas se sitúa en el tercio basal. ESTRUCTURALMENTE, el núcleo es un compartimento celular que está separado del citoplasma por unas membranas que forman la envoltura nuclear. Su contenido, similar al citosol o a la matriz mitocondrial, se conoce como nucleoplasma. 1

2 ENVOLTURA NUCLEAR.- La envoltura nuclear está formada por un par de membranas, con composición semejante a la plasmática, dispuestas como dos esferas concéntricas. La membrana nuclear interna delimita el espacio nuclear. Está en relación con un conjunto de proteínas especificas, situadas en el lado nucleoplasmático, que constituyen la lámina fibrosa o lámina nuclear. La membrana nuclear externa se continúa con la membrana del retículo endoplasmático rugoso y, al igual que en ésta, se pueden apreciar numerosos ribosomas ocupados en la síntesis proteica. Entre esta membrana y la membrana nuclear interna, queda un espacio conocido como espacio perinuclear, de 20 a 40 nm de espesor. Puesto que este espacio perinuclear continúa con el lumen del retículo endoplasmático, se puede considerar que la membrana nuclear externa es una parte especializada del retículo endoplasmático. COMPLEJO DE PORO.- En determinados puntos, la envoltura nuclear es atravesada por unos canales, denominados poros nucleares, que conectan el citoplasma con el interior del núcleo. Cada poro, tanto en la zona citoplasmática como en la nuclear, está delimitado por una gran estructura en forma de anillo que es conocida como complejo del poro nuclear. Este complejo está constituido por 8 grandes proteínas globulares que mantienen abierto el poro, permitiendo el paso de ciertas moléculas como ARN, NAD+ y proteínas. El número de poros por unidad de superficie varía según los distintos tipos celulares y las condiciones fisiológicas. Como norma, las células con gran actividad transcripcional poseen mayor número de poros (hepatocitos, neuronas). Por el contrario, en aquellas células de escasa actividad, como los glóbulos rojos nucleados y en los linfocitos, el número de poros nucleares es inferior. NUCLEOPLASMA.- El nucleoplasma o jugo nuclear, es la sustancia que se encuentra en el interior del núcleo. Inmersos en este nucleoplasma se observan 2 componentes nucleares: una estructura difusa conocida como nucléolo y una maraña de fibras y grumos constituidos por cromatina. También existe una red proteica tridimensional, similar al citoesqueleto del citosol, que se extiende por todo el núcleo y sirve de lugar de anclaje a la cromatina. En el nucleoplasma también hay una gran variedad de principios inmediatos, especialmente nucleótidos, ya que allí tiene lugar la transcripción del ADN para la síntesis de los ARN (mensajero, transferente y ribosómico) y la replica del ADN celular previa a la mitosis. CROMATINA.- La cromatina es un complejo de nucleoproteínas, limitado por la membrana nuclear y que representa el genoma de las células eucarióticas. La cromatina aislada manifiesta 3 componentes principales: Histonas(proteínas), ADN y ARN. 2

3 Organización de la cromatina.- Las histonas son proteínas relativamente pequeñas, con una proporción muy elevada de aminoácidos cargados positivamente, lo cual las ayuda a unirse firmemente al ADN. En las células eucariotas hay 5 tipos de histonas: las histonas H1, H2A, H2B, H3 y H4 (mirar figura 8). Relación de las histonas con el grado de empaquetamiento.-con 2 moléculas de cada una de las histonas H2A, H2B, H3 y H4, se forman unos agregados de 8 proteínas (octámeros) en forma de disco. Estos agregados forman núcleos proteicos, alrededor de los cuales se enrolla en 2 vueltas el ADN de doble hebra. Estas unidades de empaquetamiento, constituidas por el octámero y el fragmento de ADN asociado a él, se conocen como nucleosomas. La histona H1 no forma parte del llamado centro del nucleosoma, sino que aparece unida a los segmentos de ADN que unen nucleosomas próximos (mirar figura 7). Puesto que la molécula de ADN es muy larga, aparecen muchos nucleosomas unidos, tomando el aspecto de un "collar de perlas", siendo las perlas los nucleosomas y el hilo que las engarza los segmentos de ADN. El "collar de perlas" se puede enrollar sobre sí mismo, adoptando esta vez la forma de un "solenoide". En esta estructura, los segmentos de ADN internucleosómicos interaccionan con moléculas de histonas H1 que quedan dispuestas en el núcleo del solenoide. Es posible que el ADN pueda estar empaquetado de otras formas que todavía no hemos llegado a percibir. De todas formas, como resultado del enrollamiento solenoidal (o de cualquier otro tipo), se forma una fibra cuyo diámetro, observado con el microscopio electrónico, es de 30 nanometros. La fibra de 30 nanometros se pliega en forma de grandes bucles, que son mantenidos por proteínas que se unen al ADN de 2 regiones distantes de la fibra. La fibra de 30 nanometros de diámetro, puede enrollarse en un supersolenoide, dando una fibra de 400 nm, en el que cada vuelta contiene 6 nucleosomas y pares de bases de ADN. Este modelo corresponde al cromosoma metafásico, en el que pueden distinguirse 3 niveles de espiralización, la más simple correspondiente al nucleosoma, una segunda al solenoide y la tercera al supersolenoide. Podemos pues concluir, que la cromatina presenta una estructura enormemente compleja y ordenada, en la que se distinguen diferentes niveles de organización estructural: nucleosoma, "collar de perlas", fibra de 30 nanometros y los dominios estructurales en forma de bucles (mirar figura 6). 3

4 NUCLEOLO.- El nucleolo es una estructura con aspecto esferoidal, que a diferencia de los orgánulos citoplasmáticos, carece de membrana que lo delimite. Los núcleos diploides suelen presentar uno o dos nucleolos. Son muy prominentes en interfase y comienzan a desaparecer al mismo tiempo que los cromosomas alcanzan su máxima condensación, es decir, en la metafase. Vuelven a iniciar su reaparición en telofase. El nucleolo aparece siempre en un lugar específico del núcleo, en determinados territorios de ciertos cromosomas. Su tamaño está en relación con el grado de actividad. Así, es mayor en células con gran síntesis proteica que requieren mayor número de ribosomas. Función.- El nucleolo es una formación en la que se efectúa la síntesis de ARNr y el procesado y empaquetamiento en subunidades ribosomales que serán exportadas al citoplasma. Con el microscopio electrónico se aprecian en el interior del nucleolo, un conjunto de estructuras plumosas, semejantes a los frondes de los helechos que se han interpretado del siguiente modo: los diferentes "tallos" son las moléculas de ADN que se están transcribiendo por numerosas moléculas de RNA polimerasa I y las "cerdas" en forma de pluma, corresponden a las diferentes moléculas de ARN nucleolar (también conocido como RNA 45 s) en distintos estadios de crecimiento. Este ARNn recién sintetizado, tras un proceso de maduración en el que sufre una serie de cortes, origina los diferentes tipos de ARN ribosómico: 18 S, 28 S y 5 8 S. Determinadas proteínas, sintetizadas en el citoplasma, pasan a través de los poros nucleares dirigiéndose hacia el nucléolo, donde se unen a los ARNr sintetizados en éste, formando las subunidades mayor y menor de los ribosomas. Estas subunidades son exportadas, atravesando los poros nucleares, hacia el citoplasma donde se ensamblan para constituir los ribosomas. DUPLICACIÓN DEL DNA. ASPECTOS BÁSICOS DEL MECANISMO DE LA REPLICACIÓN. A) LA REPLICACIÓN ES UN PROCESO SEMICONSERVATIVO.- Cada molécula hija recibe una de las cadenas de la molécula de DNA paterna. B) ENZIMAS.- La replicación es un proceso complicado, que se consigue mediante un conjunto de proteínas, entre las que destacan: - La DNA polimerasa I - La DNA polimerasa II - La DNA polimerasa III, que es la fundamental La DNA polimerasa III es una enzima dependiente de ATP, formada como mínimo por 13 unidades polipeptídicas. C) DIRECCIÓN DE LA DUPLICACIÓN.- Para que se produzca la replicación del DNA, se requiere que las 2 hebras complementarias de este se separen gradualmente a medida que tiene lugar la síntesis de las nuevas hebras. Como resultado de la separación de las 2 hebras en un determinado punto, se crean 2 horquillas identicas. 4

5 Una característica estructural básica del DNA es que sus cadenas son antiparalelas: una hebra tiene una dirección 5 3, mientras que la otra la tiene 3 5. La DNA polimerasa sintetiza el nuevo polinucleótido en dirección 5 3. Cuando la DNA polimerasa empieza la replicación de un trozo de ADN, siempre se sitúa en el extremo 3 de éste. A continuación va seleccionando, uno a uno, aquellos nucleótidos que tiene libres por su entorno, apareándolos con la hebra patrón. Uniendo, cada nucleótido al adyacente mediante un enlace covalente, se va sintetizando la nueva cadena, la cual va creciendo en dirección 5 > 3. Una vez que la información genética es duplicada en su totalidad, es decir, se llegan a formar dos dobles hélices de ADN, cada una de ellas complementaria en cuanto a secuencia de nucleótidos a la que sirvió de patrón, termina el proceso de replicación. Antes de la síntesis de nuevas hebras es imprescindible la separación de las 2 hebras del DNA, puesto que las bases de cada molde deben ser accesibles a los desoxirribonucleótidos complementarios que constituirán las nuevas hebras. El proceso de separación consta de una serie de pasos catalizados enzimaticamente y coordinados. Entre estos procesos está el desenrollamiento local de la helice y la separación de las dos hebras de esta zona. Existen una serie de enzimas que llevan a cabo estos procesos: HELICASAS. Encargadas de romper los puentes de hidrógeno de las 2 cadenas patrón. PROTEÍNAS FIJADORAS. Mantienen las dos hebras separadas, el tiempo suficiente para quer tenga lugar el proceso de cebado. TOPOISOMERASAS. Mellan una de las hebras de DNA, para conseguir el desenrollamiento de un trozo. Además, estas enzimas giran la molécula a medida que se va replicando y evitan los problemas topólogicos de superenrollamiento del DNA. TRANSCRIPCIÓN. Como el ADN está localizado dentro del núcleo celular o en la matriz mitocondrial y la síntesis proteica se realiza en el citoplasma, las células requieren transferir la información codificada hasta el citoplasma. Para ello, realizan la transcripción del DNA, es decir, sintetizan una macromolécula denominada ácido ribonucleico mensajero (ARNm), compuestas de ribonucleótidos 5 monofosfato, cuya secuencia es complementaria a la del gen. Este ARNm es el que actúa como molde para la fabricación de la proteína. Para la síntesis proteica, además del ARNm, se necesitan otros dos tipos de ácidos ribonucleicos: los ARN de transferencia que portan los aminoácidos que constituirán la proteína y el RNA ribosómico, formador de los ribosomas. ASPECTOS BÁSICOS DE LA TRANSCRIPCIÓN. A) ENZIMAS.- Las moléculas de ARN son sintetizadas a través de un proceso conocido como transcripción del ADN, que se parece en muchos aspectos a la replicación del ADN. Los enzimas que catalizan esta reacción se denominan RNA POLIMERASAS. En procariótas existe un solo tipo de RNA polimerasa que realiza la síntesis de todos los RNAs, mientras que en los eucariotas existen 3 clases: 5

6 RNA polimerasa I que sintetiza el RNA ribosómico. RNA polimerasa II, sintetiza los precursores del RNA mensajero. RNA polimerasa III, que sintetiza los RNAs de pequeño tamaño (RNAt, RNAr 5S...). B) FASES DE LA TRANSCRIPCIÓN.- INICIACIÓN.-La transcripción se inicia, desenrollandose aquella secuencia de ADN que se tiene que transcribir y separándose las dos hebras que la constituyen. Al mismo tiempo, el complejo enzimático que participa en este proceso se coloca sobre una secuencia de reconocimiento situada alrededor de 30 nucleótidos antes del codón iniciador de la traducción: AUG. ELONGACIÓN.- A continuación, sobre la hebra que actúa de patrón, la RNA polimerasa va examinando las posibilidades de apareamiento, entre los ribonucleótidos que están libres por el entorno y las bases nitrogenadas del ADN. Cuando se consigue un buen ajuste con el ADN patrón, el ribonucleótido es incorporado a la cadena de ARN en crecimiento. La enzima se desplaza por la hebra patrón de DNA en sentido 3 5, mientras que la cadena de RNA mensajero se va formando en sentido 5 3. Por lo tanto, la dirección de la transcripción es 5 > 3, al igual que en la duplicación del ADN. En la transcripción de RNA mensajero hay una importante diferencia entre los Procariotas y los Eucariotas: Los genes de los Procariotas son unidades continuas Los genes de los Eucariotas constan de una serie de secuencias que se conservan en el RNAm transcrito (EXONES), separadas por otras secuencias que no se conservan (INTRONES). TERMINACIÓN. La RNA polimerasa detiene su síntesis cuando se encuentra una secuencia de DNA conocida como señal de terminación. Finalizada la transcripción, se añade al extremo 3 del RNAm una cola poli-a, formada por unos 200 ribonucleótidos de adenina. 6