1 Tema 5. Nucleo. Concepto. Estructura y ultraestructura. Envoltura nuclear: ultraestructura. Complejo del poro. Nucléolo: estructura, ultraestructura y funciones. Ciclo celular: Mitosis, Meiosis. CONCEPTO, ESTRUCTURA Y ULTRAESTRUCTURA El núcleo es el organoide característico de las células eucariotas y donde se localiza el ADN con la información genética de la célula, a partir del cual se codifica toda la síntesis proteica celular (incluyendo la de las enzimas que controlan todos los procesos celulares). La duplicación de este ADN permite la división celular que originará dos células similares. El aspecto del núcleo va ser distinto durante la división celular y en el periodo que transcurre cuando ésta no tiene lugar, que se denomina interfase. La mayoría de las células eucariotas posee un solo núcleo que, debido a su riqueza en ácido nucleicos, se tiñe con los colorantes básicos. En ocasiones, hay células que pueden tener dos núcleos, siendo raras las multinucleadas (como las fibras musculares). En las células que no se encuentran en división el tamaño del núcleo es constante, y su forma y situación están relacionadas con la forma y función de cada célula. Redondos en las cúbicas, alargados en las fusiformes e irregulares en los neutrófilos. Basales en las secretoras y laterales en las fibras musculares esqueléticas. Su tamaño guarda relación con el de la célula. El núcleo en interfase consta de una serie de componentes diferentes: envoltura nuclear, cromatina y nucléolo, que se encuentran inmersos en el nucleoplasma (también denominado carioplasma o jugo nuclear), que está compuesto por una fase acuosa con enzimas y proteínas relacionadas con el metabolismo de los ácidos nucleicos. CROMATINA Está constituida por ADN junto con proteínas (histonas) y proteínas reguladoras de los genes. La cromatina se tiñe con los colorantes básicos y puede ponerse de manifiesto con tinciones especiales como el Feulgen (rojo). Con el microscopio óptico, la cromatina se observa como gruesos grumos o puede aparecer finamente dispersa, denominándose como heterocromatina y eucromatina, respectivamente.
2 Con el microscopio electrónico, la eucromatina aparece como areas adilectrónicas que se corresponden con las areas donde la cromatina esta desempaquetada y laxamente dispuesta debido a que se esta transcribiendo, mientras que la heterocromatina aparece como areas electrodensas y homogéneas que se corresponden con cromatina empaquetada que no se esta transcribiendo, ya que este empaquetamiento impide que entre en contacto con las proteínas activadoras. En general, la cromatina esta constituida por la asociación de la doble hélice de ADN con las histonas, dando lugar a fibras de 10 nm de grosor que a su vez se van plegando dando lugar a fibras mas gruesas y constituyendo, según su grado de empaquetamiento o grosor, la eucromatina, la heterocromatina y los cromosomas (grado maximo de empaquetamiento y visibles solamente durante la división celular). Según la proporción de eucromatina o heterocromatina que posean se habla de núcleos eucromaticos o heterocromaticos. ENVOLTURA NUCLEAR Es una doble unidad de membrana que delimita una cisterna perinuclear de unos 25-40 nm (Espacio perinuclear) y que posee características similares al retículo endopasmico rugoso, con el que se continúa. La cara externa de la membrana externa que contacta con el citoplasma puede tener ribosomas adheridos, mientas que a la cara interna de la membrana interna suele asociarse a heterocromatina. Poros nucleares La envoltura nuclear esta provista de numerosos poros nucleares derivados de la fusión de las membranas externa e interna y que permiten la comunicación entre el hialoplasma y el nucleoplasma. Los poros estan provistos de una estructura compleja denominada complejo del poro: el diametro del poro entre las membranas es de 80 nm, sin embargo hay un material denso denominado anillo del poro que lo reduce a 50 nm. El anillo del poro lo conforman ocho unidades de naturaleza proteica (Material anular) que se disponen en forma de octógono. A nivel del complejo del poro desaparece la heterocromatina asociada a la envoltura nuclear dejando pasillos intercromaticos. Este complejo se encarga de regular selectivamente el paso de moléculas entre el núcleo y el citoplasma, por lo que el número y distribución de
poros varía con la actividad celular.
NUCLEOLO Es un organoide intranuclear visible durante la interfase y relacionado con la síntesis de ribosomas. Está constituido por ARN (20-30%), ADN (1-3%) y proteínas, que pueden ser ácidas o básicas. Con el microscopio óptico es anfófilo (puede tefiirse con colorantes ácidos o básicos, según la proporción y disposición de las proteínas). Generalmente es basófilo, hay uno por célula, aunque pueden haber más en función de su actividad, de la que dependen también su tamafio, forma y situación en el núcleo. A mayor tamafio y número de nucléolos mayor actividad sintética. Con el microscopio electrónico, aparece como una masa heterogénea con zonas electrodensas y adilectrónicas conectadas entre sí como una esponja y con heterocromatina asociada. Se pueden diferenciar las dos partes: - Parte amorfa: se corresponde con las áreas adielectrónicas y contiene ADN. 3
4 - Parte densa: área densa a los electrones donde a su vez se distingue tres partes: Pars granular: constituida por agrupaciones de gránulos de ribonucleoproteínas de unos 25 nm de diámetro. Son ribosomas que se están ensamblando. Pars fibrilar: más electrodensa que la anterior y constituida por fibrillas (de unos 8-10 nm de grosor) de ARN ribosómico recién transcrito que inicia su unión a proteínas. Centro fibrilar: se corresponde con las áreas menos electrodensas de esta parte y está constituido por fibrillas de unos 7-9 nm, compuestas por ADN y ARN y que conforman el organizador nucleololar (porción del ADN que transcribe el ARN ribosómico). Las funciones del nucléolo son la transcripción de los ARN ribosómicos de la secuencia correspondiente de ADN (organizador nucleololar) que constituirán las ribonucleoproteínas que conforman las subunidades de los ribosomas. CICLO CELULAR En el ciclo de la vida de la célula se distinguen dos fases: la de división (mitosis) y la de no división (interfase). La interfase, a su vez, se subdivide en tres fases: Fase de preduplicación o G1: es el periodo que transcurre desde la anterior mitosis hasta el comienzo de la duplicación del ADN. En esta fase la mayoría de las células realizan sus funciones específicas. Fase de síntesis o S: se produce la replicación del ADN, obteniéndose dos cromosomas hijos. Fase de postduplicación o G2: tiene lugar antes de la mitosis y en ella se completa la duplicación de los centríolos que comenzó durante la fase S. Las células que no se dividen se mantienen en un periodo G1 permanente denominado G0. Algunas células pueden pasar de un periodo G0 de nuevo al G1.
5 La duplicación del ADN va seguida de la mitosis que implica la división del citoplasma o citocinesis, originando dos células hijas con la misma dotación genética de la célula madre, al repartirse entre las dos el ADN original y su duplicación. Si tras la duplicación del ADN no se produce la división del citoplasma se originarán células binucleadas, y si vuelve a suceder, células multinucleadas denominadas plasmodios. Si la duplicación del ADN no va seguida de mitosis, el núcleo contendrá el doble de ADN que el de una célula normal y si vuelve a suceder se irá duplicando la cantidad, obteniéndose células poliploides. Control del ciclo celular El control del inicio y final de las actividades de cada fase del ciclo celular está regulado por un conjunto de proteínas que actúan en asociación: ciclinas y quinasas dependientes de ciclinas. La unión de éstas desencadena los procesos celulares que regulan las fases del ciclo y en ella interviene otros factores como factores de crecimiento, replicación del ADN, tamafio celular, temperatura, contacto, etc. Esto es importante sobre todo en oncología para comprender las causas que hacen que células que no se dividen entren de nuevo en la fase G1 y comiencen a dividirse transformándose en células tumorales. DIVISION CELULAR La mitosis es el proceso de división de la mayoría de las células de los organismos celulares y permite la obtención de dos células hijas con la misma dotación (cantidad e información) genética. Esto se consigue gracias a la duplicación del ADN en el periodo S previo a la división. La meiosis es el proceso de división celular que origina los gametos y permite obtener células con diferente dotación genética (haploides, la mitad de la cantidad de ADN, y con diferente información genética por cambios en el ADN). Este hecho permite la reproducción sexual de los organismos superiores, ya que al fusionarse los gametos darán lugar al cigoto, ya con la misma cantidad de ADN, pero con una información específica, que al dividirse posteriormente por mitosis permite la aparición de individuos con una dotación genética diferente en información a la de
sus progenitores.
Durante la división suceden una serie de cambios en el nucleo que hacen que su aspecto sea distinto al de la interfase, los más importantes son: la desaparición del nucléolo, condensación máxima de la cromatina, que dará lugar a la aparición de los cromosomas, y la pérdida de la envoltura nuclear. Los cromosomas se corresponden con la cromatina nuclear en su fase máxima de plegamiento que tiene lugar durante la mitosis. Como esto ocurre después de la duplicación del ADN en la fase S, cada cromosoma está formado por la fibra de ADN original y su copia procedente de la duplicación, que quedan juntos. A cada una de las fibras se le conoce como cromátida, ambas cromátidas se unen en un punto denominado centrómero donde cada cromátida se estrangula, por lo que parece tener dos brazos. Según su posición dará lugar a cromosomas con brazos iguales o no. El número de cromosomas de las células de los organismos superiores es constante en forma y número. Se denomina diploide (2n) porque los cromosomas se agrupan por parejas en las que ambos cromosomas son prácticamente iguales (homólogos), uno procedente del gameto masculino y otro del femenino que originaron el cigoto. Esta dotación cromosómica característica de las células de cada individuo se denomina cariotipo. Los cromosomas sólo se ven bien individualizados durante la mitosis, ya que en interfase las fibras de ADN y las histonas, más o menos desespirilizadas, forman la marafia que constituye la cromatina. MITOSIS Las fases que tienen lugar durante la división mitótica son las siguientes: profase, prometafase, anafase, telofase y citocinesis. -Profase: se produce la condensación de la cromatina, desaparece el nucléolo, los centríolos migran a cada uno de los polos de la célula y aparecen las fibras (microtúbulos) del huso acromático, que se extienden entre ambos centríolos. -Prometafase: en esta fase desaparece la envuelta nuclear, el huso acromático se extiende de un polo a otro y sus microtúbulos se unen los cromosomas a nivel de los cinetocoros, situados a ambos lados del centrómero, de manera que cada cromátida queda unida a un polo diferente. 6
7 -Metafase: en esta fase la condensación de los cromosomas es máxima, y por las tensiones de los microtúbulos, los centrómeros quedan en el ecuador ordenándose los cromosomas en el centro de la célula (placa ecuatorial). -Anafase: se produce la separación de las cromátidas, que migran hacia los polos unidas a las fibras del huso y se produce un surco en la membrana celular. -Telofase: se produce la reconstrucción de la envoltura nuclear, hay descondensación de los cromosomas, aparece el nucléolo y se inicia la separación del citoplasma. -Citocinesis: es la división del citoplasma. MEIOSIS Implica dos divisiones sucesivas: meiosis I y meiosis II. Durante la profase de la meiosis I se produce el intercambio de información entre las cromátidas de los cromosomas homólogos y al final, a cada célula hija va uno de los cromosomas de cada par. En la meiosis II se reparten las cromátidas de cada uno de los cromosomas. Así, de una célula diploide se originan cuatro haploides con distinta información genética en cada cromosoma. Meiosis I: tiene una profase muy larga que se divide en leptotene, cigotene, paquitene, diplotene y diacinesis. Preleptotene: los cromosomas se muestran como filamentos delgados. En el núcleo se ven como manchas hipercromáticas que se corresponden con los cromosomas sexuales. Leptotene: se inicia la condensación cromosomas, que se ven largos y delgados que en la mitosis, con las cromátidas muy unidas. Cigotene: se produce la unión de pares homólogos de cromosomas (sinapsis) en determinados puntos de su recorrido y lo hacen en los denominados complejos sinaptonémicos
8 Paquitene: se produce la formación de las tetradas al diferenciarse las cromátidas. Hay entrecruzamiento entre homólogos, cuyos de puntos de unión se denominan quiasmas. Diplotene: se inicia la separación de los cromosomas homólogos, sitien todavía se encuentran unidos por los quiasmas. Dictiotene: Se presenta en la ovogénesis yh va desde el periodo embrionario hasta la maduración de los óvulos después de la pubertad. Aparecen los cromosomas más laxos (cromosomas plumosos) Diacinesis: hay duplicación de centríolos, aparición del huso, desaparición de nucléolos y de la envuelta nuclear. Posteriormente tienen lugar la prometafase, metafase, anafase (en la que lo que se separan no son las cromátidas de cada cromosoma, sino cada uno de los cromosomas homólogos), telofase y citocinesis. Meiosis II: las dos células originadas de la división anterior se dividen por mitosis separándose ahora cada una de las cromátidas de cada cromosoma durante la anafase. Ya que en esta fase no se produce la replicación del ADN.