Núcleo

El núcleo es el organelo más grande de la célula, en el se encuentra casi todo el acido desoxirribonucleico (ADN), los componentes para la síntesis de ácido ribonucleico (ARN), y en su nucleolo se ensamblan las subunidades ribosómicas. A grandes rasgos el núcleo alberga

·         La cromatina: Ósea el material genético de la célula

·         El nucleolo: Donde se forma el ARN ribosómico

·         El nucleoplasma: que contiene macromoléculas y partículas nucleares que participan en el mantenimiento de la célula

Estructura General del nucleo

En la mayoría de las veces el núcleo suele tener una forma esférica, y estar ubicado en el centro de la célula, pero en ocasiones su ubicación y forma suele ser distinta por lo que se han ideado las siguientes clasificaciones para el mismo:

·         Por su posición: En esta clasificación se divide en Polarizada o No Polarizada dependiendo si la célula se encuentra sobre una lamina basal o no. (cuando hablemos de epitelio trataremos más a detalle sobre la lámina basal)

Ø  Polarizada: Los núcleos que entran en está clasificación son aquellos cuyas células se encuentran fijas a una lámina basal, por lo que los núcleos pueden ser: Centrales si se ubican en el centro de la célula, Parabasales si se ubican fuera del centro, o Basales si se encuentran cercanos (casi pegados) a la lámina basal.

Ø  No Polarizada: Los núcleos que entran en esta clasificación son aquellos cuyas células no están fijas a una lámina basal, por lo que los núcleos pueden ser: Centrales si se ubican en el centro de la misma, Excéntrico si se encuentra fuera del centro o Periférico si se encuentra en la periferia de la célula cercano (casi pegado) a la membrana plasmática

·         Por la Forma del Núcleo: Este puede ser: Esférico como en la mayoría de las células, Ahusado (Aplastado), o Lobulado (Deforme)

Nucleos por su forma: 1 Defforme, 2 y4 Esferico, 3 Aplastado

·         Por el numero de núcleos: En este caso las células pueden ser Anucleada (Sin núcleo), Uninucleada (1 núcleo), Binucleada (2 núcleos), Multinucleada (Más de 2 núcleos)

Nucleos por numero: 1 Anucleadas, 2 Uninucleadas, 3 Binucleadas, 4 Multinucleadas

Envoltura Nuclear

El núcleo esta rodeado por la envoltura nuclear que está formada por dos membranas, la membrana nuclear interna y la membrana nuclear externa, ambas son paralelas concéntricas separadas entre si por un espacio denominado cisterna perinuclear. La envoltura nuclear está perforada por los poros nucleares que permiten la comunicación entre el citoplasma y el núcleo. En estos poros ambas membranas son continuas entre sí.

Membrana Nuclear Interna

Se encuentra en contacto directo con el contenido nuclear y con las laminas nucleares, que son una malla entrelazada de filamentos intermedios formada por laminas A, B_1, B_2, y C, las cuales están situadas en la periferia del nucleoplasma. Estas laminas ayudan a mantener el revestimiento de la membrana nuclear interna gracias a su unión a proteínas integrales de la membrana como los polipéptidos asociados a la lamina y la emerina. Ayudan en la organización y soporte de la bicapa lipídica de la membrana y la cromatina perinuclear, participan en la formación de complejos de poro nuclear y en el ensamblaje de vesículas para volver a formar la envoltura nuclear al finalizar la división celular (Proceso que dejaremos para otro momento).

Membrana Nuclear Externa

Contacta con el citoplasma y continua con el Retículo Endoplásmico Rugoso (del que se hablara en la siguiente entrada de este blog), Su superficie esta cubierta por una malla de filamentos intermedios, la vimetina, y ribosomas que producen proteínas destinadas a las membranas interna y externa.

Poros Nucleares

Los poros son interrupciones de la envoltura nuclear donde la membrana interna y externa se fusionan dando lugar a sitios donde el núcleo y el citoplasma se comunican. Gracias al microscopio electrónico se ha visto que el poro está rodeado por estructuras no membranosas que están incrustadas en su borde, las cuales forman el complejo de poro nuclear que regula de forma selectiva el paso a través del poro.

Poros Nucleares vistos con Microscopio Electrónico 

Complejos de Poro Nuclear

Están formados por proteínas conocidas como nucleoporinas acomodadas en tres estructuras en forma de anillo octagonal (anillo citoplasmático, anillo radial luminal y anillo nuclear) apilados uno encima de otro unidos entre sí por proteínas denominadas radiales, también el complejo tiene fibras citoplasmáticos, tapón central y cresta nuclear.

El Anillo Citoplasmático está compuesto por ocho subunidades que bordean la cara citoplasmática del poro, cada subunidad tiene un filamento citoplasmático, una proteína que se une a Ran (una proteína que se une al guanosin trifosfato (GTP)), La función de los filamentos citoplasmáticos es la de regular la entrada al núcleo moviendo sustratos a lo largo de su longitud hacia el centro del poro.

El Anillo Radial Luminal está formado por ocho subunidades que se proyectan hacia la luz del poro y la cisterna perinuclear, estas proteínas se unen a las glicoproteínas del complejo del poro nuclear. En el centro del anillo se encuentra el tapón central o transportador que se acopla a las proteínas radiales, no se conoce su función ya que no se sabe si es un tapón verdadero que limita la difusión a través del poro o si es solo una carga atrapada durante el tránsito en el poro.

El anillo nuclear es análogo al anillo citoplasmático, colabora con la exportación de varios tipos de ARN. En el anillo se encuentra la cresta nuclear que está suspendida del anillo y sobresale hacia el nucleoplasma y se deforma durante la exportación nuclear, unido a la cresta nuclear se encuentra el anillo distal.

Los poros nucleares tienen un tamaño lo suficientemente grande como para permitir el paso de cualquier sustancia por difusión simple, sin embargo, ese espacio en su mayoría es ocupado por los componentes del complejo de poro nuclear, quedando espacio únicamente para el paso para iones o moléculas pequeñas, por lo que las moléculas grandes se transportan por un proceso de transporte mediado por receptor. Algunos lugares de unión del complejo de poro nuclear deben reconocer secuencias señal de las moléculas que den ser transportadas.

El trafico bidireccional entre el núcleo y el citoplasma es mediado por un grupo de proteínas que contienen señales de localización nuclear (NLS) conocidas como importinas, y señales de exportación nuclear conocidas como exportinas (o PTAC por transportinas y proteínas fijadoras de Ran).

Las exportinas transportan moléculas del núcleo al citoplasma (ejemplo ARN), y las importinas hacen lo contrario al introducir moléculas del citoplasma al núcleo (ejemplo subunidades ribosómicas). El transporte de exportina y la Importina depende de un grupo de proteínas fijadoras de GTP llamadas Ran que junto a otras nucleoporinas facilitan la importación y exportación mediada por señales.

Funciones de RAN

Cromatina

El ADN representa el material genético de la célula se encuentra en el núcleo en forma de cromosomas, los cuales se encuentran desenrollados en forma de cromatina.  La cromatina es el complejo formado por ADN y proteínas que representa a los cromosomas sin enrollar, De acuerdo con la actividad transcripcional de la célula se puede encontrar condensada como heterocromatina o extendida como eucromatina. La Heterocromatina es una forma inactiva y condensada de la cromatina, mientras que la Eucromatina representa una forma activa cuando las moléculas del ADN se Transcriben a ARN.

Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos ADN y ARN son polinucleótidos que codifican la información genética usada para construir y mantener a los organismos vivos. El ADN bicatenario es usado para dirigir los procesos celulares. Las células convierten las instrucciones operativas del ADN en la secuencia de nucleótidos de las moléculas de ARN monocatenario. Las moléculas de ARN tienen múltiples funciones que incluyen la: síntesis de proteínas, regulación de la expresión genética (control de si se sintetiza un polipéptido específico y cuándo sucede) y protección contra los ácidos nucleicos introducidos en las infecciones virales.

ADN

EI ADN es un polímero de nucleótidos (un nucleótido es un compuesto químico por una base nitrogenada (Timina, Adenina, Guanina o Citosina), un azúcar y una molécula de ácido fosfórico) unidos covalentemente por medio de enlaces fosfodiéster 3'~ 5'. Los enlaces fosfodiéster unen el grupo 3'-hidroxilo de la desoxipentosa de un nucleótido al grupo 5'-hidroxilo de la desoxipentosa de un nucleótido adyacente a través de un grupo fosfato. La larga cadena, no ramificada, resultante tiene polaridad, con un extremo 5' (el extremo con el fosfato libre) y un extremo 3' (el extrema con el hidroxilo libre) que no están unidos a otros nucleótidos. El ADN puede ser monocatenario (es decir de una sola hebra como en los virus) o bicatenario formando dobles hélices (como en la mayoría de eucariotas) o estructuras lineales y circulares (Como en las bacterias).

Enlaces fosfodiester

La Doble Hélice y el Emparejamiento de Bases

En la doble hélice, las dos cadenas se enrollan alrededor de un eje común Llamado eje de simetría. Las cadenas están emparejadas de una manera antiparalela, es decir, el extremo 5' de una hebra esta emparejado con el extremo 3' de la otra hebra. En la hélice de ADN, el esqueleto hidrófilo de desoxirribosa-fosfato de cada cadena está en la parte externa de la molécula mientras que las bases hidrófobas están apiladas en la parte interna. Este acomodo es muy parecido a una escalera de caracol y crea dos surcos uno mayor y otro menor Estos surcos proporcionan acceso y posibilitan la unión de las proteínas reguladoras a sus secuencias de reconocimiento específicas a lo largo de la cadena del ADN.

Doble Helice

Correlación Clínica Ciertos antineoplásicos, como la dactinomicina (actinomicina D), ejercen su efecto citotóxico intercalándose en el surco estrecho de la doble hélice del ADN e interfiriendo así en la síntesis del ADN y del ARN

Las bases de una Hebra de ADN se emparejan con las de la otra a través de puentes de hidrogeno quedando siempre unida adenina con una timidina por 2 puentes de hidrogeno y una citosina con una guanina por 3 puentes de hidrogeno. De esta forma una hebra es complementaria con la otra siguiendo la ley de Chargaff que dice que la cantidad de adenina en las 2 hebras es proporcional a la de timidina.

Puentes de Hidrogeno y Emparejamiento de Bases

Replicación del ADN

Aunque este tema es abordado de forma más detallada por la biología molecular, aquí daremos un breve resumen para que el lector tenga una pequeña noción del proceso y comprenda mejor los siguientes temas, así mismo cabe aclarar que a pesar de que el proceso se rige por los mismos principios en eucariotas y procariotas, existen diferencias notables en cuanto a enzimas y ciertos pasos en el proceso. Dado que este blog está enfocado a tejidos humanos únicamente nos centraremos en el proceso de los eucariotas. Si el lector desea conocer el proceso en procariotas puede consultar cualquier libro o sitio dedicado a la biología molecular o la bioquímica.

El proceso comienza con el ensamblaje del complejo de replicación de preiniciación (preRC). El ensamblaje del preRC comienza cuando el complejo de origen de replicación (ORC) recluta a MCM una enzima con función de helicasa, es decir que rompe los puentes de hidrogeno separando ambas hebras de ADN las cuales luego son estabilizadas por proteínas de replicación A (RPA) que evitan que las hebras se vuelvan a unir, de esta manera se forma la horquilla de replicación. Posteriormente la enzima ADN Pol α (O ADN Primasa para los cuates) inicia la formación de un ARN cebador y un pequeño fragmento de ADN de 10 a 20 nucleótidos de longitud que es complementario al de la cadena principal, después las enzimas ADN Pol δ y ADN Pol ε Continúan copiando la hebra. La replicación de una hebra se da en sentido 3'~ 5', y la otra en 5'~ 3'. Pero sin embargo las polimerasas solo pueden trabajar en sentido 3'~ 5', por lo que una de las hebras se forma de manera continua, por lo que es denominada cadena adelantada, en la que una sola ADN Pol ε copia toda la cadena de la horquilla, y otra de manera discontinua denominada cadena retrasada ya que varias ADN Pol δ copian la cadena en sentido 3'~ 5' dejando espacios denominados fragmentos de Okazaki. Finalmente, las Enzimas FEN1 Dna2 retiran los cebadores para que luego estos huecos sean llenados por enzimas ADN Ligasas dando como resultado 2 ADN bicatenarios de doble hebra.

Alginas cosas que se deben tomar en cuenta es que la replicación es semiconservativa, eso quiere decir que cada nuevo ADN resultado de la replicación tiene una hebra de la molécula original de ADN, y que el proceso se realiza en varias horquillas de replicación a lo largo de la doble hélice que después se juntan.

Organización del ADN Eucariota

La longitud del ADN de una sola célula humana seria mas de 1 metro por lo que este tiene que compactarse demasiado para poder entrar en un núcleo celular para ello el ADN se une a una serie de proteínas llamadas histonas que son proteínas que a un pH fisiológico tienen carga positiva debido a su contenido de lisina y arginina que se unen bien al ADN con carga negativa. Existen varios tipos de histonas que son H1, H2A, H2B, H3 y H4. Las histonas y el ADN se unen entre si para formar una estructura llamada nucleosoma, compuesta por un núcleo de 2 histonas de cada tipo excepto de H1, y ADN, a su vez los nucleosomas están unidos entre si por ADN conector unido a la histona H1. Varios nucleosomas forman polinucleosomas que adopta una forma en espiral denominada fibra. La fibra se encuentra en bucles anclados por varias proteínas que en conjunto darán lugar a los cromosomas el nivel de compactación máximo del ADN.

Nucleosoma

Organización del genoma eucariota

El numero de cromosomas de cada célula depende de la especie, en el ser humano por ejemplo son 46 o 23 pares de los cuales un miembro de cada par deriva de la madre y el otro del padre. 22 de los 23 pare son denominados autosomas y el par restante es denominado sexual ya que define el sexo del individuo desde la concepción. Las mujeres poseen 2 cromosomas X mientras que el hombre 1 X y 1 Y.

ARN

Al igual que el ADN el ARN es un polímero de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster, pero con diferencias en su estructura y su función. En primer lugar, el ARN es mas pequeño que el ADN, sus nucleótidos tienen ribosa en lugar de desoxirribosa, el ARN en comparación con el ADN solo es monocatenario, capaz de plegarse y formar estructuras, y su diferencia más notoria es su carencia de timina, que es remplazada en su lugar por uracilo como base nitrogenada. Existen 3 tipos distintos de ARN que son:

·         ARN Ribosómico (ARNr): El cual se asocia con varias proteínas para formar los ribosomas (De los que hablaremos en la siguiente entrada de este blog). Para las células eucariotas existen cuatro tipos 28S, 5.8S y 5S que forman la subunidad grande y 18S que forma la subunidad pequeña. (S por coeficiente de sedimentación de Svedberg)

·         ARN de Transferencia (ARNt): son los responsables de aportar los aminoácidos durante la síntesis de proteínas, por lo que existe uno especifico para cada uno de los aminoácidos.

·         ARN Mensajero (ARNm): Transporta la información genética del ADN nuclear al ribosoma donde sirve como un molde para la síntesis de proteínas. Además de las regiones codificantes posee en el extremo 5´ una caperuza de metil guanosina y en el 3´ una cola de Poliadenilato o Poli A que evita la degradación del mismo por nucleasas al salir al citoplasma.

Síntesis de ARN o Transcripción

El proceso en el cual se produce una hebra de ARN a partir de una de las hebras del ADN de doble hélice se le conoce como transcripción. El producto es enviado al ribosoma para ser codificado en una proteína. Al igual que en la Replicación del ADN este tema es tratado a detalle por la biología molecular por lo que aquí solo se hará una breve explicación, al ser diferente el proceso en eucariotas y procariotas y al ser este un blog enfocado a tejidos humanos nos centraremos en el proceso de los eucariotas. Si el lector desea conocer más detalles o el proceso en procariotas puede hacerlo en cualquier libro de biología molecular o bioquímica.

El ADN que será transcrito se encuentra en la eucromatina y los que no serán transcritos son parte de la heterocromatina, el cambio de la heterocromatina a la eucromatina es la remodelación de la cromatina. Para ello el ADN debe separarse de las histonas a través de la acetilación de sus lisinas por la enzima histona acetiltransferasa (HAT) y la vuelta a la normalidad se da al retirar el acetilo por la histona desacetilasa (HDAC).

La primer fase es denominada INICIACIÖN. La enzima ARN Pol II es la enzima clave para la síntesis del ARNm a partir de una hebra de ADN, pero para ello requiere la intervención de factores de transcripción para acercar a la ADN Pol II a una secuencia promotora denominada Caja TATA. Dichos factores de transcripción son TFIID que reconoce a la caja TATA y se une a ella, TFIIF que acerca a la ADN Pol II a la caja TATA y el TFIIH que cumple una función de helicasa para desenrollar el ADN. Además de la ARN Pol II, otras polimerasas son la ARN Pol I que sintetiza el ARNr, y la ARN Pol III que sintetiza el ARNt.

La siguiente fase la denomina ELONGACIÖN.  En está fase la ARN Pol II lleva a cabo su trabajo copiando una hebra de ADN en ARN, En el caso de los ARNm las ribonucleasas lo parten en varios ARN de varios tamaños y luego modificados por exonucleasas, para los ARNt se eliminan secuencias de ambos extremos, y se añade una CCA por la nucleotidiltransferasa, y para el ARNm se añade la cola de poli A y la Caperuza CAP.

En el ultimo paso MADURACIÖN, El ARN es eliminado de intrones, es decir regiones transcritas de ADN que no codificaran proteínas, conservando únicamente los exones, que son los transcritos que si codificaran proteínas y estos son empalmados entre si por corte y empalme.

Nucleoplasma

El nucleoplasma es una sustancia que rodea a los cromosomas y el nucleolo compuesta por gránulos de intercromatina, pericromatina, ribonucleoproteínas (RNP) y la matriz nuclear.

Los granos de intercromatina tienen RNP y varias enzimas como ATPasas, GTPasas, NAD pirofosfatasas entre otras, aunque su función aun no es clara. Los granulos de pericromatina tienen particulas de ribonucleoproteínas nucleares pequeñas (snRNP), de las cuales aun no se sabe su función. La matriz por otra parte posee la mayor parte del ADN y ARN y RNP residuales.

Nucléolo

Es una estructura nuclear no delimitada por membrana alguna, se encarga de la síntesis del ARNr y el ensamblaje de las subunidades ribosómicas. Se le han descrito 4 regiones que son.

·         Centro Fibrilar: Que contienen ADN inactivo

·         Parte Fibrilar: Donde se transcribe ADN en ARNr

·         Parte Granulosa: Donde se ensamblan los ribosomas

·         Matriz Nucleolar: Una red de fibras que mantienen al nucléolo

          

En conclusión, el núcleo es una estructura importante para la célula, ya que además de almacenar la información genética lleva acabo los primeros pasos en el procesamiento y trasmisión de la misma como lo es la replicación y transcripción, pero está historia aún no acaba ya que falta la ultima parte del proceso llamada traducción, pero por hoy ya fue demasiado así que lo dejaremos para otro día. Así que no te pierdas nuestra próxima entrada donde hablaremos de los Ribosomas y El Retículo Endoplásmico Rugoso y por supuesto la traducción.


Fuentes

Gartner, L., 2017. Texto De Histología Atlas A Color. 4th ed. Barcelona: Elsevier

Harvey, R., Ferrier, D. Palacios Martínez, R., 2011. Bioquímica. 5th ed. Philadelphia: Wolters Kluwer /Lippincot Williams & Wilkins.

McKee, T., McKee, J., Araiza Martínez, M. and Hurtado Chong, A., 2014. Bioquímica. Las Bases Moleculares De La Vida. 5th ed. México ; Madrid: McGraw-Hill Interamericana.