El núcleo es una estructura englobada en los sistemas de
endomembrana. Se separa de una forma muy efectiva, pero no hermética. A través
de la doble membrana del núcleo existe un paso muy selectivo de sustancias.
Pudo formarse por una invaginación de la membrana de una
célula procariota. En estas, habitualmente, los cromosomas están enlazadas a la
membrana plasmática. También hay ribosomas enganchados a la membrana,
fundamentalmente para facilitar la lectura.
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| Formación del núcleo eucariota en procariotas. |
La membrana nuclear no está totalmente cerrada, posee
lugares de contacto directo con el citoplasma denominados poros nucleares.
Analicemos ahora las ventajas de poseer núcleo. Se relaciona
con el sistema interno de ocmpartimentos y con el citoesqueleto. Los
procariotas carecen de compartimentos. En los eucariotas hay sistemas de
endomembrana, que facilitan que haya reacciones separadas, controlando el gasto
de energía. En el caso del núcleo, este se aisla y se separan las estructuras y
sustancias necesarias en los núcleo con aquellas que no hacen falta en el
núcleo pero que son imprescindibles en el citoplasma. Además, en el núcleo se
procesan datos. En los procariotas, cuando se traduce un gen, aun no ha acabado
de traducirse cuando ya se están fabricando y formando las proteínas a partir
del ARN en formación. La información extraída es la que se usa.
En el caso de los eucariotas, la información se procesa.
Primero se forma el ARNm, que no se sintetiza en el núcleo. En el núcleo hay
prerribosomas, que no son funcionales. Hasta que no sale al citoplasma, el ARNm
no se traduce. Y hasta que sale al citoplasma, puede sufrir modificaciones. Por
ejemplo, puede ser troceado en fragmentos más pequeños y que cada trozo
fragmentado de lugar a una proteína diferente. Con un gen pueden ser fabricadas
varias proteínas diferentes.
También hay una relación con el citoesqueleto. Debemos tener
en cuenta que en procariotas no hay citoesqueleto. El citoesqueleto de los
procariotas rodea al núcleo e incluso hay citoesqueleto en el interior del
núcleo.
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| Célula eucariota con núcleo y nucleolo. |
La célula se mueve gracias a la acción del citoesqueleto. Se
estira o encoge por movimientos en este cableado. El el ADN se enontrase
anclado al citoesqueleto, dentro del citoplasma, los cambios de conformación
prodrían romperlo, ya que es una molécula frágil. Al encontrarse en el interior
del núcleo, se encuentra protegido.
La morfologíaa del núcleo es muy variada. Hay grandes
variaciones en la forma, tamaño y grado de condensación de la cromatina.
Tenderá a adoptar una mofología termodinámicamente estable. En muchos tipos
celulares aparece con forma esferoidal. Si lo miramos con microscopía
electrónica vemos que son más complicados de lo que parecen a escala fotónica.
No existen núcleos de morfología realmente redondeada, presentan entrantes y
salitres, en ocasiones de gran tamaño. Estos entrantes y salientes hacen que en
ocasiones podamos ver orgánulos dentro de esos entrantes que, por efecto del
corte, den sensación de estar dentro del núcleo (si hiciésemos cortes seriados,
veríamos que está fuera del núcleo y que realmente se trata de un entrante del
citoplasma en el núcleo).
Los núcleos pueden aparecer redondeados, alargados e incluso
lobulados, con lo que da la sensación de existir subnúcleos (por efecto de
corte, puede dar la sensación de que una célula tiene varios núcleos). Esto
último es característico, por ejemplo, de los neutrófilos. El núcleo alargado
es característico de las céulas musculares.
El tamaño del núcleo, como indicábamos, también es muy
variable. En diferentes tipos de células hay distintos tipos de genes activos,
por ejemplo, por lo cual es normal que tengan diferente tamaño y forma. En
individuos de diferentes especies habrá variaciones de la cantidad de ADN. En
dos células distintas de un mismo organismo, habrá diferencia de condensación.
En algunas células, además, se duplica la cantidad de cromosomas (en humanos,
84 en lugar de 42) o se pierde ADN (ocurre en algunos organimos inferiores).
La variación de condensación es la causa más frecuente de la
variación de tamaño del núcleo. La cromatina podrá estar formada en dos
estadíos, eucromatina y heterocromatina. La eucromatina no se tiñe, mientras
que la heterocromatina sí. Además, en microscopía electrónica la
heterocromatina aparece con mayor electrondensidad.
Cuando se extrae información de un grupo de genes, el ADN
debe estar expandido, encontrándose en forma de eucromatina. Cuando no se está
extrayendo información, estará condensado gracias a la acción de ciertas
proteínas (formando heterocromatina).
Esto afecta al tamaño del núcleo. Si el núcleo está en una
célula muy activa, se estará extrayendo mucha información del núcleo con lo que
habrá mucha heterocromatina. Esto acarrea que el ADN esté más desplegado e
implicará un núcleo de mayor tamaño. Ocurre, por ejemplo, en las neuronas.
En el caso de los linfocitos, cuadno están en reposo, tienen
un núcleo con el ADN muy condensado y con mucha heterocromatina. Se tiñe mucho
y tiene un núcleo de un tamaño relativamente pequeño.
En el núcleo encontramos varias estructuras importantes. Se
habla de la membrana nuclear, que lo aisla, del nucleoplasma, es decir, la
parte interior del núcleo, una estructura más densa del núcleo denominado
nucleolo y otras estructuras especiales denominadas esplicesoma.
Membrana nuclear.
La membrana nuclear es la encargada de aislar el contenido
del núcleo. Se trata de una doble membrana, con la estructura general de una
membrana biológica. Hay diferencias entre la cara externa y la interna de esta
membrana. La externa es muy similar a la del retículo endoplasmático rugoso,
con la que se continúa, apareciendo incluso ribosomas adheridos a su superficie
(sobre todo en las zonas próximas al retículo).
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| Membrana nuclear con poro nuclear. |
Esta membrana presenta una serie de zonas donde la membrana
externa e interna se comunican, formando poros que permiten el intercambio de
información entre el exterior y el interior del núcleo. Este sistema de
comunicación está compuesto por el poro, es decir, el hueco y un componente
protéico asociado a dicho poro.
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| Poro nuclear. |
El número de poros nucleares es variable. Son más frecuentes
en los núcleos de alta actividad. Se pueden extraer complejos de poro (es
decir, trozos de membrana nuclear con poros) para realizar un estudio de sus
propiedades. Gracias a esto se sabe que la estructura del componente protéico
asociado al núcleo es ortogonal, es decir, está formado por ocho proteínas
alrededor del núcleo.
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| Corte transversal del poro nuclear. |
El material electrondenso d ela zona central del poro parece
ser material que está atravesando el poro, acúmulos de nucleoproteínas.
Estos complejos de poro, constituidos por proteínas, están
en relación con componentes asociados a la membrana nuclear interna, la lámina
nuclear. Ya mencionamos algo al respecto cuando tratamos las lamininas en el
citoesqueleto. No es visible en todas las preparaciones, resultando una
estructura bastante difícil de observar. En ocasiones su grosor es mucho mayor
que el de la membrana nuclear, en otras ocasiones apenas aparece o posee un
espesor muy fino.
En la zona donde aparece un poro suele aparecer eucromatina.
Da la sensación de que la zona posee una cromatina menos densa para dejar pasar
las sustancias con mayor facilidad, a modo de pasillos poco electrondensos.
La unión entre las láminas y las proteínas es muy fuerte,
mucho más fuerte que la unión con la membrana. Se puede lograr una extracción
en la que por un lado tenemos la membrana nuclear y por otro las laminas y las
proteínas del poro nuclear.
La membrana del núcleo aparece y desaparece con cierta
frecuencia, ya que salvo células muy especializadas todas las células de
dividen y durante la división celular la membrana nuclear debe ser degradada.
Los componentes de la láminina pueden esatr fosforilados o
desfosforilados. Cuando se fosforila se desorganiza, forma dímeros y trímeros.
En cambio, cuando se desfosforila se vuelven a unir para formar la lámina.
El complejo del poro supone un paso muy pequeño. Sin
embargo, a través de el pueden pasar grandes proteínas. Por otro lado, el poro
tiene un sistema de control del paso, siendo impermeable para muchas moléculas
de pequeño tamaño. Hay una proteína en el núcleo que, cuando es extraída del
núcleo y situada en el citoplasma, observamos que rápidamente regresa al
núcleo. Se trata de una proteína en la que encontramos una zona de cabeza y una
zona de cola.
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| Poro del complejo nuclear. |
Cuando se separa la zona de cabeza y de cola, la zona de la
cabeza deja de pasar, mientras que la zona de la cola puede seguir pasando. Las
colas se pueden asociar a oro coloidal para realizar un marcaje y vemos su
capacidad de paso al núcleo.
Parece, por lo tanto, que las colas hacen de elemento guía,
consiguen pasar al interior del núcleo cosas a las que se asocien.
También se han identificado en virus la presencia de péptids
señal, muy pequeños, de unos ocho aminoácidos y ricos en lisina. Si se cambia
ese péptido señal, el virus es incapaz de llegar al núcleo, se bloquea en el
citoplasma.
Además, hay moléculas que nunca salen del núcleo, mientras
que otras entran y salen con relativa frecuencia. Todos estos procesos están
regulados. El poro hace un marcaje, una modulación del paso.
Se supone que las moléculas de gran tamaño adoptan
estructuas nuevas, se alargan, cambian su conformación para conseguir pasar a
través del poro.
Nucleolo.
El nucleolo puede observarse a microscopía óptica,
apareciendo como una zona muy teñida dentro del núcleo. Posee morfologíaa
esferoidal. Y en ocasiones no se visualiza, no son raros los núcleos que
aparecen muy teñidos y sin nucleolo aparente. Pueden también aparecer núcleos
con varios nucleolos, incluso con cientos de nucleolos.
Se trata de una especie de mancha denro del núcleo, con
morfología variable en función del tipo celular y que carece de membrana
aislante. Se divide en tres zonas, el centro fibrilar, la zona fibrilar y la
zona granular. Estas zonas no siempre son distinguibles, apareciendo más
claramente las diferenciadas las dos últimas y pudiendo aparecer asociadas las
dos primeras.
La zona granular recibe su nombre debido a las partículas
independientes que se observan en su interior. Presenta una morfologíaa variable
y en general bastante extraña. Es la expresión de la actividad que está
teniendo lugar en la zona del nucleolo.
El nucleolo es la zona del núcleo encargada de sintetizar el
ARN de los ribosomas. Concretamente tine lugar la síntesis del ARNr, su maduración
y el preensamblaje de los ribosomas.
El nuclolo es sencillamente la expresión de esta actividad.
En esa zona se encuentran concentrados los genes que codifican para el ARNr.
Son un grupo de genes un tanto peculiares. Para lograr una mayor amplificación
en la producción del ARNr encontraremos muchas copias del gen, que suelen estar
situadas secuencialmente con un espaciador intermedio. Resulta variable en
número de cromosomas implicados, encontrándose especies en las que todos los
genes de los ARNr se encuentran en un solo cromosoma y otras, como los
huumanos, en los que se encuentran distribuidos por diez cromosomas diferentes
(cinco cromosomas y sus cinco homólogos). A estas zonas de los cromosomas se
les denomina organizador nucleolar y adoptan una estructura característica,
acercándose entre si las zonas codificadoras y constituyendo el nucleolo.
Dada su naturaleza, es comprensible que el nucleolo pueda
aperecer y desaparecer en función de las circunstancias.
Los complejos protéicos tienen como fundón fabricar ARN a
partir del ADN y son fabricados secuencialmente. Primero se fabrica un ARN con
un coeficiente de condensación 45s. A partir del gen se van haciendo copias
sucesivas de forma continua, apareciendo una estructura en forma de árbol de navidad.
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| Formación de ARN en nucleolo. |
El ARN 45s no suele verse libre, sino unido a componentes
protéicos. Se visualiza como una estructura filamentosa y constituirá la zona
fibrilar del nucleolo.
Se lleva a cabo un preensamblaje de proteínas del ribosoma,
fabricadas en el citoplasma, con el ARN 45s. La aparición de proteínas en la
zona hace que aparezca una zona punteada, originando la zona granular del
nucleolo. Hay una zona de cromatina asociada al nucleolo.
Un ribosoma es una estructura mixta, con proteínas y ARN y
constituido por dos subunidades, una mayor y otra mayor, que se pueden separar.
Durane el ensamblaje tiene lugar este proceso de fabricación y unión.
En el nucleolo se fabrica por un lado la subunidad mayor y
por otro la subunidad menor. Según van madurando, no se permite que entren en
contacto. La subunidad pequeña madura primero y sale al citoplasma (alrededor
de una hora antes en la mayor parte de las céulas). En el citoplasma las dos
subuniades se unen y entonces el ribosoma ya será capaz de sintetizar
proteínas.
Si el ribosoma se ensamblara en el núcleo, haría que el ARN
se tradujese antes de tiempo, ya que necesita ser cortado y procesado. Durante
el proceso de maduración el ARN 45s es troceado, dando lugar a un ARN 28s, un
ARN 18s y un ARN 5,8s. Existe también un fragmento de ARN, el ARN 5s, que se fabrica en otra zona y
es indeendiente del ARN 45s.
Como decíamos, en el proceso de fabricación del ribosoma
intervienen una serie de proteínas. Estas son sfabricadas en el citoplasma,
fuera del núcleo y de forma independiente al nucleolo, llegando a éste, en el
núcleo, a travé s de los poros nucleares. Algunas proteínas se fabrican en el
citoplasma y pasan al núcleo a cumplir su función, volviendo a salir al
exterior, al citoplasma, una vez han concluido su trabajo.
Otras, en cambio, son protéinas intranucleares, que aunque
se fabrican en el citoplasma, pasan al interior del núcleo de donde no volverán
a salir. Constituyen, por ejemplo, los bloque enzimáticos que colaboran en el
procesado.
Las dos subunidades del ribosoma deben salir separadas en
espacio y tiempo y se unirán, espontáneamente, en el citoplasma, formando la
estructura ribosomal.
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| Formación de ribosomas. |
Espliceosoma.
Se trata de una estructura que pued detectarse en el núcleo
mediante una serie de técnicas de inmunocitoquímica, no siendo visible
normalmente ni a microscopía óptica ni a microscopía electrónica. Se trata de
una serie de estructuras, que apareceran marcadas mediante fluorescencia por
estas técnicas inmunocitoquímicas ya citadas. Se deben a que el ARNm se mantiene
un tiempo en el núcleo asociado a ribonucleoproteínas, estableciendose una
serie de estructuras a modo de islas dentro del núcleo.
Nucleoplasma.
El nucleoplasma está constituido por ADN y proteínas
asociadas. Cuando hablamos de proteínas asociadas, nos referimos a las
proteínas que colaboran en el plegamiento del ADN para formar la cromatina o
los cromosomas. Habrá otra serie de proteínas, no asociadas al ADN, que
cumplirán diversas funciones en el núcleo, como complejos enzimáticos
(transcriptasas, etc.).
Analizaremos la estructura de la cormatina. Es una de las
partes más ingratas de la microscopía. El núcleo interfásico, altamnte activo,
suele llamarse núcleo en reposo porque el ADN no está sufriendo ningún tipo de
plegamiento. Solo encontramos algunas zonas más electrondensas, pero no
corresponden a la realidad, la cromatina se encuentra en general asociada a
proteínas y empaquetada.
Las proteínas asociadas al ADN se clasifican en dos grandes
grupos, proteínas histónicas y proteínas no histónicas. Las primeras colaboran
en el empaquetamiento. Las segundas son las más abundantes.
Cuando el núcleo se dsnaturaliza suavemente encontramos una
hebra de un diámetro de unos 30nm. No es uniforme, cada cierto tiempo aparece
una estructura redondeada, morfología que le da su nombre, estructura en collar
de cuentas. Es una imagen artefactual, alterada. Normalmente el grosor sería de
unos 100nm. A las estructuras redondeadas se les denomina nucleosomas. Están
constituidas por ocho moléculas protéicas formadas por cuatro parejas (es
decir, 4x2). Se trata de proteínas histónicas. Hay dos ploques, las histonas H1
y las histonas H2A, H2B, H3 y H4. Las cuatro parejas de los nucleosomas son las
cuatro últimas (las H1 no aparecen en los nucleosomas). Se trata de una serie
de proteínas muy conservadas evolutivamente (por ejemplo, las H4 de un guisante
y la de una vaca solo difieren en un aminoácido).
El ADN está relacionado con el nucleosoma, de manera que da
varias vueltas alrededor de este.
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| Enrollamiento en nucleosoma. |
Parece ser que nunca se desenreda de los nucleosomas. Se
piensa que el nucleosoma reconoce algún tipo de secuencia específica. La
estructura de nucleosomas no es contínua, aparecen zonas enormes sin ningún
nucleosoma y en otras son más frecuentes. Se cree que las zonas sin nucleosomas
son oznas asociadas a proteínas de regulación génica.
No hay datos acerca de cómo se puede formar la fibra de
100nm de grosor, que es la fibra normal en los núcleos interfásicos. Pero
cuando se pasa d eun núcleo interfásico a un núcleo en división se produce un
cambio, se pasa de un núcleo formado por una estructura filamentosa a un núcleo
constituido por cromosomas. Los modelos que explican estos cambios son
postulados teóricos.
Los nucleosomas tenderán a ponerse en contacto unos con
otros, formando una estructura helicoidal, acortándose así los espacios. En
esta aproximación entre los nucleosomas es donde interviene la histona H1, que
no formaba parte de los nucleosomas.
En cierta medida, el modo de funcionamiento de la H1 puede
asemejarse a la de la hemoglobina: cuando se le unen histonas, va adquiriendo
más afinidad por el ADN.
Cuando se necesita extraer información del ADN, se retirarán
los nucleosomas de esa zona en el núcleo, explicándose así que puedan leerse
zonas de ADN de una forma controlada.
Para formar los cromosomas se requieren otros procesos de
empaquetamiento. El siguiente empaquetamiento supone la formación de bucles.
Una serie de proteínas cerrarían un lazo de ADN formando un lazo. Se trataría
de proteínas de unión específica al ADN. La fibra así formada tendría un grosor
de unos 300nm, todavía muy lejos del grosor de un cromosoma.
En el último grado de empqueamiento los conjuntos de fibras
se ascian entre si formando otro bucle más amplio. Y este grosor si se
aproximaría al grosor del cromosoma.
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| Enrollamiento para formar cromosomas. |
