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07. NÚCLEO CELULAR
La vida de los organismos depende de la capacidad de las células para almacenar, recuperar, traducir y transmitir las instrucciones genéticas que se necesitan para construir y mantener el organismo vivo.
Estas instrucciones se almacenan en los genes que, en las células eucarióticas, se encuentran en el interior de un compartimiento intracelular denominado núcleo.
El núcleo varía mucho de unas células a otras, desde su forma, a que haya varios como en los osteoclastos y células musculares, que estén en estado interfásico o en mitosis etc. Incluso hay células sin núcleo celular, los eritrocitos.
El núcleo está rodeado por la envuelta nuclear, formada por dos membranas concéntricas (externa e interna), sostenida por la lámina nuclear de filamentos intermedios. Dentro del propio núcleo podemos distinguir varias subestructuras: el nucléolo, los cuerpos de Cajal, los GEMs y los gránulos de intercromatina. Todos estos orgánulos están constituidos por proteínas y moléculas de ARN.
ENVOLTURA NUCLEAR
La envuelta nuclear se encarga de separar el interior del núcleo y el citoplasma celular. Consta de dos membranas concéntricas (externa e interna), relacionadas entre sí por complejos de poro cuya principal función es mantener un transporte bidireccional con el citoplasma de la célula y el núcleo.
La composición proteica de estas dos membranas es diferente: la interna posee proteínas que la anclan a la lámina nuclear, formada por los FI, y la cromatina.
La membrana nuclear externa es continua con la membrana del retículo endoplásmico rugoso (RE), y, como ella, posee también ribosomas asociados. El espacio que se encuentra entre las dos membranas, denominado espacio perinuclear, se continúa asimismo con el lumen del RE.
Hay dos tipos de cromatina, la eucromatina muy poco densa que transcribe a RNA, y la heterocromatina
muy densa que no transcribe a RNA. Cuanta más eucromatina hay en un núcleo más actividad transcriptora
tiene. Desde el desarrollo embrionario en adelante, la heterocromatina de los núcleos va aumentando a medida
que las células se especializan ya que hay zonas de esta cromatina que no es necesaria para la función de la
célula. Por lo tanto esas zonas se hacen más densas impidiendo la transcripción.
Complejo de poro (NPC). Los NPCs son una serie de perforaciones presentes en la envuelta nuclear, formadas por varias subunidades proteicas denominadas nucleoporinas dispuestas con simetría octogonal. Se encargan de mantener entre el núcleo y el citosol un transporte continuo bidireccional. Cuantos más poros hay en el núcleo mayor es este transporte y por tanto mayor es su actividad de transcripción.
En los poros se distinguen diferentes estructuras: Un esqueleto formado por 4 anillos (citoplasmático, nucleoplásmico, del rayo interno y del rayo externo) y el Rayo. Una cesta nuclear hecha de 8 protofilamentos y un anillo final. Filamentos del citoplasma en la parte citosólica que son como pelos que interaccionan con el citoesqueleto y atraen las moléculas a transportar. Y un transportador central u obturador central por el que salen y entran las moléculas.
Las moléculas que sean del tamaño del obturador o menor pasan por el sin impedimentos, las de mayor tamaño que deben pasar al interior del núcleo lo atraviesan por mecanismos específicos.
Lámina nuclear. Es una malla que se encuentra por debajo de la membrana interna de la envuelta nuclear cuya función es sostenerla mecánicamente y proteger el material genético Está formada por las proteínas que forman los FI, las lamínas A, B y C, y proteínas transmembranales que unen la cromatina a la membrana interna.
En la mitosis la lámina nuclear debe romperse y permitir la salida del material genético. Un complejo cinasa dependiente de ciclina llamado CdK que fosforila las lamínas A, B y C y se disgrega la envoltura nuclear. Tras la profase una fosfatasa desfosforilan las lamínas que en un principio forman pequeños fragmentos que rodean los cromosomas y fusionan en la telofase tardía, forman de nuevo la envuelta nuclear.
TRANSPORTE REGULADO
El núcleo es capaz de importar y exportar moléculas de forma selectiva, para lo cual son necesarias varias proteínas , con distintas funciones, que las transporten activamente a través de los NPCs.
Señales de localización celular. Son como “etiquetas” que llevan las proteínas que se van a transportar. Pueden ser NLS para la importación o NES para la exportación.
Una misma proteína puede tener ambas señales, pues por ejemplo una transcriptasa debe entrar primero llevando la conformación que mostrara NLS, una vez termina su tarea cambia su estructura ocultando NLS y exponiendo NES para salir del núcleo. El cambio de un solo aa en cualquiera de las señales impide el transporte.
Receptores de importación nuclear. Son los encargados de reconocer las señales de localización en las proteínas. Se denominan Importinas y Exportinas, a veces es necesaria la intervención de proteínas adaptadoras para un correcto acoplamiento con la proteína a transportar.
Las Importinas estan formadas por una subunidad α y otra β. La subunidad α reconoce la secuencia NLS, mientras la subunidad β interacciona con las regiones FG de las nucleoporinas del NPC para así atravesarlo. Se desconoce el funcionamiento exacto de las Exportinas.
Ran-GTP y Ran-GDP. La proteína Ran pertenece a la misma familia que las proteínas Rho, es una proteína monomérica con actividad GTPasa que pueden tener unido GTP o GDP. Para que puedan transportar son necesarias la intervención de las proteínas GEF Y GAP. GEF que intercambia el GDP por GTP dentro del núcleo, y GAP que activa la GTPasa y pasa de GTP a GDP perdiendo un Pi en el citoplasma.
En conjunto todos estos elementos interactúan para la importación y exportación de proteínas desde el interior del núcleo celular.
Importación de proteínas al núcleo. Dentro del núcleo la Importina tiene una alta afinidad por RanGTP, al que se une y sale al citoplasma por el poro. Una vez en el citoplasma RanGAP la hidroliza a RanGDP, esto acaba con la afinidad de la importina y suelta Ran GDP para unirse a una proteína con NLS formando un complejo de carga.
El complejo y RanGDP atraviesan el poro de vuelta al núcleo de forma independiente, donde GEF transforma la RanGDP en RanGTP y vuele a tener afinidad con la importina. Así la proteína se suelta dentro del núcleo y la importina unida a RanGTP sale de nuevo reiniciándose el ciclo.
Exportación de proteínas desde el núcleo. La Exportina, que también tiene alta afinidad por RanGTP, se
une a RanGTP y a la proteína a exportar con una señal de localización NES formando un complejo de Carga en
el núcleoplasma. Si Exportina no se une a RanGTP no habrá el cambio conformacional necesario para unir la
proteína.
El complejo de carga se relaciona con las regiones FG de las nucleoporinas para atravesarlo. Una vez en el citoplasma GAP hidroliza el GTP acabando con la afinidad. El complejo de carga se deshace, dejando la proteína en el citoplasma y Exportina y RanGDP vuelven al nucleo por el poro. Dentro del núcleo GEF cambia la unidad GDP de Ran por una de GTP, que vuelve a ser afín a exportina y une otra proteína, renovando el ciclo.
Ambos transportes gastan energía.
El nucléolo no sólo se encarga de la síntesis del r-ARN y su unión para formar ribosomas, sino que también participa en la síntesis de otros ARN como el t-ARN ; también se ensamblan aquí complejos ARN-proteicos importantes como la telomerasa , una enzima cuya función es mantener la longitud de los telómeros de los cromosomas.
RIBOSOMAS
Los ribosomas son ribonucleoproteínas grandes cuya función es llevar a cabo la síntesis de proteínas. Los ribosomas se encuentran tanto en organismos eucariontes como procariontes: en procariontes, están formados por tres moléculas diferentes de ARN, y en eucariontes por cuatro. Además, todos ellos poseen numerosas proteínas asociadas.
Se organizan en dos subunidades diferenciadas por su tamaño y sus valores de velocidad de sedimentación en una ultracentrífuga: la subunidad grande , de 60S, y la subunidad pequeña , de 40S. Aunque se generen en el nucléolo y allí se produzca un ensamblaje parcial, realmente no se terminan de ensamblar hasta que son trasladadas al citoplasma. Si se ensamblasen totalmente en el nucleólo, no podrían atravesar los complejos de poro nucleares por su gran tamaño.
La subunidad pequeña únicamente contiene un tipo de molécula de ARN: el ARN 18-s. La subunidad grande contiene tres moléculas de ARN diferentes: el ARN 28-s , el ARN 5-s y el ARN 5.8-s.
Los snoRNA son pequeñas moleculas de RNA que ayudan en la maduración del pre-rRNA.
Tras la síntesis de los ribosomas en el nucleolo, salen al núcleo y de allí salen al citoplasma divididos en la subunidad menor y la subunidad mayor, ensamblando cuando hay RNA en el citosol.
La proteína telomerasa se queda en el núcleo ya que es allí donde desempeña su función.
CUERPOS DE CAJAL Y GEMS Y GRÁNULOS INTERCROMATÍNICOS
Al igual que el nucléolo, los cuerpos de cajal y GEMS carecen de membrana y son muy dinámicas. Están formados por proteínas asociadas a moléculas de ARN. Se parecen mucho entre sí, apareciendo apareados en el núcleo.
En ellos se sintetizan las moléculas de snRNA y snoRNA desde RNA, y se asocian a proteínas para formar snRNP y snoRNP, además se reciclan en estas subestructuras.
Los gránulos intercromatínicos, al contrario que los cuerpos de Cajal y los GEMs, se encargan del almaceniamiento del snRNA y el snoRNA. También están formados por proteínas y moléculas de ARN asociadas
Parece ser que estos dominios bioquímicos sólo se forman cuando la célula los precisa y, a través de sus fibras de proteínas y ARN, son capaces de concentrar altamente ciertas enzimas y moléculas de ARN que se precisan para algún proceso de particular (como, por ejemplo, el reciclaje de los snRNP o reparación de moléculas de ADN).
GENOMA EUCARIOTA
El ADN, o ácido desoxirribonucleico , está formado por dos largas cadenas de polinucleótidos compuestas por cuatro tipos de subunidades nucleotídicas. Cada una de estas cadenas se denomina cadena de ADN o hebra de ADN; ambas permanecen unidas por enlaces de puente de hidrógeno que se forman entre las bases de los nucleótidos.
En las células eucarióticas, como hemos visto, se encuentra fundamentalmente en el interior del núcleo celular.
La función principal del ADN es contener la información genética (los genes) que llevan la información necesaria para la síntesis de las proteínas y las moléculas de ARN necesarias para el funcionamiento del organismo.
En las células eucarióticas, el ADN se encuentra distribuido en un conjunto de diferentes cromosomas que se sitúan en el núcleo. Cada cromosoma consiste en una molécula de ADN lineal muy larga asociada con proteínas que la pliegan y compactan.
La función primordial de los cromosomas es acoger a los genes (unidades funcionales de la herencia) ; se
define típicamente un gen como un segmento de ADN funcional que contiene las instrucciones necesarias para
fabricar una determinada proteína (o un conjunto de ellas estrechamente relacionadas). Sin embargo, también
hay algunos genes que codifican ARN y otros que no codifican nada, sino que regulan al resto de genes.
En el genoma humano, el tamaño de los genes es muy grande de media y están formados por una secuencia de DNA reguladoras , exones, intrones, una parte codificante corta y otras partes entremedias no codificantes.
Los cromosomas tienen distintos grados de condensación a consecuencia de la eucromatina y la heterocromatina de la célula. Esta condensación genera bandas, conocidas como patrón de bandas de los cromosomas humanos. Cada patrón es exclusivo del cromosoma.
Un cromosoma se forma por genes y DNA “basura” que en realidad es fundamental en la expresión génica.
En este DNA hay diferentes tipos de secuencias:
- Repetidas
- Altamente repetitivas: DNA satélite
- DNA minisatélite
- DNA microsatélite
- Repeticiones moderadas: DNA codificante
- Transposones (DNA no codificante)
- SINEs (elementos intercalados cortos)
- LINEs (elementos intercalados largos)
- Elementos similares a retrovirus
- No repetidas o únicas
El DNA satélite está altamente repetido, y consta de un mínimo de 14 pares de bases, yendo a menos hasta
alcanzar el DNA microsatélite. Al ser un DNA muy repetido son como huellas dactilares.
Los transposones, SINEs, LINEs y Retroviral-like elements son elementos génicos móviles, muy importantes en la evolución ya que con sus saltos pueden producir mutaciones alterando la expresión de los genes.
Cromatina. Tradicionalmente, las proteínas que se unen al ADN para su empaquetamiento se clasifican en dos grupos: histonas y proteínas cromosómicas no histonas. El complejo formado por el ADN cromosómico y las dos clases de proteínas que lo empaquetan se denomina cromatina.
Cómo ya hemos visto, la cromatina puede ser eucromatina o heterocromatina, esta última puede ser de dos tipos. Constitutiva, aquella que corresponde a centrómeros, telómeros y orígenes de replicación. O Facultativa, aquella que aparece a lo largo de la vida; una célula madre tiene muy poca, ya que esta cromatina aumenta con la diferenciación.
Durante el período del ciclo celular en el que la célula no se está dividiendo, la cromatina se encuentra
extendida y en forma de maraña, de modo que no se pueden observar. Esta cromatina es interfásica, y es su
estado menos condensado.
Cualquier secuencia de DNA se puede enrollar sobre el octámero del nucleosoma, pero regiones ricas en A-T son más flexibles y se unen mejor a nucleosoma, ya que solo tienen 2 puentes de hidrógeno, que las hace menos rígidas.
Los nucleosomas son temporales, desaparecen y desenrrollan el DNA para la expresión gracias a enzimas modificadoras y complejos remoduladores.
Regulación de la estructura cromosómica.
Complejo remodulador: Es un complejo de proteínas que se encarga de abrir ligeramente el enrrollamiento sobre los nucleosomas, permitiendo el acceso de otras proteínas al ADN, en especial las implicadas en la expresión génica, en la duplicación del ADN y en su reparación. Este proceso consume energía procedente de la hidrólisis de ATP.
Funcionan con un mecanismo cíclico, reorganizando los nucleosomas cuando el proceso metabólico termina.
Enzimas modificadoras: Estas enzimas provocan modificaciones covalentes de las colas de las histonas (metilaciones HMT, acetilaciones HAT, desmetilaciones HDMT, desacetilaciones HDAT etc), estas modificaciones tienen diferentes efectos según donde y cual sea la modificación.
Estas modificaciones son llamadas modificaciones epigenéticas. Hay alimentos que también producen modificaciones epigenéticas como el vino que evita las metilaciones que producen los tumores.
También son claves en el paso de eucromatina a heterocromatina, la eucromatina se encuentra Hiperacetilada e Hipometilada, mientras que la heterocromatina está Hipoacetilada e Hipermetilada.
REPLICACIÓN, REPARACIÓN Y RECOMBINACIÓN DNA
El proceso de replicación de ADN es el mecanismo que permite al DNA duplicarse, es decir, sintetizar una copia idéntica. Esta duplicación del material genético se produce de acuerdo con un mecanismo semiconservativo, lo que indica que las dos cadenas complementarias del DNA original, al separarse, sirven de molde cada una para la síntesis de una nueva cadena complementaria de la cadena molde, de forma que cada nueva doble hélice contiene una de las cadenas del DNA original.
Una vez actúan las proteínas que desempaquetaran el DNA de entorno a los nucleosomas, La molécula de ADN se abre como una cremallera por ruptura de los puentes de hidrógeno entre las bases complementarias en los orígenes de replicación. Las proteínas iniciadoras reconocen las secuencias de nucleótidos específicas en esos puntos y facilitan la fijación de otras proteínas que permitirán la separación de las dos hebras de ADN formándose una horquilla de replicación. Un gran número de enzimas y proteínas intervienen en el mecanismo molecular de la replicación, formando el llamado complejo de replicación.
- La helicasa rompe los puentes de hidrógeno de la doble hélice permitiendo el avance de la horquilla de replicación.
- La topoisomerasa impide que el ADN se enrede debido al superenrollamiento producido por la separación de la doble hélice.
- Las proteínas SSB se unen a la hebra discontínua de ADN, impidiendo que ésta se una consigo misma.
- La ADN polimerasa sintetiza la cadena complementaria de forma continua en la hebra adelantada y de forma discontinua en la hebra rezagada.
- La ADN primasa sintetiza el cebador de ARN necesario para la síntesis de la cadena complementaria a la cadena rezagada.
- La ADN ligasa une los fragmentos de Okazaki.
- Los cebadores son pequeñas unidades de RNA que se unen a los fragmentos para que la ADN polimerasa reconozca donde debe unirse.
La replicación se lleva a cabo bidireccionalmente, es decir, a partir de cada origen se sintetizan las dos cadenas en ambos sentidos. Siempre se produce en sentido 5' → 3', pero ya que las cadenas tienen que crecer
simultáneamente a pesar de que son antiparalelas (Cada cadena tiene el extremo 5' enfrentado con el extremo 3' de la otra cadena), una de las cadenas es sintetizada en dirección 3' → 5'.
La cadena que se sintetiza en el mismo sentido que avanza la horquilla de replicación se denomina hebra adelantada y se sintetiza de forma continua por la ADN polimerasa, mientras que la que se sintetiza en sentido contrario al avance se denomina hebra rezagada o retrasada, cuya síntesis se realiza de forma discontinua teniendo que esperar a que la horquilla de replicación avance para disponer de una cierta longitud de ADN molde y se puedan añadir los fragmentos de okazaki.
La enzima DNA pol, tiene actividad polimerasa muy importante durante la transcripción, pero además desempeñan una función correctora y reparadora gracias a su actividad exonucleasa 3', que les confiere la capacidad de degradar el ADN, teniendo 1 fallo cada 10^7 nucleótidos.
La actividad correctora y de reparación no son lo mismo. Sólo la ADN pol I y beta tienen actividad de reparación, en cambio todas las polimerasas tienen actividad correctora.
Esta capacidad de corrección y reparación es de vital importancia, ya que cualquier cambio en un nucleótido puede producir mutaciones que generen enfermedades, como por ejemplo la anemia falciforme es resultante de un único cambio en un nucleótido de la β-Hemoglobina, que hace los eritrocitos mucho más frágiles y de aspecto anormal.
Recombinación Homóloga Recombinación Homóloga en Meiosis
TRANSCRIPCIÓN
La transcripción del ADN es el proceso mediante el cual se transfiere la información contenida en la secuencia del ADN para la secuencia de una proteína utilizando diversos ARN como intermediarios. Durante la transcripción genética, las secuencias de ADN son copiadas a ARN mediante una enzima llamada ARN polimerasa que sintetiza un ARN mensajero que mantiene la información de la secuencia del ADN. De esta manera, la transcripción del ADN también podría llamarse síntesis del ARN mensajero.
Durante la transcripción se sintetiza una sola hebra de RNA, y no se queda pegada a la hebra leída. Las enzimas que intervienen en este proceso son las ARN polimerasas.
No se copia todo el fragmento de DNA, sino que solo se copian determinadas zonas y puede haber muchas copias del mismo fragmento.
La transcripción de las copias se inicia en determinadas zonas, conocidas como secuencias promotor.
Hay varios tipos de RNA que se sintetiza a partir de este ADN y que tiene diferentes funciones, como puede ser:
- mRNA: Responsable de la codificación de proteínas.
- rRna: Forma parte del núcleo de los ribosomas, y cataliza la síntesis de proteínas.
