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Apuntes biología celular aplicada., Apuntes de Biología Celular

Apuntes biología celular aplicada año 2023, cuarto curso.

Tipo: Apuntes

2022/2023

Subido el 09/10/2023

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NÚCLEO CELULAR
El núcleo celular es el orgánulo más prominente de la célula eucariota formado por una estructura que
lo separa del citoplasma. En su interior encontramos la cromatina y el nucléolo.
Una célula normalmente contiene un núcleo, pero hay células que contienen un número distinto de
núcleos o incluso no tenerlos:
Eritrocitos: no tienen núcleo (lo expulsan), lo que condiciona su modo de vida al no poder
replicarse, ni estar sujeto a fenómenos de expresión génica (transcripción) y no puede dividirse
(muero en pocos días, unos 90 días de vida).
Células musculares: contienen más de un núcleo; son núcleos aplanados y en la periferia de la
célula. Son células que se van fusionando entre ellas y así contienen más de un núcleo.
Osteoclastos (células óseas): son células muy grandes y con varios núcleos, que se generan por
la división del núcleo, pero no del citoplasma (no citocinesis).
La presencia de núcleo tiene diferentes consecuencias para la célula:
Acumulación de mayor cantidad de material genético compartimentalizado, protegiéndolo de
agentes químico, físicos y biológicos.
La regulación de la expresión génica es mejor debido a esa separación física de los procesos de
transcripción y traducción, donde entre ellos ocurren procesos de modificación del ARN
(provoca más posibilidades de expresión génica).
Factores estructurales topológicos dentro del núcleo que introducen factores de regulación de
la transcripción denominados factorías de transcripción.
El ADN dentro del núcleo se organiza en forma de cromatina (ADN + histonas + proteínas no histónicas
que se asocian al ADN para activarlo o silenciarlo en el proceso de la transcripción). La cromatina puede
ser eucromatina o heterocromatina, cuyos cromosomas se encuentran en territorios cromosómicos
según la función que cumplan.
CONCEPTOS BÁSICOS DE ORGANIZACIÓN Y FUNCIONES DEL NÚCLEO
El núcleo está delimitado por una estructura membranosa, con el
nucleolo como estructura más prominente, además de la cromatina.
1. Envoltura nuclear.
2. Interior del núcleo.
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NÚCLEO CELULAR

El núcleo celular es el orgánulo más prominente de la célula eucariota formado por una estructura que lo separa del citoplasma. En su interior encontramos la cromatina y el nucléolo. Una célula normalmente contiene un núcleo , pero hay células que contienen un número distinto de núcleos o incluso no tenerlos:  Eritrocitos : no tienen núcleo (lo expulsan), lo que condiciona su modo de vida al no poder replicarse, ni estar sujeto a fenómenos de expresión génica (transcripción) y no puede dividirse (muero en pocos días, unos 90 días de vida).  Células musculares: contienen más de un núcleo; son núcleos aplanados y en la periferia de la célula. Son células que se van fusionando entre ellas y así contienen más de un núcleo.  Osteoclastos (células óseas): son células muy grandes y con varios núcleos, que se generan por la división del núcleo, pero no del citoplasma (no citocinesis). La presencia de núcleo tiene diferentes consecuencias para la célula:  Acumulación de mayor cantidad de material genético compartimentalizado, protegiéndolo de agentes químico, físicos y biológicos.  La regulación de la expresión génica es mejor debido a esa separación física de los procesos de transcripción y traducción, donde entre ellos ocurren procesos de modificación del ARN (provoca más posibilidades de expresión génica).  Factores estructurales topológicos dentro del núcleo que introducen factores de regulación de la transcripción denominados factorías de transcripción. El ADN dentro del núcleo se organiza en forma de cromatina (ADN + histonas + proteínas no histónicas que se asocian al ADN para activarlo o silenciarlo en el proceso de la transcripción). La cromatina puede ser eucromatina o heterocromatina , cuyos cromosomas se encuentran en territorios cromosómicos según la función que cumplan. CONCEPTOS BÁSICOS DE ORGANIZACIÓN Y FUNCIONES DEL NÚCLEO El núcleo está delimitado por una estructura membranosa, con el nucleolo como estructura más prominente, además de la cromatina.

**1. Envoltura nuclear.

  1. Interior del núcleo.**

ENVOLTURA NUCLEAR

Es un sistema de doble membrana conectado al RER, con poros nucleares y la lámina nuclear. Está compuesta por:  Membrana nuclear interna (MNI): está en contacto con la cromatina. No contiene ribosomas (en el interior del núcleo no hay), por tanto, se la relaciona con los procesos que ocurren dentro del núcleo. Con funciones distintas a las que ocurren en el citoplasma, por diferencia de composición y función.  Espacio perinuclear: espacio entre ambas membranas que es la continuación del lumen del RER.  Membrana nuclear externa (MNE): está en contacto con el RER, por lo que sus funciones y componentes son similares a él. Contiene ribosomas, por lo que ocurren las mismas funciones que en el RER, como la síntesis de proteínas. El núcleo es capaz de percibir lo que ocurre en el citoplasma por las interacciones entre las membranas.Poro nuclear: espacios que interrumpen la envoltura nuclear y hacen que se comuniquen las dos membranas. Hay miles de ellos dentro del núcleo. Se instala una estructura macroproteica denominado complejo de poro nuclear que produce el intercambio de moléculas entre el núcleo y el citoplasma.  Proteínas transportadoras: las moléculas grandes necesitan de proteínas transportadoras para pasar entre el núcleo y el citoplasma.

  • Importinas : entrar al núcleo
  • Exportinas : salir del núcleo. Entre el núcleo y el citoplasma encontramos los poros nucleares a través de las cuales se produce el intercambio de forma regulada, ya que las moléculas pequeñas (nucleótidos) pasan libremente, mientras que las estructuras más grandes (proteínas y ARN) necesitan importinas y exportinas. Este transporte necesita energía en forma de GTP que aporta la proteína Ran-GTP.Lámina nuclear: es un entramado proteico tridimensional constituido por proteínas, que se encuentra íntimamente asociado a la MNI. Está compuesta por proteínas de la familia de los filamentos intermedios, las laminas, que tienen un grosor de 10nm, sin polaridad y sin proteínas motoras. Son proteínas filamentosas con organización jerarquizada:
  • Monómero : polipéptido simple
  • Dímero : dos monómeros asociados entre sí. Se asocian de forma paralela N-N y C-C.
  • Tetrámero : dos dímeros asociados lateralmente de forma antiparalela. Se asocian N-C y N-C. No tienen polaridad.
  • Protofilamento : asociación larga de tetrámeros. Cabeza con cola y sin polaridad.
  • Filamento intermedio: 8 protofilamentos asociados.No se asocian a proteínas motoras. Son los más resistentes a la tensión, por ello se localizan en regiones con gran tracción mecánica, como la piel (queratina).

Mecanotransducción : la célula es capaz de responder a las fuerzas mecánicas del ambiente y dar una respuesta a esta situación. De manera que se incrementa o se disminuye la rigidez del núcleo para está situación mecánica que se esta produciendo.

  • Con estrés mecánico: el núcleo es redondo y la proporción de laminas A=B.
  • Sin estrés mecánico: los filamentos de actina tensionan sobre el complejo LINC, lo que produce mayor síntesis de lamina A y más rigidez y resistencia mecánica del núcleo para que no se rompa.
  • Cuando pasa el estrés mecánico, no hay fibras de estrés que estimulen al complejo LINC, por tanto, cesa la síntesis de lamina A y hay menor resistencia mecánica con una mejor adaptabilidad al medio.  Migración celular: la mecanotransducción es importante en ello y tiene una aplicación fisiológica. Las células se mueven y para ello requieren de la modificación estructural de la célula y del núcleo. Se modifican de manera funcional y morfológica para soportar la tensión mecánica. Para migrar deben ser más flexibles , es decir, laminas B > A y cuando se atraviesa vuelve a ser rígida, es decir, laminas A > B. Ejemplo : las células de sistema inmune , células tumorales que van a provocar una metástasis, células del tejido conjuntivo etc.
  1. REGULADORAS:  Organización de la cromatina : anclar la cromatina a la periferia del núcleo mediante la interacción de laminas y las proteínas LBR que se asocian con la HP1 (proteína de unión a la heterocromatina). Anclaje de la cromatina a la lamina nuclear. Las laminas A y B o las proteínas que se asocian a ellas, denominadas emerinas , son capaces de interaccionar con la cromatina.
  • LADs : regiones del cromosoma con mayor concentración de heterocromatina, que aparecen en la periferia asociados a la lámina nuclear (dominios asociados a la lamina nuclear). Hay dos tipos: o LADs constitutivos: forman heterocromatina en todos los tipos celulares. o LADs facultativos: en un tipo celular se encuentran como LADs (heterocromatina) y en otros se encuentran como eucromatina. Aunque esto es un proceso regulado , en algunos casos son productos de una mal regulación o un mal funcionamiento de la célula. La consecuencia de ello es que el conjunto de genes que están mal regulados se expresa de manera anómala, produciendo células cancerosas.Regulación de la expresión génica: implicados los LADs. (explicación en la función anterior)

Desorganización y organización del núcleo: son las laminas quien lo regulan. Se produce una modificación postraduccional de las laminas por fosforilación.

  • Durante la mitosis, las laminas se fosforilan y se deshace la estructura proteica y por tanto también la estructura del núcleo. Las membranas de la envoltura nuclear al fosforilarse se desorganizan. - Al final de la mitosis, las laminas se desfosforilan y se reorganiza la envoltura nuclear. - La fosforilación afecta a las laminas A/C y B, pero su destino es distinto. Las laminas están asociadas a la MNI y al desorganizarse tienen un destino diferente. o A/C: que están unidas a la envoltura nuclear por proteínas transmembrana, al producirse la fosforilación, se disuelven en el citoplasma. o B: por el grupo farnesil quedan ancladas a la MNI y no se desprenden de ella, sino que quedan unidas a las vesículas del RER. Esto hace que al terminar la mitosis (en la telofase), tiendan a asociarse entre sí de manera más eficiente para contribuir a que la membrana del RER se reorganice de forma más eficiente alrededor de la cromatina y se reorganice la envoltura nuclear. LAMINOPATÍAS Son alteraciones de la lamina nuclear. Vamos a estudiar dos enfermedades:  Distrofía muscular de emery-dreifuss: afecta principalmente al musculo esquelético y es una mutación de la emerinas , proteínas transmembrana de la MNI. Se produce un defecto de anclaje de las laminas a la MNI, lo que genera defectos en las células musculares, al ser un tejido sometido a estrés mecánico constante. Esto hace que el núcleo no crezca y no tenga resistencia suficiente. Además de afectar al músculo , también se ve afectado el sistema vascular y el tejido linfático. Ambos, son tejidos blandos, en los cuales la enfermedad afecta a la parte reguladora, generando una mala regulación de la expresión génica que afecta a la organización de la lámina nuclear.  Progeria de hutchinson-gilford: lo más característico es el envejecimiento prematuro , ya que hay una mutación en la lamina A. Todas las laminas tienen unido un grupo farnesil, las B se quedan con él y en las A se corta y se pierde. En esta enfermedad se ve mutado el exón donde está la señal para que la proteasa corte ; la proteasa no reconoce el sitio y se produce la proteína con el grupo farnesil, es decir, lamina A mutada con el grupo farnesil, denominada progerina. La progerina provoca consecuencias de tipo mecánico, con mayor concentración de lámina A asociada a la MNI, lo que la hace más rígida , típico de células diferenciadas, como en los adultos. Por ello el aspecto de adulto a edades muy tempranas. Estos problemas de tipo mecánico hacen que no crezcan bien los músculos y los huesos , al haber demasiada rigidez. También se producen problemas en la parte reguladora , provocando una desregulación en la expresión génica. La lamina A está implicada en la reparacion del ADN, ya que si la lamina A no funciona bien, las proteínas de reparación tampoco. Cuando la lamina A aparece como progerina , no repara bien y las células se mueren por apoptosis o envejecen de manera muy prematura y dejan de dividirse. Esto provoca un proceso acelerado de envejecimiento , porque las células que se tienen que dividir tienen fallos en el ADN y su reparación.

En los territorios cromosómicos se van alternando secuencias que están en el compartimiento A y otras en el compartimento B. Pueden aparecer regiones intercaladas del cromosoma en cada uno. El compartimento A de dos territorios cromosómicos pueden ser adyacentes y estar siendo regulados de una manera muy similar y esto ser favorable para la célula.  TADs (Dominios topológicamente asociados): regiones del cromosoma dentro del compartimento A o B que están topológicamente asociados. Son regiones del cromosoma que están juntas entre sí y funcionan de manera coordinada. Hay genes que funcionan juntos y tienen factores de regulación comunes. Dependiendo de la organización del cada cromosoma hay diferentes tipos: o LADs : dominios asociados a la lámina nuclear. o NADs : dominios asociados al nucleolo.  LOOPs : dentro de cada uno de los TADs hay diferentes regiones de ADN que los forman , que son importantes porque forman unidades transcripcionales que están relacionadas. Contienen las diferentes partes de una unidad reguladora de un gen. Todas esas regiones tienen que estar relacionadas entre sí y es posible gracias a que todos los elementos reguladores están incluidos dentro de un LOOPs. REGULACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN GÉNICA Un gen estará activo o no dependiendo de la localización adecuada del cromosoma, solo así se unirá al factor de transcripción. Para transcribir genes que están inactivos hay que moverlos a un compartimento activo. Es por tanto que la posición va a determinar si los genes se van a transcribir o no. Estos procesos de denominan translocaciones , que pueden generar alteraciones en la organización espacial del núcleo, en el que regiones que tendrían que estar silenciadas, pasan a regiones activas y se alteran, lo que es muy típico del cáncer. También en células senescentes cuando se van acumulando errores y no responden a los estímulos para la división celular, como en el envejecimiento celular. CANALES INTERCROMATÍNICOS Cuando se analizaron que se encontraba dentro del núcleo, observaron que había zonas donde no había cromatina, el nucleolo y unos espacios vacíos. Estos espacios vacíos son los canales intercromatínicos que se encuentran entre los territorios cromosómicos o dentro de ellos y están compuestos por:  Nucleoesqueleto : es un entramado proteico filamentoso que organizan el núcleo y a los procesos que ocurren dentro del él. No se sabe bien de que está compuesto, pero se piensa: o Laminas : principalmente la A/C, importante para la reparación del ADN, es decir, podría tener un papel estructural. o Actina : red de filamentos de actina que podría facilitar la remodelación de la cromatina. El movimiento de la cromatina dentro del núcleo de un compartimento a otro podría estar mediado por filamentos de actina, a lo largo de los cuales actúa la miosina, desplazando la cromatina al lugar donde tenga que llevar a cabo su función. Estos movimientos contribuyen a la reparación del ADN. o Implicadas funciones de transcripción, replicación y reparación de errores.

Cuerpos nucleares: son agregados de moléculas de pequeño tamaño, mas o menos redondeados, donde ocurre la transcripción, la replicación, la maduración del ADN etc. No están delimitados por membranas, ya que son agregados de diferentes moléculas (ADN, ARN). En ellos tiene lugar el fenómeno de separación de fase líquido-líquido. SEPARACIÓN DE FASE LÍQUIDO-LÍQUIDO Las proteínas, el ADN y el ARN, que son moléculas solubles en agua, dependiendo de las condiciones del medio y sus modificaciones, en un momento concreto entran en fase de agregación y en un medio líquido distinto al suyo. Esto genera una mayor tendencia de las moléculas a agregarse entre si. Se crean agregados acuosos que se separan del agregado acuoso que les rodea. En estos agregados encontramos:  Proteínas intrínsecamente desordenadas.Interacciones débiles proteína-ARN-ADN. En la formación de la heterocromatina también encontramos este fenómeno ya que la HP1 es una de las proteínas que tiende a formar estos agregados. Dentro de los cuerpos nucleares encontramos:  Factorías de transcripción : son agregados donde se encuentra a ARN-pol y los demás componentes para la transcripción. Su número varía según la actividad transcripcional (puede legar a haber unas 1000 por célula). Si se están transcribiendo miles de genes, en cada factoría se pueden estar transcribiendo varios genes a la vez. Se transcriben genes de cromosomas que tienden a estar cerca, los TADs (dominios topológicamente asociados). Los que están juntos se regulan de manera conjunta y se transcriben en la misma factoría de transcripción. A las factorías de transcripción está asociado que es el ADN el que se mueve a través de la ARN- pol en vez de la ARN-pol por el ADN, al ser la proteína un agregado macromolecular. Ahora se denominan condensados transcripcionales.Nucléolo : es la megafactoría de transcripción del ARN-ribosomal. Esta formado por el ARN-r y las proteínas ribosomales. No hay cromatina y está compartimentalizado. Las partes son: o Centro fibrilar : en él está el ADN que codifica para los genes ribosómicos y la ARN Pol I. o Componente fibrilar denso: rodea a los centros fibrilares y es donde tiene lugar la síntesis de ARN-r. o Componente granular: ocurre el ensamblaje del ARN-r recién sintetizado con las proteínas ribosomales, que vienen del citoplasma, para formar la subunidad mayor y menor de los ribosomas. Las subunidades salen ya preformadas por los poros nucleares. Las funciones son: o Síntesis de ARN-r y ensamblaje de proteínas. o Ensamblaje de ribosomas. o Maduración de ARN, ya que muchos ARN tienen función reguladora o catalítica y pasar por un proceso de maduración. o Maduración de la telomerasa, es una enzima que alarga el telómero. Es capaz de sintetizar ADN a través de un molde de ARN, para alargar el telómero ( transcriptasa inversa ). Este fenómeno pasa un proceso de maduración en el nucléolo.