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Núcleo Celular 1
Características generales del núcleo interfásico. Envoltura nuclear: Poros nucleares y lámina
nuclear. El nucleoplasma. Relaciones núcleo/citoplasma. La cromatina. Eucromatina y heterocromatina.
ADN, cromatina y cromosomas. Los cromosomas metafásicos: Técnicas de estudio. Cariotipo.
1. Características generales del núcleo interfásico
El núcleo fue descrito por primera vez por Leeuwenhoek (1700) en eritrocitos de salmón. En la mayoría
de las células eucariotas hay un solo núcleo; pero puede haber dos en algunas células, mientras que las
células multinucleadas son raras.
La forma del núcleo no es estática sino cambiante. En general la forma nuclear se adapta a la
configuración de la célula, observándose múltiples formas. La posición del núcleo en la célula es generalmente
central, pero puede variar por la polarización de la célula y la influencia de otros componentes. El tamaño del
núcleo varía según el periodo del ciclo celular.
Antes de que se conociera la función del ADN nuclear y su significado biológico, una serie de
observaciones permitieron formular las siguientes afirmaciones sobre el núcleo:
Es indispensable para la vida de la célula : la supresión del núcleo causa la muerte celular.
Controla la diferenciación celular : sí un fragmento de célula (p. ej. Acetabularia sp .) que contenga el
núcleo se separa del resto del citoplasma, este fragmento regenerará la célula entera.
Conserva su potencialidad en células diferenciadas : durante el desarrollo embrionario (u ontogenético),
a partir de un primer núcleo (del cigoto) se forman todas las células del individuo; especializándose
cada célula y núcleo en un sentido diferente. Sin embargo, los núcleos conservan su totipotencialidad.
Así al transplantar un núcleo diferenciado a un óvulo enucleado se desarrolla un organismo normal.
Todo esto sucede porque el ADN nuclear codifica toda la síntesis proteíca celular y, al duplicarse,
permite la formación de células idénticas (división celular). El ADN es característico para todas las células de
un mismo individuo, y no para cada tipo celular, por diferentes que sean, salvo excepciones (células
germinales, poliploides, anomalías cromosómicas, etc.). La cantidad básica de ADN es constante para todas
las células de cada especie excepto células poliploides. En general, aumenta con la escala evolutiva; excepto
en vertebrados donde varía ampliamente.
1.1. Componentes
Las células que se dividen siguen un ciclo celular, en el que se identifican claramente dos periodos:
interfase y mitosis o división celular. Morfológicamente, el núcleo propiamente dicho o interfásico consta de:
Envoltura nuclear:
- Poros nucleares.
- Lámina nuclear.
Cromatina: ADN y proteínas asociadas (principalmente histonas).
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Nucléolo: es la expresión morfológica de la síntesis de ARN ribosómico.
Nucleoplasma.
Durante la mitosis el núcleo pierde esta organización. Desaparecen la envoltura nuclear y el nucléolo;
mientras que la cromatina cambia de aspecto para configurar los cromosomas.
2. Envoltura nuclear
La envoltura nuclear o cisterna perinuclear es una doble membrana (externa e interna), separadas
entre ellas por un espacio intermembranal (25-40 nm) que se continúa con las cisternas del RER. Posee
características similares a las del RER, incluyendo la composición, estructura trilaminar, espesor y hasta las
mismas enzimas y funciones; por lo que se puede considerar como una especialización del RE.
Evolutivamente, se ha sugerido que el RE en eucariotas envolvió la cromatina formando la envoltura nuclear.
Membrana nuclear externa : puede tener ribosomas adheridos. Después de la mitosis y en células
embrionarias se observa continuidad entre ella y el RER.
Membrana nuclear interna : contiene los receptores específicos de unión de la lámina nuclear (receptores
de lámina B). Aunque se continúa con la membrana nuclear externa su composición bioquímica es distinta.
Aunque durante mucho tiempo se ha considerado que el RER recomponía la envoltura nuclear en la
telofase, después de la mitosis. Actualmente, se considera que la envoltura nuclear se forma a partir de los
fragmentos membranosos en que se disgregó y a los que se añaden otros componentes de la envoltura
nuclear: lámina nuclear y poros nucleares.
2.1. Lámina nuclear
Con microscopía electrónica, la lámina fibrosa o nuclear aparece como un material muy denso a los
electrones asociado a la cara interna de la membrana nuclear interna, que separa la envoltura nuclear de la
cromatina densa periférica. Su estructura es semejante a una malla fibrosa, de espesor variable, 10-80 nm,
(normalmente 10-20 nm).
La lámina nuclear puede estar formada por un solo polipéptido o varios (filamentos intermedios de tipo
IV), denominados láminas. En mamíferos y aves está formada por tres láminas: A, B y C de 74, 72 y 62 kDa,
respectivamente. Las láminas forman dímeros de estructura similar a la miosina (una cola en forma de bastón y
dos cabezas globulares), pero de menor tamaño. Sin embargo, las láminas nucleares difieren de los filamentos
intermedios típicos en que se disponen formando una malla y no haces como éstos.
La lámina nuclear parece desempeñar un papel crucial en la organización de la envoltura nuclear y de
la cromatina subyacente. Los polipéptidos de la lámina nuclear intervienen probablemente en la disolución y
formación de la envoltura nuclear durante la mitosis. Diferenciándose los siguientes estadios de asociación:
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Durante la interfase , las láminas nucleares interaccionan por su lado externo con proteínas específicas
incluidas en la membrana interna de la envoltura nuclear. Por su lado interno, algunos componentes de la
lámina se fijan a puntos específicos de la cromatina y guían las interacciones de la cromatina con la
están implicadas en la captura de las proteínas que entran o salen del núcleo. En los poros se ha detectado
ATPasa, probablemente implicada en las transferencias núcleo-citoplasma.
Los complejos del poro están asociados a la lámina nuclear y se desensamblan y reensamblan en cada
mitosis.
3. Nucleoplasma
El nucleoplasma o carioplasma es la sustancia de fondo en la que están embebidas la cromatina y el
nucléolo. Consiste en una fase acuosa en la que se encuentran principalmente proteínas, sobre todo las
enzimas relacionadas con el metabolismo de los ácidos nucleicos. También existen proteínas ácidas no
asociadas a ácidos nucleicos (ADN y ARN), denominadas proteínas residuales. Además, en el nucleoplasma
hay cofactores, moléculas precursoras, minerales y productos intermedios de la glucólisis (ATP, NAD, acetil-
CoA, K
, Na
, Ca
2+
y Mg
2+
).
A parte de los componentes de la lámina nuclear, se habla de una matriz o armazón nuclear,
constituido por proteínas no identificadas que unen entre sí unas determinadas secuencias de ADN,
denominadas regiones asociadas a la matriz. Esta matriz moldearía los plegamientos de la cromatina y
regularía la replicación y transcripción del ADN.
4. Relaciones núcleo/citoplasma
Existe una notable influencia del citoplasma en la función nuclear y viceversa, como es obvio. Esas
interrelaciones se establecen a través de los poros nucleares.
Mediante microinyecciones intracitoplasmáticas de proteínas no nucleares marcadas, se ha observado
que conforme aumenta el peso molecular de la molécula aumenta el tiempo de difusión de las moléculas desde
el citoplasma al núcleo.
Peso molecular (kDa) Tiempo (minutos)
≤ 5 Muy rápido
≥ 60 No pasan
Por lo que, pese a quedar un espacio de 50 nm en los poros, no todas las moléculas de esas
dimensiones pueden atravesarlos. Parece ser que sólo el canal central permite el paso de sustancias menores
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de 9 nm (≥ 60 kDa); el resto de los 50 nm del canal deben estar ocupados por sustancias invisibles al
microscopio electrónico, o bien existe selectividad en el paso de sustancias. En conclusión el poro es un canal
cilíndrico de 9 nm de diámetro y 15 nm (quizás hasta 70 nm) de longitud.
Estos resultados plantean un problema de permeabilidad nuclear y diámetro de los poros. Es evidente
que al interior del núcleo han de penetrar desde el citoplasma grandes moléculas (100-200 kDa), como las
polimerasas de ADN y ARN. Lo mismo puede decirse de la transferencia de moléculas desde el núcleo al
citoplasma, como se transportan los distintos tipos de ARN asociado o no a proteínas. También se ha
observado que la célula durante la fase S (replicación de su ADN) importa 100 histonas/minuto/poro y en
crecimiento rápido exporta 3 ribosomas/minuto/poro. Por tanto, los poros nucleares funcionalmente facilitan la
importación y/o exportación:
a) Importación:
Para que el núcleo pueda incorporar las grandes moléculas se necesita un mecanismo de transporte,
del que se encargan proteínas ancladas en los márgenes del poro y que parecen ensanchar éste permitiendo
el paso. Las observaciones sugieren que el poro funciona como un diafragma de apertura controlada. Para que
se abra el poro se necesita:
- Hidrólisis de ATP.
- Una señal de importación nuclear en la proteína, compuesta de un corto péptido señal aminoterminal
(4-8 aminoácidos) cargado positivamente (lisina, arginina y prolina), que se elimina al entrar la proteína
en el núcleo.
- La cooperación de unas proteínas citosólicas, denominadas nucleoporinas , que permiten dilatar el
diámetro del poro.
Proteínas citoplásmicas > Recepción en el complejo > Dilatación > Translocación > Liberación nuclear
Por ej.: Láminas y nucleoplasmina (proteína de 165 kDa, que permite la asociación de las histonas y
del ADN en el nucleosoma).
b) Exportación:
Los poros pueden poseer receptores para ARN o proteínas asociadas.
5. La cromatina
La cromatina es el componente más abundante del núcleo y está constituido por ADN unido a
proteínas del tipo histonas, principalmente:
a) ADN:
El ADN es una doble hélice de 2,5 nm de diámetro. Cada cadena consiste en una sucesión de un
grupo formado por los siguientes elementos: base, pentosa (desoxirribosa) y grupo PO43-.
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Base + Pentosa (desoxirribosa) Grupo PO43- + Desoxinucleósido
Bases Desoxinucleósido Desoxinucleótido
Púricas
Pirimidínicas
Adenina (A) Desoxiadenosina Desoxiadenosín monofosfato
Guanina (G) Desoxiguanosina Desoxiguanosín monofosfato
Timidina (T) Desoxitimidina Desoxitimidín monofosfato
Citosina (C) Desoxicitidina Desoxicitidín monofosfato
La cadena de ADN es una sucesión de desoxinucleótidos y cada uno ocupa una longitud de 1/3 nm. La
unión entre desoxinucleótidos para formar el ADN es a través del PO43- , que se une al carbono 3 de la
Microscopía óptica Microscopía electrónica Disposición de la cromatina
Núcleo Interfásico Leptocromáticos Eucromáticos Laxa
Paquicromáticos Heterocromáticos Masas densas homogéneas
La eucromatina corresponde a cromatina desespiralizada y, por tanto, transcripcionalmente activa
(generalmente, un 10% de la cromatina). Mientras que la heterocromatina sería la cromatina intensamente
espiralizada o condensada y, en principio, transcripcionalmente inactiva (90% restante), pues la condensación
hace que el ADN no sea accesible a las proteínas activadoras de los genes. Lo que se confirma con la
observación de incorporación de uridina marcada radiactivamente en mucha mayor cantidad en la eucromatina
que en la heterocromatina. En mamíferos se ha visto que sólo el 1% del ADN sintetiza proteínas esenciales.
Esto implica que la mayor parte del ADN de las células no tiene como misión fabricar mRNA, lo que está de
acuerdo con las grandes variaciones en el contenido de ADN entre especies incluso muy afines. Esta diferencia
entre cromatina activa (eucromatina) e inactiva (heterocromatina) va asociada a toda una serie de
características relacionadas con la transcripción y que sólo están presentes en la eucromatina. El ADN de los
genes inactivos está más intensamente metilado que el de los activos. Cuando estos son activados pierden
parte de la metilación. Las decisiones de activación se toman por proteínas reguladoras, y la metilación (o
desmetilación) acompaña esta decisión. Se distinguen dos tipos de heterocromatina:
a) Heterocromatina facultativa: Unas veces está condensada y otras no. Llega a ser hasta el 80-90% de
toda la heterocromatina. Aunque inicialmente se uso este término para designar el cromosoma X que
permanece condensado durante la interfase en todas las células de las hembras de cariotipo XX.
Además de esa heterocromatina, presente en todas las células de un individuo, hay otra
heterocromatina condensada que varía de un tipo celular a otro, y en cada célula, dependiendo del
momento funcional. Esto sucede así porque la mayoría de los genes no se transcriben a la vez en
todas las células de un organismo, sino sólo una mínima parte de ellos. Estos genes que
facultativamente se transcriben, dependiendo del tipo y momento celular, y que se encuentran
condensados cuando no transcriben, también se incluyen como heterocromatina facultativa. Cada tipo
celular tiene presentes unos mecanismos heredables de memoria celular que le dicen que cromatina
tiene que estar activa, para realizar las funciones propias de ese tipo celular, y cuál debe estar como
heterocromatina facultativa porque corresponde a genes que, en ese tipo celular y en ese momento no
realizan función alguna.
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b) Heterocromatina constitutiva: Siempre está condensada en ambos cromosomas homólogos. Es una
cromatina especial, que siempre se duplica tardíamente. Constituye del 10-20% de la heterocromatina.
Inicialmente se pensó que era inactiva al estar condensada; pero se ha visto que algunos genes
importantes están ubicados en ella (rRNA, tRNA, RNA 5S de ribosomas). Estos genes localizados en la
heterocromatina constitutiva en realidad son segmentos eucromáticos intercalados. La mayor parte de
la heterocromatina constitutiva corresponde a ADN repetitivo o redundante.
Secuencias de heterocromatina constitutiva Producto de transcripción
Únicas mRNA de proteínas específicas de cada tipo
celular.
Moderadamente repetitivas intercaladas mRNA de proteínas estructurales (histonas)
10% Redundantes repetitivas en serie (o ADN satélite)
(*) Parte de ese 70% y 20% de heterocromatina constitutiva podría constituir eucromatina (en las
células en que dichos genes están activos), o heterocromatina facultativa (en los restantes tipos celulares que
no precisen de esos genes).
La mayor parte de la heterocromatina constitutiva es centromérica y está formada por ADN satélite. Se
atribuyen diversas funciones a la heterocromatina constitutiva:
- Participa en la separación de las cromatinas en la mitosis.
- Apareamiento de cromosomas y sobrecruzamiento durante la meiosis.
- Regiones repetitivas se usan como separadoras de las regiones genéticamente activas, pudiendo servir
como puntos de iniciación.
7. ADN, cromatina y cromosomas
La cromatina (o cromosoma interfásico) está constituida por una larga hélice de ADN de 2,5 nm de
diámetro que al asociarse a proteínas, principalmente histonas, formaría una fibra de 10 nm de diámetro; que a
su vez se plegaría para dar una fibra de 25 nm; finalmente, plegamientos posteriores más complejos formarían
fibras más gruesas de diámetros variables.
Las fibras de cromatina presentan una secuencia de glóbulos (o nucleosoma ) de 10 nm de diámetro,
separados por unos 14 nm entre sí, y unidos por un filamento de ADN de 2,5 nm de diámetro (o
nucleofilamento ) (estructura en collar de perlas). Los nucleosomas se corresponden con los octámeros de
histonas y el ADN enrollado alrededor de éstos, dando al menos dos vueltas (146 pares de bases). El ADN
abandona seguidamente el octámero para formar el siguiente octámero (40-80 pares de bases). Así se forma la
fibra de cromatina de 10 nm. Esta unidad repetitiva de unos 200 pares de bases parece representar una
característica constante a lo largo de la evolución.
El octámero esta formado por cada una de las cuatro histonas nucleosómicas (H2A, H2B, H3 y H4).
Cada histona presenta el extremo amino terminal extendido (rico en aminoácidos cargados positivamente,
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lisina y arginina) por el que se unen al ADN y el extremo carboxilo más compacto por el que se une al extremo
compacto de las otras tres histonas. Así pues cada hemioctámero tiene una región central y cuatro colas de
unión al ADN. Alrededor de cada tetrámero se dispone una vuelta de doble hélice de ADN. De la unión de dos
hemioctámeros resulta un nucleosoma completo. Los octámeros forman una unidad fija, que no se desplaza
por la cadena de ADN.
Esta fibra o cadena de nucleosomas de 10 nm corresponde a la cromatina totalmente desespiralizada,
tal y como se encuentra funcionalmente activa (replicación o transcripción). Pero cuando se une a ella la
histona H1 la cadena de nucleosomas se pliegan, dando lugar a la fibra de 25 nm que constituye la unidad de
empaquetamiento de la cromatina. Este plegamiento se explica mediante un enrollamiento helicoidal en el que
cada vuelta tendría 6 nucleosomas (un giro de 60º cada uno respecto al otro). Cada H1 presenta una región
globular central y dos extremos (-COOH y –NH 2 ). La región globular se une al octámero y los brazos conectan
con los octámeros adyacentes. Cada H1 se adosa en la base de cada nucleosoma, a esta unión se le
Centrómero : designa la constricción primaria y el término cinetocoro se refiere a las partes laterales del
centrómero donde conectan los microtúbulos el huso. Tipos de cinetocoros: trilaminar (en células
animales) y esférico (común en vegetales). Ambos tipos de cinetocoro carecen de ADN y están formados
por un complejo de proteínas con capacidad para unirse a microtúbulos. La cromatina en contacto con el
cinetocoro forma un segmento de longitud variable que separa los cinetocoros del resto de la cromatina. Es
la heterocromatina centromérica, que consiste en secuencias repetitivas de ADN que sirven para organizar
las proteínas del cinetocoro.
Telómero : Secuencias cortas, específicas y repetitivas de nucleótidos que se encuentran en las
extremidades de los cromosomas. Protegen las extremidades de los cromosomas de la degradación.
8.1. Técnicas de estudio
Para estudiar y clasificar los cromosomas actualmente se sigue la técnica de preparación de
cromosomas mitóticos. Consistente en la incubación de suspensiones celulares en presencia de
fitohemaglutinina (mitógeno) que estimula la división celular. Para conseguir que la célula esté en metafase,
cuando mejor se observan los cromosomas, se emplea la colchicina que inhibe el desarrollo del huso mitótico
quedando detenidos los cromosomas en metafase. Se someten a choque osmótico, se extienden en un
portaobjetos y se tiñen, empleando técnicas de bandeo cromosómico. Estas técnicas permiten observar en las
cromátidas una serie de bandas claras y oscuras, más o menos anchas, características de cada cromosoma.
Apareciendo en ambos homólogos. Son como las huellas dactilares de los cromosomas. Cada banda se replica
como una unidad durante la interfase, lo que sugiere que son unidades funcionales. Las principales técnicas de
bandeo son para bandas Q, C, G, N, R y T.
9. Cariotipo
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El cariotipo es el conjunto de cromosomas convenientemente ordenado que define cada especie. Es
decir; son los tipos, variedades, formas, dimensiones y número de cromosomas, que constituyen el patrimonio
genético de una especie, o en otras palabras la carga cromosómica completa de un individuo o célula presente
al observarla en metafase mitótica. El número y tipos de cromosomas son constantes y característicos de una
especie.
Cada célula somática presenta una dotación cromosómica 2n (siendo "n" el número haploide de
cromosomas). Así, entendemos por ploidía el número de pares de cromosomas de cada tipo que están
representados en una célula. Al referirnos a cromosomas autosómicos (no sexuales) se entiende por
cromosomas homólogos los cromosomas de un mismo par que aparecen en ambos sexos, y se designan por
un número. Como los cromosomas sexuales o heterocromosomas suelen ser diferentes entre sí, no se
designan por un número sino por una letra.
9.1. Alteraciones morfológicas del cariotipo
Hay alteraciones espontáneas y otras inducidas. Se clasifican en:
Cambios numéricos : El número básico de cromosomas de una célula característico de cada especie, se
designa con la letra "n" y representa cuantos cromosomas diferentes hay en el cariotipo. Se llama dotación
euploide a la que es múltiplo de "n" (xn). Las dotaciones euploides más frecuentes son: haploide (n
cromosomas), diploide (2n), triploide (3n) y tetraploide (4n). La dotación normal de una célula somática
es 2n y la de los gametos n. Las dotaciones euploides con más de 3n se denominan poliploidías y se
producen por fallo en el reparto en la anafase. Las dotaciones aneuploides tienen números cromosómicos
básicos que no son múltiplos del básico (2n
x cromosomas).
Cambios estructurales : Existen alteraciones cromosómicas que no significan una variación en el número
de cromosomas, sino alteraciones en algún fragmento de uno o varios cromosomas.
9.2. Cromatina sexual
La cromatina en interfase de los machos es diferente a la de las hembras; ya que, además del
nucléolo, en las hembras aparece otro corpúsculo de cromatina densa, la cromatina sexual o corpúsculo de
Barr. La explicación de este hecho es que en todas las células sólo hay un cromosoma X activo. El otro (o los
otros) cromosoma X presente no está activo y se encuentra heterocromatizado; por eso se visualiza como
cromatina sexual.
9.3. Cromosomas especiales
Con esta expresión se designan formaciones cromosómicas atípicas, que no son patogénicas, sino
fisiológicamente normales, pero que se desarrollan sólo en algunos tipos celulares en determinadas etapas de
su ciclo vital. Los más representativos son:
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Cromosomas plumosos : En algunos anfibios, durante el crecimiento de los oocitos (huevos) inmaduros
sus cromosomas son muy activos en cuanto a la síntesis de ARN y suelen presentar grandes y esponjosos
bucles de cromatina recubiertos de ARN recién transcrito y empaquetado en complejos ARN-proteína. Por
lo que estos cromosomas son claramente visibles incluso durante la interfase.
Cromosomas politénicos : En ciertas células de insectos después de repetidos ciclos de síntesis de ADN
que no van seguidos de división celular, se producen células gigantes poliploides, disponiéndose todas las
copias de los cromosomas de forma continua formando un único cromosoma politénico gigante.
