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TEMA 3: EL NUCLEO Y LOS CROMOSOMAS
PRINCIPAL CARACTERÍSTICA QUE DISTINGUE PROCARIOTAS DE
EUCARIOTAS
- Posición central
- Aprox.10% del volumen celular
- Alberga casi todo el material genético (algo en las mitocondrias)
En eucariotas el material genético se aísla con la membrana nuclear ya que tras la transcripción de ADN a ARN en el núcleo, se produce un procesado de aquellas partes del ARN que no se van a traducir a proteínas cuando el ARN salga al citoplasma. La compartimentalización de dichos procesos asegura que ocurran de manera efectiva y secuencial.
LA ENVOLTURA NUCLEAR La envoltura nuclear está compuesta por 2 membranas concéntricas que se continúan con las membranas del RE.
La cubierta nuclear presenta perforaciones que se llaman -poros- , que comunican el interior del núcleo con el citosol. Además se encuentra reforzada por 2 mallas de filamentos intermedios, una apoyada sobre la superficie interna de la envoltura denominada lámina nuclear y otra sobre la superficie externa.
En el compartimento nuclear se localizan:
- Cuarenta y seis cromosomas, cada uno formado por una sola molécula de ADN combinada con numerosas proteínas.
- Varias clases de ARN (mensajero, ribosómicos, de transferencia y pequeños ARN) que se sintetizan en el núcleo al ser transcritos por sus genes. Estos ARN salen del núcleo a través de los poros después de la envoltura nuclear después de su procesamiento.
- El nucléolo, donde se localizan los genes del ARNr y los ARNr recién sintetizados.
- Diversas proteínas, como las que regulan la actividad de los genes, las que promueven el procesamiento de los ARN, la que se combinan con los ARNr en el nucléolo, las ADN polimerasas, las ARN polimerasas, etc. (estas proteínas son fabricadas en el citosol en el núcleo por los poros de la envoltura nuclear).
Los elementos mencionados se hallan dispersos en la matriz nuclear o nucleoplasma, cuya composición no es conocida.
CARACTERÍSTICAS
ENVOLTURA NUCLEAR
✓ Membrana interna
✓ Membrana externa
✓ Espacio perinuclear
✓ Poros nucleares
✓ Lámina densa o fibrosa
NUCLEOPLASMA (matriz nuclear):
✓ Cromatina (ADN, cromosomas)
✓ ARN (ARNr, ARNm, pequeños ARNs ...)
✓ Nucléolo (genes ARN y ribonucleoproteínas: proteínas y ARN)
✓ Proteínas (regulación, combinación conARN…)
LA ENVOLTURA NUCLEAR MET
Técnica: Micrografía de MET, cortes ultrafinos y contrastada con metales pesados.
Muestra una sección de una célula con el núcleo en el centro de la imagen. Pueden observarse los distintos componentes estructurales del mismo.
¿Cómo la vemos en el MET?
- Dos membranas concéntricas atravesadas por los poros (interna y externa) que se unen a nivel de los poros.
- Poros distribuidos más o menos regularmente por toda la envoltura.
- Proteínas de anclaje que ligan las columnas a a envoltura nuclear. Cada proteína de anclaje se une a una de las columnas, atraviesa la membrana de la envoltura y su extremo opuesto sobresale en el espacio perinuclear.
- Una serie de proteínas radiales que nacen en las columnas y se proyectan hacia el centro del poro. Dado que se acortan y se largan, permite que el complejo del poro se comporte como un diafragma.
- Fibrillas proteicas que nacen de los anillos interno y externo del complejo del poro y se proyectan hacia el citosol y el núcleo, respectivamente. A lo largo de las fibrillas se alinean varias proteínas denominadas nucleoporinas , implicadas en el pasaje de sustancias a través del poro. Además los extremos distales de las fibrillas internas se hallan interconectados por una fibra de forma circular (forma de cesta).
El complejo del poro mide alrededor de 100 nm de diámetro y 30 nm de espesor. Sin embargo, las proteínas radiales reducen su luz y lo convierten en un orificio con un diámetro que fluctúa entre 9 y 25 nm. A través de él pasan iones y moléculas pequeñas y grandes en ambas direcciones.
DIFUSÓN PASIVA A TRAVÉS DE LOS POROS NUCLEARES
Las pequeñas moléculas (<20Kd), pasan rápidamente, en ambas direcciones, a través de los poros mediante difusión pasiva a través de canales acuosos y por tanto son capaces de atravesar libremente la cubierta nuclear.
- La mayoría de las proteínas y los RNAs, pasan a través del complejo del poro por un proceso activo en el que proteínas apropiadas y RNAs son reconocidos y selectivamente transportados en una única dirección (núcleo → citoplasma o citoplasma →núcleo).
- Canales regulados en el complejo del poro en respuesta a señales apropiadas pueden abrir el Ø al menos 25nm – un tamaño lo suficientemente grande que permite el paso de las subunidades ribosómicas.
TRANSPORTE DE MOLÉCULAS A TRAVÉS DE LOS CANALES DEL PORO
El pasaje de macromoléculas a través del complejo del poro es regulado.
- De este transporte bidireccional el mejor conocido es el de ingreso de proteínas desde el citosol al núcleo más que del núcleo al citosol.
- La entrada de proteínas en el núcleo se realiza por un mecanismo selectivo que autoriza el pasaje sólo de las apropiadas.
- (^) Para ello, las proteínas destinadas al núcleo -producidas en ribosomas libres en el citosol- contienen un péptido señal que actúa como contraseña. Se llama NLS (por nuclear signal localization) y para poder actuar debe ser reconocido por una proteína denominada importina , residente en el citosol. Debido a que existen NSL de diferente composición en los distintos tipos de proteínas que ingresan en el núcleo, se requiere una clase de importina particular para cada NSL.
- La importina es un α-β heterodímero cuyas dos subunidades actúan secuencialmente: la α-importina se liga al péptido señal y la β-importina se une a la subunidad a y fuerza la translocación de la proteína por el poro.
- En el balance final de este transporte se realiza un gasto de energía (paso de GTP a GDP).
SECUENCIA NLS
Estas proteínas son destinadas al núcleo por secuencias específicas de aminoácidos, llamadas señales de localización nuclear , que dirigen su transporte a través del complejo del poro.
La primera señal de localización nuclear fue caracterizada y mapeada con detalle por Alan Smith y sus colegas en 1984.
La mayoría de las señales de localización son cortas secuencias ricas en aminoácidos básicos como la Lys y Arg , sin embargo en otras ocasiones como ocurre con la nucleoplasmina la señal de localización nuclear no es una única secuencia de aminoácidos sino una pareja de secuencias separadas por otra secuencia sin función de señal.
- El centrómero o constricción primaria, que participa en el reparto a las células hijas de las dos copias cromosómicas que se generan a consecuencia de la replicación del ADN.
- Los telómeros, que corresponden a los extremos de los cromosomas. Allí el ADN posee secuencias de nucleótidos especiales, las cuales dan lugar a un modo singular de replicación.
- La enorme longitud del ADN exige que la replicación se inicie en muchos puntos a la vez a fin de que su síntesis se logre en un lapso relativamente breve. Esos puntos se denominan orígenes de replicación y en ellos el ADN exhibe secuencias de nucleótidos especiales. La capacidad o incapacidad funcional del ADN, es decir, su aptitud o su incompetencia para generar moléculas de ARN (proceso conocido con el nombre de transcripción del ADN), depende de la secuencia de sus nucleótidos. Así, en algunos sectores el ADN exhibe secuencias de nucleótidos que se transcriben -llamadas genes- y en otros presenta secuencias aparentemente prescindibles, al menos a la luz del conocimiento actual.
Cada cromosoma está constituido por una larga molécula de ADN asociada con diversas proteínas.
- Según el cromosoma, el ADN contiene entre 50 y 250 millones de pares de bases.
- Las proteínas asociadas se clasifican en dos grandes grupos: las histonas y un conjunto heterogéneo de proteínas no histónicas.
Los cromosomas poseen secuencias de ADN únicas y secuencias de ADN repetidas En las moléculas de ADN se halla depositada la información genética de la célula. La totalidad de la información genética depositada en las moléculas de ADN lleva el nombre de genoma. Puede decirse que esa información rige la actividad de todo el organismo desde el primer instante del desarrollo embrionario hasta la muerte del individuo. De ella también depende la inmunidad o la predisposición del organismo a determinadas enfermedades. El 75% del ADN se halla representado por secuencias de nucleótidos no repetidas (copias únicas) o que se repiten unas pocas veces. En esta parte se localizan los sectores funcionales del ADN -es decir, los genes-, los cuales abarcan alrededor del 10% del ADN (representan el 13% de ese 75%). Uno de los mayores desafíos para los biólogos moleculares es descifrar las funciones del ADN ajeno a los genes.
El 25°% restante del ADN corresponde a secuencias de nucleótidos que se repiten muchas veces. En general las funciones del ADN repetitivo se desconocen, aunque no se descarta que desempeñen algún papel en el mantenimiento de la estructura de los cromosomas.
A esta categoría pertenecen los ADN satélites, representados por secuencias de nucleótidos repetidas y dispuestas en tandas. El largo de la secuencia y el número de veces que se repite en cada tanda varían en los distintos tipos de ADN satélite.
El 75% del ADN secuencias de nucleótidos no repetidas (copias únicas). Los genes abarcan alrededor del 10% del ADN (representan el 13% de ese 75%)..
El 25°% restante del ADN corresponde a secuencias de nucleótidos que se repiten muchas veces (posible función de mantenimiento de la estructura de los cromosomas): ADN satélites (en centrómeros, cromosoma Y, cromatina aledaña a los centrómeros de los cromosomas 1, 3, 9, 16 y 19). Minisatélites, ADN repetitivo (disperso en cromosomas).
LAS CÉLULAS SOMÁTICAS HUMANAS Las células somáticas humanas poseen 46 cromosomas -es decir, 46 moléculas de ADN-, divididos en 22 pares de autosomas más un par de cromosomas sexuales. En la mujer los dos miembros del par sexual son iguales, pero no en el varón. Así, con excepción del par sexual en el varón, puede decirse que en cada célula existen dos juegos idénticos de 23 cromosomas, uno aportado por el espermatozoide y el otro por el ovocito en el momento de la fecundación. Ello es lo que define a las células somáticas como células diploides y a los espermatozoides y los ovocitos como células haploides. Los ADN de los 46 cromosomas contienen en conjunto unos 6 x 109 pares de nucleótidos. Por lo tanto, en promedio, una molécula de ADN de un cromosoma humano, si estuviera completamente extendida, mediría unos 4 cm de largo. Lógicamente, de hallarse extendidas, 46 moléculas de tamaña longitud no podrían ser contenidas en el núcleo, no sólo por el espacio que demandarían sino por los enredos que acarrearían, lo cual afectaría su funcionamiento e incluso su integridad. La célula ha resuelto el problema haciendo que la molécula de ADN se enrolle sobre sí misma. Antes de analizar el modo como lo hace, debe señalarse que el grado de enrollamiento varía según el momento del ciclo en que se halla la célula: es mínimo durante la interfase (cuando la síntesis de ARN es alta) y máximo cuando la célula se apresta a dividirse. Así, los cromosomas se muestran como estructuras altamente variables.
- Proteínas que no se unen al DNA ni al RNA y que se denominan proteínas ácidas residuales.
- (^) Otras proteínas que aparecen unidas al DNA son diversas enzimas, acetilasas de las histonas, etc.
EMPAQUETAMIENTO DE LA CROMATINA
Para que pueda ser contenida en el pequeño espacio que el núcleo le ofrece, la cromatina de cada cromosoma debe experimentar nuevos y sucesivos grados de enrollamiento, cada vez mayores. En primer término, los cromatosomas se enrollan sobre sí mismos y dan lugar a una estructura helicoidal llamada solenoide , de 30 nm de diámetro. Este enrollamiento depende de las histonas H1 -dado que se unen entre sí-y cada vuelta del solenoide contiene seis cromatosomas. Debe señalarse que a intervalos más o menos regulares el enrollamiento de las fibras de 30 nm se interrumpe, de modo que se observan -entre sectores de 30 nm- tramos de cromatina más delgada. En ellos el ADN se encuentra asociado a proteínas no histónicas, en su mayoría reguladoras de la actividad génica La cromatina se compacta todavía más. Así, la fibra de 30 nm forma lazos de variada longitud , los cuales nacen de un cordón proteico constituido por proteínas no histónicas. Dado que el conjunto de cordones proteicos compone una suerte de andamiaje, en los extremos de cada lazo el ADN asociado al cordón proteico lleva el nombre de SAR (por scaffold associated regions). Los lazos se hallan firmemente unidos al cordón, pero se ignora cómo se sujetan a él las SAR. Se considera que cada lazo constituiría una unidad de replicación del ADN y, probablemente, una unidad de transcripción, es decir, un gen.
-Los cromatosomas se hallan separados por tramos de ADN espaciadores de longitud variable, que contienen entre 20 y 60 pares de nucleótidos. La alternancia de los cromatosomas con los segmentos espaciadores le da a la cromatina la apariencia de un collar de cuentas.
- El tratamiento de la cromatina con enzimas que digieren el ADN (nucleasas) provoca cortes sólo en los ADN espaciadores. Si el tratamiento es moderado, se independizan los cromatosomas, los cuales permanecen íntegros, tanto sus histonas como el tramo de ADN asociado a ellas. Pero cuando la digestión enzimática es intensa se obtienen nucleosomas.
En algunos sectores la cromatina experimenta un grado de enrollamiento aún mayor. Durante la interfase, la cromatina así condensada recibe el nombre de heterocromatina, y se reserva el de eucromatina para la menos compactada. Existe una relación directa entre el grado de enrollamiento y la actividad transcripcional del ADN. La cromatina menos compactada es la que posee el ADN transcripcionalmente activo, es decir, el ADN que sintetiza moléculas de ARN. Este ADN abarca alrededor del 10% del genoma. En cambio, el ADN que corresponde a la cromatina más condensada es inactivo desde el punto de vista transcripcional. A esta categoría pertenece toda la heterocromatina y el sector de la eucromatina donde el enrollamiento se halla en un grado intermedio entre la eucromatina transcripcionalmente activa y la heterocromatina.
El grado de empaquetamiento del DNA en su conjunto está relacionado con la distribución de las secuencias activas, de tal manera que las zonas genéticamente activas se estructuran como eucromatina, mientras que las inactivas, más empaquetadas, se asocian a heterocromatina. Una célula modifica la proporción y distribución de sus cromatinas (eucromatina y heterocromatina) en función de las necesidades y posibilidades funcionales de cada momento.
Heterocromatina
H.CONSTITUTIVA (misma distribución en todos los tipos celulares) :
Se encuentra siempre condensada (los brazos cortos de los cromosomas acrocéntricos y la cromatina de las partes cromosómicas que poseen ADN repetitivo satélite como la de los centrómeros, la del brazo largo del cromosoma Y).
H.FACULTATIVA (localización según el tipo celular):
Revierte a eucromatina en ciertos momentos del ciclo celular (cromatina sexual o corpúsculo de Barr: el cromosoma X compactado en las células de la mujer.
Clases de cromosomas por la posición de su centrómero
Metacéntricos: el centrómero se localiza a mitad del cromosoma y los dos brazos presentan igual longitud Submetacéntricos : la longitud de un brazo del cromosoma es algo mayor que la del otro. Acrocéntrico : un brazo es muy corto y el otro largo Telocéntrico : sólo se aprecia un brazo del cromosoma al estar el centrómero en el extremo
