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NÚCLEO
Probablemente el núcleo surgió en una célula procariota ancestral a partir de un mesosoma, invaginaciones que presentan las células procariotas en la membrana. Entonces, la membrana plasmática dentro del núcleo encerró el DNA y formó un compartimento topológicamente igual al medio intracelular. Con un espacio intramembranoso topológicamente igual al exterior y al retículo.
En el mesosoma había ribososmas adosados que, que al formar el núcleo formó el retículo endoplasmático.
La separación de la transcripción y la traducción mejoró la complejidad de manera rápida y precisa, con alta eficacia. Por ejemplo la eliminación de intrones y exones y que los eucariotas sean monocistrónicos y las procariotas policistrónicos solo ocurriría a si hay núcleo.
ESTRUCTURAS GENERAL DEL NÚCLEO
Una célula no tiene por qué tener sólo un núcleo. Hay excepciones de células polinucleadas, como las binucleadas (hepatocitos, candrócitos…) y de más de dos núcleos (músculo estriado, macrófagos…). Estos tipos celulares surgieron de dos mecanismos posibles:
- Plasmodi: En la división celular no hay citocinesis
- Sinciti: Fusión de varias células.
La envoltura nuclear encierra el DNA y define el compartimento nuclear. Está formado por dos membranas concéntricas que están perforadas por complejos de poro nuclear (NPC)
La membrana nuclear interna está unidad a proteínas integrales que mantiene unido los filamentos intermedios de la lámina nuclear y la cromatina. La externa rodea a la interna y es continua con el RE rugoso. El retículo y la externa están rodeadas de ribosomas adosados. Estos ribosomas sintetizan proteínas y lo transportan al espacio perinuclear , que es continua con el lumen del retículo endoplasmático o pueden sintetizarse directamente al lumen.
En el núcleo hay una zona con una gran densidad que se llama nucléolo , es la parte de la cromatina donde actuá la RNA polimerasa I y sintetiza ARN precursor de 45 S. (18, S, 28 S y 5.8 S). El 18 S con proteínas forman la subunidad pequeña en eucariotas. El de 28 S, 5.8 S y 5S (sintetizado fuera nucleolo) con otras proteínas forma la subunidad grande en eucariotas.
Dentro del núcleo hay un nucleoplasma donde se encuentra el DNA con proteínas asociadas ( cromatina ). Se encuentra normalmente compactada, en heterocromatina (normalmente periférica) y eucromatina. Hay una gran cantidad de proteínas que se unen al ADN (histonas, DNA polimerasas, RNA polimerasa…) y subunidades ribosomales recién sintetizados, entre otras.
MECANISMOS DE TRANPORTE POR NPC
Hay un tráfico de moléculas bidireccional entre el citosol y el núcleo. Por un lado la gran cantidad de proteínas que actúan en el núcleo (DNA polimerasas, histonas, proteínas de procesamiento de RNA, de regulación) son sintetizadas en el citosol e importadas de forma selectiva al núcleo. E igualmente los mRNA, los tRNA, los rRNA son sintetizados en el núcleo y exportados luego al citosol de forma
selectiva (mRNA sólo se exportan si son modificados en el núcleo). Y otras que están reguladas de entrar y salir del núcleo (proteínas regulación genéticas)
La envoltura nuclear está perforada por complejo de poro nuclear (NPC). Están formados por unas 30 proteínas diferentes que se llaman nucleoporinas y se organizan de manera bi-ortogonal.
En los mamíferos cada envoltura tiene entre 3000-4000 NPC y el paso por estos poros es enorme: pasan más de 500 macromoléculas/s en ambos sentidos simultáneamente. No se sabe exactamente como.
Cada NCP contiene uno o más pasos acuosos, por donde pueden difundir pasivamente pequeñas moléculas solubles en agua. Al aumentar el tamaño de la partícula la velocidad de difusión pasiva es menor. Proteínas menores a 500 daltons, solubles e iones, pasan con elevada facilidad. Otras mayores de 60.000 daltons no pasan por el poro, sino muy lentamente.
El bloqueo de moléculas de gran tamaño de forma pasiva es gracias a la forma del NCP. Muchas proteínas del complejo de poro nuclear tienen una zona desestructurada que forma como un laberinto desordenado (banco de algas), dejando pasar moléculas pequeñas por orificios acuosos y bloqueando el paso de partículas grandes.
Como muchas proteínas son muy grandes, el citosol y el núcleo tienen composición proteica diferente. Así ribosomas maduros no pueden pasar por el poro y se quedan confinados en el citosol cuando han salido. Pero igualmente hay grandes proteínas como las RNA polimerasa, histonas… que deben importarse al núcleo. Y otras que deben salir de él. Esto ocurro por un proceso activo (dependiente de GTP) y selectivo.
ESTRUCTURA DEL PORO
En una sección transversal. el NPC parece estar formado por cuatro elementos: las subunidades en forma de columna, que forman el grueso de la pared del poro; las subunidades anulares, ubicadas en el centro; las subunldades luminales, que contienen proteínas transmembrana que anclan el complejo de poro a la membrana nuclear, y las subunidades del anillo, que forman las caras citosólica y nuclear del complejo. Además, existen fibrillas que sobresalen tanto desde la cara citosólica como desde la cara nuclear del NPC. En la parte nuclear, las fibrillas convergen formando estructuras en forma de cesta. Parece ser que está cesta deja un espacio considerable de la cromatina y la lámina nuclear.
Estudios en microscopia electrónica muestran que las proteínas que forman el núcleo del NPC se orientan simétricamente a través de la envoltura nuclear de forma que las caras nuclear y citotosólica parecen idénticas. Por el contrario, las proteínas que forman las fibras son diferentes en el lado citosólico y el nuclear de los NPC.
La símetrla de ocho unidades centrada en un punto y de dos unidades centrada en un plano del núcleo de los NPC explica cómo puede formarse una enorme estructura con sólo unas 30 proteínas diferentes ya que muchas de estas proteínas están presentes 16 copias (o múltiplos de 16). Los dominios desordenados del núcleo de las proteínas se extienden hacia el centro de los NPC, bloqueando la difusión pasiva de las grandes macromoléculas.
Señalización para tráfico nuclear
La GTPasa Ran existen en dos conformaciones, con GTP o con GDP unido. El estado de las conformaciones puede inducirse por proteínas reguladoras: proteína citosólica activadora de GTPasa (GAP) que induce la hidrólisis de GTP en GDP se encuentra en el citosol y, por tanto el estado citosólico suele ser con GDP
En el núcleo se encuentra el factor nuclear intercambidor de guanina (GEF) que activa el paso de forma GDP-Ran a GTP-Ran. Se encuentra en el núcleo, unido a la cromatina, y por eso suele haber allí GTP- Ran.
Este gradiente de dos formas de Ran dirige el transporte selectivo de manera apropiada.
Importación: La unión a receptores de importación a la Fenialalanina-Glicina del poro en la cara citosólica se produce tanto si está unido a la cargo como si está libre. Cuando llega a la parte nuclear Ran- GTP se une a ellos y si llegan cargados con molécula la unión de Ran.GTP hace que liberen su carga. Como en el citosol Ran-GDP no se une a receptores cargados, la descarga sólo se produce en el núcleo (donde hay Ran-GTP). Una vez vació el receptor vuelve al citosol, donde esta la proteína citosólica activadora de GTPasa Ran-GAP que hidroliza el GTP en GDP y produce la liberación de GDP y el receptor de importación nuclear.
Exportación: La unión de Ran-GTP en el núcleo favorece la unión de la carga a los receptores de exportación. Cuando llegan al citosol se produce la hidrólisis por Ran-GAP proteína citosólica activadora de GTPasa que produce la hidrólisis de Ran-GTP en Ran-GDP y la disociación de la carga y el Ran-GDP.
PROTEÍNAS DE DOBLE JUEGO
Hay proteínas que tienen señales tanto de exportación como importación nuclear. Esto ocurre en proteínas que se desplazan de manera constante, como las que se unen a mRNA. Estas proteínas lanzadera se distribuyen según la velocidad de exportación e importación. Cambios en la velocidad, cambian la distribución.
Pero, hay otras que están estrictamente controlado su distribución. Así, se mantienen fuera del núcleo hasta que son necesarias dentro (como proteínas de regulación genética, acivadoras por señales hidrofóbicas como hormonas esteroideas, tiroideas, vitamina D...).
Muchas proteínas lo regulan, activando o desactivando las secuenicas por fosforilación de aminoácidos cercanos a la secuencia señal. Por ejemplo el factor que activa las proteínas T (NF-AT) es una proteína reguladora de genes, que en una célula en reposo se encuentra en la célula en estado fosforilado. Cuando las células T están activas por antígenos extraños, se eleva la conentración de Ca2+, que activa la proteína fosfatasa calcineurina que desfosforila y deja expuestas señales de importación y esconde las de exportación importación. El complejo proteínas-calcineurian es importado al núcleo donde la NF-AT activa la transcripción de genes que activan las células T. Esto produce una bajada de los niveles de calcio en la célula, que contribuye a la resfosforilación por un proteínas quinasa después de la liberación de la fosfatasa calcineurina. La fosforilación activa las señales de exporación nuclear y oculta las de importación y vuelve al citosol.
Otras proteínas se unen a proteínas inhibidoras que las mantienen fuera del núcleo o unidos a orgánulos o citoesqueleto donde enmascaranla señal de localización nuclear.
La lámina nuclear en la división del núcleo
Durante la mitosis, el núcleo celular se desmonta. Esto ocurre, parcialmente, al final de la profase porque las Cdk-M fosforilan componentes del poro nuclear y de la lámina, lo que desorganiza la estructura de los poros y la lámina, una red bidimensional de filamentos intermedios que junto las proteínas integrales se unen a la cromatina.
Para que los cromosmas se vuelvan a unir a la envoltura nuclear y se vuelvan a formar dos núcleos hace falta que se desfosforilen estas subunidades que ha fosforilado la Cdk-M, durante la telofase.
Los cromosomas están marcados por Ran-GTP, ya que allí se encuentra factor nuclear intercambidor de guanina (GEF). Esto atrae el poro nuclear unido con las importinas, la lámina y la membrana interna. Como cuando se reforma los núcleos la membrana está muy pegada a la superficie del cromosoma sólo se importan moléculas a través de los poros.
