Núcleo interfásico

N
úcleo interf
ásico
Núcleo
interfásico
Prof. Iván Rebolledo
Introducción histórica
Generalidades estructurales
En 1876, Balbiani observó estructuras cilíndricas en el núcleo, previo
a su división. En 1871, Miescher
designó como nucleina al compuesto
fosforado
encontrado
en
el
espermatozoide de salmón. En
1879, Flemming acuñó el término de
cromatina para nombrar a la
sustancia que se colorea intensamente con colorantes básicos. En
1888, Waldeyer usó el nombre de
cromosoma
para
señalar
las
estructuras cilíndricas observadas
años atrás.
Con el uso de colorantes básicos
se encontró que en los núcleos
interfásicos, la cromatina puede
encontrarse en estado condensada
(heterocromatina) o en forma
dispersa (eucromatina). La heterocromatina tiende a adherirse al lado
interno de la envoltura nuclear.
Recordemos que la envoltura
nuclear es la estructura citológica
que marca la clasificación de células
procarióticas y eucarióticas. Los
términos procarionte (pro, antes de y
karyon, núcleo) para la vida
pronuclear
y
eucarionte
(eu,
verdadero y karion, núcleo) para los
organismos
nucleados
fueron
sugeridos por Hans Ris en los años
60, siendo aceptados hasta ahora.
El término interfásico proviene de
un lapso de tiempo en que la célula
no está en división. Creo que el
esquema de abajo aclare esto.
Mitosis
Interfase
Mitosis
La envoltura nuclear es una
cisterna perinuclear conformada por
dos membranas, una externa y otra
interna, entre las cuales se
encuentra el espacio perinuclear y
que se encuentra atravesada por los
llamados complejos de poro nuclear.
El espacio interior del núcleo
suele llamarse nucleoplasma, el
cual puede contener uno o varios
cuerpos denominados nucléolos que
poseen una alta concentración de
moléculas de ARNr, proteínas y
subunidades de los ribosomas. El
nucleoplasma
muestra
también
gránulos densos ricos en nucleoproteínas que contienen precursores
de los ARN.
El núcleo parece tener una
estructura interna que organiza los
materiales internos y localiza
algunas funciones en sitios precisos,
de aquí que se esté hablando de la
matriz nuclear, como una especia
de esqueleto estructural del núcleo.
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Núcleo interfásico
Envoltura nuclear(*)
Las membranas llegan a fusionarse
a nivel de los complejos de poro, la
única vía que pueden utilizar las
pequeñas moléculas polares y
macromoléculas para entrar o salir
del núcleo.
La envoltura nuclear separa el
contenido del núcleo del citoplasma,
actúa como barrera que impide que
moléculas no autorizadas puedan
entrar o salir y así mantiene un
compartimiento bioquímico muy
regulado e independiente.
Subyacente a la membrana interna
de la envoltura nuclear se encuentra
la lámina nuclear: una trama fibrosa
que le da soporte a la envoltura
nuclear.
Esta
lámina
está
conformada por proteínas fibrosas
llamadas lámina (60-80 kd), de las
cuales existen 4 variedades (A, B1,
B2 y C) y que corresponden al tipo V
de los filamentos intermedios.
Además de proporcionar soporte a la
envoltura nuclear se piensa que
sirve como punto de unión a las
diferentes asas del ADN. Por último,
estas proteínas logran unirse a
proteínas de la membrana interna de
la envoltura nuclear.
La
envoltura
nuclear
está
conformada por dos membranas
nucleares, una lamina nuclear
subyacente y complejos de poro
nuclear. Las membranas son una
externa y otra interna. La membrana
externa se continúa con el RE de tal
forma que el espacio perinuclear se
comunica con el lumen del RE.
Además, esta membrana externa es
molecular y funcionalmente similar a
la membrana del RER; aún más,
existen ribosomas asociados a la
superficie externa de la membrana
externa.
(*) no debe hablarse de membrana nuclear para
referirse a la envoltura nuclear, pues ésta la conforman
dos membranas.
B
C
D
E
A
Micrografía electrónica que muestra un sector de la envoltura nuclear. A, citosol; B,
nucleoplasma; C, complejo de poro; D, ribosomas; E, membranas nucleares.
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Núcleo interfásico
Complejo de poro
El complejo de poro es el único
canal por el cual pueden atravesar
las moléculas polares, los iones y las
macromoléculas (proteínas, ARN,
subunidades del ribosoma). Es una
estructura muy compleja con un ∅
de 120 nm y un peso molecular
estimado en 125 millones de daltons
Al ME se visualiza una estructura
octogonal alrededor de un gran
canal central. El uso de otras
técnicas han sugerido un modelo
muy particular, que se muestra aquí.
citoplasma
Membrana
externa
Se ha establecido la presencia de
una pequeñas hendiduras (≈ 10 nm
∅) entre los complejos octogonales
que podrían representar pasos a
través de los cuales podrían cruzar
pequeñas moléculas no iónicas
(lisozima, 14 kd; ovoalbúmina, 44
kd).
En ovocitos, espermatocitos y
células
embrionarias
se
han
encontrado en el citosol las llamadas
laminillas anulares, que son unas
formaciones membranosas apiladas
con abundantes complejos de poro.
Se postula que podrían representar
una forma de almacenamiento de
complejo de poro preformados.
Importación selectiva
Es evidente de las diferentes
funciones que suceden dentro del
núcleo, la presencia de muchas
proteínas las cuales son todas
sintetizadas en el citoplasma.
nucleoplasma
Membrana
interna
Puede verse la presencia de dos
anillos de 8 unidades cada uno: uno
citosólico y otro nuclear. Además
hay proteínas filamentosas que se
extienden desde estos anillos hacia
cada compartimiento. Por último, se
ve el tapón central, cuya naturaleza
está en estudio.
Como Ud. ya sabe, las proteínas
sintetizadas en el citosol disponen
de una secuencia señal que permite
dirigirlas hacia el RER, en caso
contrario se quedarán en el citosol.
Como una extensión de este
principio,
le
resumiré
unos
resultados experimentales de Alan
Smith(*) sobre la identificación de la
secuencia señal nuclear.
(*) Cell 39:499-509 (1984)
113
Núcleo interfásico
Utilizó como modelo una proteína
llamada antígeno T del virus SV40,
de 94 kd y necesaria para que el
virus pueda replicarse dentro del
núcleo de las células infectadas.
Cuando se obtuvo una mutación
de esta proteína en la lisina ubicada
en la posición número 128, la
proteína permanecía en el citosol y
no ingresaba al núcleo. Para probar
la hipótesis de una secuencia de
señalización nuclear, otros investigadores fraccionaron la proteína en 3
sectores: 1-126; 127-133 y 134
hasta el C terminal. Encontraron que
el primer y tercer sector podía entrar
al núcleo, no así el segundo.
Parecía que este sector era la señal
para que la proteína entrara al
núcleo.
Ahora viene lo grandioso: tomaron
este sector intermedio (127-133) y lo
añadieron
a
proteínas
que
normalmente permanecen en el
citosol. ¿Qué cree Ud. que sucedió?
Pues sí señor, esas proteínas (βgalactosidasa;
piruvato
kinasa)
pudíeron entrar al núcleo.
Conclusión: esta secuencia de 7
aminoácidos
representa
la
secuencia señal nuclear para las
proteínas que deben ingresar al
núcleo.
Posteriores
estudios
determinaron que esta secuencia la
integran PKKKRKV (averigue a
cuáles aminoácidos corresponden).
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La importación de la proteína a
través del complejo de poro puede
ser operacionalmente dividida en
dos etapas. En la primera etapa la
secuencia de localización nuclear es
reconocida por un receptor citosólico
y el complejo se une al complejo de
poro. Este receptor se denomina
importina y posee dos cadenas
polipeptídicas: alfa, que se une a la
secuencia y beta, media la unión del
complejo con el complejo de poro.
Secuencia señalización nuclear
Importina
Membrana
nuclear
externa
Membrana
nuclear
interna
Núcleo interfásico
La segunda etapa corresponde a
la translocación de la proteína a
través del complejo de poro. Esta
etapa
requiere
de
energía
proporcionada por hidrólisis del ATP.
El complejo proteína-receptor se une
a las proteínas del anillo proteico
externo, cambia su configuración y
desprende la subunidad beta. Con
ayuda energética el resto penetra.
Una proteína necesaria para la
translocación es la llamada Ran que
maneja ciclos de GTP-GDP. Se
considera que intervenga en la
disociación de la otra subunidad.
Como se aprecia en la tabla, las
histonas y el ADN se encuentran en
una relación aproximada de 1:1.
Esto sugiere una relación molecular.
Las
histonas
son
proteínas
pequeñas con alto contenido de
arginina y lisina. Existen 5 variedades de histonas denominadas: H1,
H2A, H2B, H3 y H4. Estas proteínas
son básicas y pueden unirse
fuertemente al ADN que es ácido
(por su contenido en PO4). Las
histonas ricas en arginina son la H3 y
H4; las ligeramente ricas en lisina
son las H2A y H2B; y la rica en lisina
es la H1.
2 moléculas de c/u
H2A, H2B, H3 y H4
Cromatina
El ADN es la principal componente genético de la célula, que se
halla en el núcleo de las células
eucarióticas, formando un complejo
con
proteínas
denominado
cromatina. La siguiente tabla
resume la composición porcentual
de los componentes de la cromatina
en núcleos de hepatocitos.
COMPONENTE
%
ADN
31
ARN
5
Histonas
32
Proteínas no-histonas
28
Hay más de mil proteínas no
histónicas diferentes, comprometidas en una serie de actividades
nucleares,
principalmente
la
replicación y la transcripción. Como
ejemplos
recordamos:
ADN
polimerasas, ARN polimerasas,
helicasa, primasa, topoisomerasa,
etc. etc.
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Núcleo interfásico
La unidad estructural básica de la
cromatina es el nucleosoma
(mostrado en la figura anterior)
descrito por Roger Kornberg (1974).
Propuso que cada nucleosoma
estaba formado por un sector de
ADN de 146 pares de bases que
daban casi dos vueltas (1.75)
alrededor de un centro de 8 histonas
Las histonas que integran dicho
centro son dos de cada una de las
siguientes histonas : H2A, H2B, H3 y
H4. La histona H1 se ubica en el sitio
en que el ADN entra y sale del
nucleosoma. Entre los nucleosomas
hay trozos de ADN de ≈60 pares de
bases. Al ME esta configuración
puede verse como si fuera un “collar
de cuentas”.
116
Esta secuencia de nucleosomas
conforma una fibra de ≈ 10 nm ∅,
llamada fibra delgada. Esta forma
de empaque del ADN acorta su
longitud en unas seis veces. Luego,
esta fibra delgada se pliega
conformando una fibra gruesa de
≈30 nm ∅, en la cual se ubican unos
6 nucleosomas por vuelta de hélice.
Las fibras gruesas se observan en
los cromosomas metafásicos y en
parte del núcleo interfásico.
Eucromatina y
heterocromatina
Cuando las células no están en
división, gran parte de la cromatina
está descondensada y distribuida en
todo el núcleo, suele llamarse
eucromatina. Durante este período
del ciclo celular, los genes son
transcritos y ADN puede replicarse.
Gran parte de la eucromatina se
encuentra en forma de fibras
gruesas de 30 nm, las cuales suelen
organizarse en grandes asas.
Núcleo interfásico
Asa gruesa
de ADN
Proteína
andamio
La cromatina interfásico posee un
10 % de heterocromatina: un
estado muy condensado similar a la
cromatina de las células que están
en mitosis. La heterocromatina es
transcripcionalmente
inactiva
y
contiene
muchas
secuencias
repetidas, tales como las que se
encuentran en los centrómeros y
telómeros (averigüe qué son estas
estructuras). Cuando las células
entran en mitosis, su cromatina llega
a condensarse a un nivel máximo
para conformar los cromosomas,
visibles al MO.
Nucléolo
La subestructura más prominente
dentro del núcleo es el nucléolo, el
cual es el sitio de transcripción y
procesamiento del ARNr y del
ensamble de las subunidades del
ribosoma. Las células que realizan
intensa
síntesis
de
proteínas
muestran un notable nucléolo. El
nucléolo es la “fabrica” de las
subunidades del ribosoma, las
cuales abandonan el núcleo a través
del complejo de poro para ir a unirse
al ARNm e iniciar la síntesis de
proteínas.
Morfológicamente, el nucléolo
comprende tres regiones concéntricas: centro fibrilar laxo, medio
fibrilar denso y externo granular. Se
consideran que estas regiones
representan los sitios de estados
progresivos de la transcripción,
procesamiento y ensamble de las
subunidades de los ribosomas. Así,
los genes para los ARNr están
localizados y se transcriben en la
región
central
y
media.
El
procesamiento y ensamble de las
subunidades de los ribosomas, es
decir, la unión de los ARNr con las
proteínas, se inicia en la región
media y continúa en la región
externa,
desde
donde
las
subunidades están listas para ser
exportadas hacia el citosol a través
de los complejo de poro.
117
Núcleo interfásico
Matriz nuclear
Aplicación médica
La matriz nuclear es el esqueleto
estructural del núcleo. Varios
científicos llegaron a este concepto
luego de aplicar ADNasas para
digerir gran parte del ADN y buffer
muy salinos para extraer gran parte
de las histonas y otras proteínas.
Como comprenderá, después de
extraer todo el contenido del núcleo,
debiera variar la forma e integridad
del núcleo. Pues no ocurrió así, sino
que quedó una trama residual que
mantuvo la forma y tamaño original
del núcleo. Esto nos lleva a que la
matriz nuclear es comparable al
citoesqueleto que mantiene la forma
celular. Además, se ha confirmado
su importancia en movimientos
direccionales de ciertos productos,
tales
como
los
ARNm,
las
subunidades ribosomales, etc.
Existe una enfermedad llamada
lupus eritematoso sistémico, del tipo
de las enfermedades autoinmunes,
que produce erupciones en la piel,
artritis y alteraciones renales. Es
más frecuente en mujeres que en
varones, con edades promedio entre
20 y 60 años.
Como es un punto de activa
investigación,
se
empieza
a
considerar que estos filamentos de
la matriz estarían constituidos por
microfilamentos de actina. Se
sugiere que la orientación de estos
microfilamentos sería desde el
centro del núcleo hasta sitios más
periféricos. Servirían como guía de
los ARN desde su lugar de
transcripción y procesamiento hasta
los complejo de poro.
118
Una
enfermedad
autoinmune
sucede cuando el organismo
produce anticuerpos contra sus
propios constituyentes celulares
normales. En el caso del Lupus, se
producen
anticuerpos
contra
componentes del núcleo: el ADN,
histonas, proteínas cromosómicas y
ribonucleoproteínas
pequeñas
nucleares (RNPsn).
El diagnóstico histológico se hace
precisamente
detectando
los
anticuerpos
antinucleares
con
sustancias fluorescentes.
Debido a que se producen
muchos
autoanticuerpos
se
considera que la falla puede
encontrarse a nivel de los linfocitos
B, que al transformarse en células
plasmáticas son las que producen
los anticuerpos.