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Tema 7 biologia. Nucleo y nucleolo. Biologia para ciencias ambientales (Jaen)...

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Tema 7.1 Núcleo y Nucléolo

Curso 11/12

TEMA 7.1

NÚCLEO Y NUCLÉOLO

1. NÚCLEO 1.1 Características generales del núcleo de una célula eucariota 1.2 Envoltura nuclear 1.3 Cromosomas: empaquetamiento del genoma 1.4 El núcleo como orgánulo organizado 2. NUCLÉOLO 2.1 Arquitectura molecular 2.2 Funciones del nucléolo 2.3. Ciclo del nucléolo

1. NÚCLEO Las células poseen un material genético que alberga la información necesaria para regular todas sus actividades y que es transmitido de generación en generación. En células precarióticas, casi todo el material genético está constituido por una hebra de ADN desnuda (no unido a otras proteínas que no sean las implicadas exclusivamente en su regulación). En bacterias, se denomina cromosoma bacteriano o nucleoide y se localiza inmerso el seno del hialoplasma, anclado a la membrana plasmática.

En células eucarióticas, la información genética está impresa en estructuras independientes y bien definidas, los cromosomas, localizados en el interior de un orgánulo rodeada de doble membrana, denominado núcleo.

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1.1 Características generales del núcleo de una célula eucariota El núcleo de una célula eucariota tiene una morfología común. El contenido del núcleo aparece como una masa viscosa amorfa de material englobado en una envoltura nuclear compleja. Dentro del núcleo de una célula típica en interfase (o sea, no mitótica) se encuentran: 1)

Los cromosomas, visibles como fibras muy largas de nucleoproteína llamada cromatina.

2)

La matriz nuclear, que es una red fibrilar que contiene proteínas.

3)

Uno o más nucléolos, que son estructuras amorfas, electrónicamente densas, en las cuales se sintetiza RNA ribosómico y se lleva a cabo el ensamblaje de los ribosomas.

4)

El nucleoplasma, sustancia líquida en la que se disuelven los solutos del núcleo.

1.2 La envoltura nuclear La envoltura nuclear es una estructura de organización compleja que actúa como frontera entre el núcleo y el citoplasma de una célula eucariota. La separación del material genético celular del citoplasma que le rodea puede ser la característica única más importante que distingue a los eucariotas de los procariotas, por lo que se presenta como un punto de referencia en la evolución biológica. La continuidad de la envoltura nuclear como estructura limítrofe se mantiene por medio de un par de membranas concéntricas separadas por un espacio intermembrana de 10-15 nm. Las dos membranas se funden en diferentes sitios formando unos poros circulares que contienen un armazón complejo de proteínas; como promedio, una célula de mamífero contiene unos 3000 poros nucleares. Los poros nucleares permiten el movimiento de RNA y proteínas entre el núcleo y el citoplasma. De este modo, proteínas y enzimas necesarios para la replicación y la transcripción de los ácidos nucleicos pasarán del citoplasma al núcleo, mientras que mRNA, tRNA y las subunidades ribosómicas podrán desplazarse del núcleo al citoplasma. En la membrana externa, por lo general, se observan ribosomas dispersos y, casi siempre, en continuidad con la del retículo endoplásmico. La superficie interna de la envoltura nuclear se encuentra revestida por una red fibrilar densa, denominada lámina nuclear. Dicha lámina actúa como apoyo estructural para la envoltura nuclear, y sirve también como sitio para anclar las fibras de cromatina en la periferia del núcleo. Las fibrillas de la lámina nuclear tienen aproximadamente 10 nm de diámetro, y se componen de polipéptidos llamados láminas, que pertenecen a la misma familia de los filamentos intermedios del citoesqueleto. La integridad de la lámina nuclear es regulada por fosforilación y defosforilación; la fosforilación induce su desensamblaje antes de la mitosis.

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1.3 Cromosomas: empaquetamiento del genoma Cuando pensamos en la estructura de un cromosoma, la primera imagen que se nos presenta es la de un cromosoma mitótico. En esta estructura los cromosomas se muestran al principio de la mitosis y “desaparecen” una vez que ésta concluye. Pero ¿cuál es la naturaleza del cromosoma en la célula no mitótica? Empaquetamiento del genoma Una célula humana promedio contiene casi 6000 millones de pares de bases de ADN, divididas entre 46 cromosomas. Cada cromosoma contiene una sola molécula contínua de ADN; cuanto mayor sea el cromosoma, más larga será la molécula de ADN que contenga. Puesto que cada par de bases ocupa 0.34 nm de longitud de la doble hélice, los 6000 millones de pares de bases equivalen a una fibra de ADN de ¡dos metros de largo! (0.34·10-9 m/1 pb ADN) x (6·109 pb ADN) = 2.04 m Además, el ADN del interior de una célula está hidratado (casi seis moléculas de agua por cada par de bases), que expande su volumen aún más. A partir de estos datos nos surgen dos cuestiones: ¿Cómo es posible fijar dos metros de ADN hidratado en un núcleo de sólo 10 m de diámetro (por término medio), y, más aún, mantener el ADN accesible a enzimas y proteínas reguladoras? ¿Cómo se organiza una única molécula de DNA de cada cromosoma de modo que no se enrede con las moléculas de otros cromosomas? Pues bien, la respuesta es: la molécula de DNA se empaqueta. Los cromosomas están formados por una fibra denominada cromatina, compuesta de ADN, proteínas y un pequeño porcentaje de RNA. Las proteínas de la cromatina se clasifican en dos grandes grupos: Histonas: proteinas básicas bien definidas, cuya principal función es empaquetar y estabilizar el ADN; se dividen en cinco grupos: H1, H2A, H2B, H3 y H4, atendiendo a su contenido en lisina y arginina. No histonas: proteínas reguladoras enzimáticas de estructura y funciones muy diversas. El empaquetamiento ordenado del ADN puede explicarse atendiendo a los niveles de organización de los cromosomas: Nucleosomas Es el menor nivel de organización de los cromosomas. Los nucleosomas son unidades repetitivas de organización del ADN y de las histonas. Cada nucleosoma está constituido por 146 pb de ADN que se enrollan casi dos veces alrededor de un complejo central de 2 moléculas de histonas de cada uno de los siguientes tipos: H2A, H2B, H3 y H4. Las partículas centrales del nucleosoma se conectan entre sí mediante un tramo de ADN de unos 60 pb; juntos, el ADN del nucleosoma y el del tramo de unión tienen casi 200 pb. Cuando se someten preparaciones de ADN a soluciones de baja concentración salina es cuando podemos detectar este primer nivel de empaquetamiento del ADN cromosómico, de modo que sólo se observa el ADN enrollado en partículas centrales de nucleosomas a modo de “cuentas de rosario”.

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Un nucleosoma tiene un diámetro de 10 nm, alrededor del cual hay 200 pb. Sin embargo, si tenemos en cuenta sólo el ADN extendido, 200 pb tienen una longitud 68 nm (200 pb x 0.34nm). Es decir, en los nucleosomas, el ADN está empaquetado en una proporción 7:1. Filamentos de 30 nm Sin embargo, la cromatina no se encuentra en su nivel de “cuentas de rosario” dentro de la célula, si no que las micrografías obtenidas con un microscopio electrónico revelan que las fibras de cromatina (procedentes de núcleos en presencia de iones bivalentes) se

observan como filamentos con un espesor de 30 nm. El mantenimiento de este tipo de filamentos depende de la interacción entre moléculas de histona H1 de los nucleosomas vecinos. Este nivel de organización incrementa la relación de empaquetamiento del ADN unas seis veces más. Asas superenrolladas El siguiente nivel de empaquetamiento de las moléculas de ADN dentro de un núcleo celular ocurre cuando los filamentos de cromatina de 30 nm, se organizan en una serie de asas amplias superenrolladas (también se denominan microcónvulas). Se estima que cada asa contiene entre 10 y 150 kilobases (kb) de ADN, y que está unida en su base a proteínas específicas no histonas de la matriz nuclear. Las asas pueden dividir al genoma en dominios que contengan un solo gen o un pequeño conjunto de genes enlazados y expresados bajo un mecanismo regulador común. Si un asa tiene un tamaño promedio de unas 50 kb, y un conjunto haploide de cromosomas humanos presenta casi 60000 asas, se estimaba que el número de genes que contiene el genoma humano debería de ser de este mismo orden de magnitud. En esta estructura de asas superenrolladas dispersas, unidas a proteínas de la matriz nuclear, es en la que se encuentran los cromosomas interfásicos. Cromosomas mitóticos Un cromosoma mitótico representa la última etapa de empaquetamiento de la cromatina. Un cromosoma mitótico de 1 m de longitud típicamente contiene aproximadamente 1

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cm de ADN. Este empaquetamiento se debe principalmente a la fosforilación de las histonas H1 (parece ser que además pueden fosforilarse las H3), y también intervienen proteínas no histonas en la compactación. El estado disperso de la cromatina en interfase favorece la replicación y la transcripción del DNA, mientras que el estado altamente condensado del cromosoma mitótico favorece la dotación de un “paquete” de ADN íntegro a cada célula hija. Cada cromosoma mitótico adopta una forma distinta y predecible determinada principalmente tanto por la longitud de la molécula de ADN en ese cromosoma como por la posición del centrómero. El centrómero, que también se denomina constricción primaria, es un sítio donde la superficie externa del cromosoma está claramente indentada. Está formado principalmente por heterocromatina constitutiva (que se describirá en el siguiente apartado). En la superficie externa del centrómero se observa una estructura parecida a una placa que se denomina cinetocoro, situado en la superficie externa del centrómero, y que desempeña un papel clave durante la mitosis, al ser el punto de fijación del cromosoma al huso mitótico (formado principalmente por microtúbulos). Otra zona a destacar de los cromosomas son los llamados telómeros, que consisten en secuencias repetidas del ADN localizado en los extremos de los cromosomas, y que participan en (1) la duplicación completa del cromosoma, (2) la protección de los cromosomas frente al ataque por nucleasas, (3) evitan que los extremos de los cromosomas se fusionen entre sí, y (4) pueden facilitar la interacción entre los extremos del cromosoma y la envoltura nuclear.

Heterocromatina y eucromatina Cuando concluye la mitosis, la mayor parte de la cromatina que compone los cromosomas mitóticos, altamente empaquetados, se dispersa y regresa a su condición física de interfase. Sin embargo, aproximadamente el 10% del material cromosómico permanece en forma condensada durante la interfase, y se suele observar en la periferia del núcleo. La cromatina condensada se denomina heterocromatina, y eucromatina la dispersa. Se detectan dos tipos de heterocromatina: constitutiva y facultativa. Se denomina heterocromatina constitutiva cuando permanece en estado condensado en todas las células de ese organismo y en todo momento. Representa al ADN silencioso permanente y son secuencias altamente repetitivas. En mamíferos se sitúa dentro del centrómero de cada cromosoma y alrededor del mismo. La heterocromatina facultativa es una cromatina específicamente inactivada durante ciertas fases de la vida de un organismo.

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1.4 El núcleo como orgánulo organizado El núcleo es un compartimento altamente ordenado, pues las fibras de cromatina de cada cromosoma se concentran en un dominio específico de modo que no se superponen con las de otro cromosoma; otro medio de ordenar los cromosomas dentro del núcleo es mediante interacciones de los extremos de los cromosomas y la envoltura nuclear. Además, la matriz nuclear es una red fibrilar proteica insoluble cuya función no es sólo actuar como un esqueleto para mantener la forma del núcleo, si no que también es el molde sobre el que se organizan las asas de cromatina y sirve para anclar parte del mecanismo implicado en diferentes actividades del núcleo, tales como la replicación, la transcripción y el procesamiento de RNA. 2. NUCLÉOLO El nucléolo es un orgánulo celular, no rodeado de membrana, que se localiza en el interior del núcleo. Su estructura se genera como consecuencia de su principal función: la transcripción y maduración de rRNAs y, por tanto, el ensamblaje de las partículas ribosomales. La zona del cromosoma en la que se agrupan los genes que codifican para el RNA ribosómico se denomina organizador nucleolar, y se localiza a nivel de la constricción secundaria del cromosoma. 2.1 Arquitectura molecular La arquitectura típica del nucléolo de un metazoo consiste en tres elementos principales: el centro fibrilar (C), el componente denso fibrilar (F) y el componente granular (G). Dependiendo de las especies, del tipo celular y del estado fisiológico de la célula, puede detectarse una diversidad considerable tanto en la proporción como en la alineación de los diversos componentes; así pues, podemos hablar de un nucléolo compacto o de un nucléolo reticular. Como ya se ha comentado, la estructura del nucléolo interfásico se organiza debido a la transcripción de los genes ribosomales. Dicha transcripción genera dos de las estructuras encontradas en el nucléolo: el componente denso fibrilar (F) y el componente denso granular (G). El F contiene RNA pre-ribosomal (pre-rRNA) recién sintetizado y toda una colección de diferentes proteínas (se citarán después). El G contiene las partículas preribosomales casi completamente formadas y que serán dirigidas hacia el citoplasma. El tercer componente, el centro fibrilar (C), se detecta generalmente en el nucléolo de la mayoría de los metazoos, aunque generalmente no se observa en los eucariotas inferiores. Cuando está presente, el C está rodeado por el componente F. La zona de transcripción de las múltiples copias de los genes pre-rRNA se sitúa en el borde de la región situada entre el

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C y F. Las partículas pre-ribosomales se desplazan desde F hacia G hasta completar su procesamiento y ensamblaje. Además, en el nucléolo pueden observarse unas zonas claras intersticiales (I) que contienen fibras de cromatina intranuclear. Por todo lo expuesto, puede concluirse que la estructura normal de un nucléolo interfásico se mantiene principalmente gracias a la transcripción y al ensamblaje ribosómico, por lo que el nucléolo podría interpretarse como ‘un orgánulo formado como consecuencia de la biogénesis ribosomal’. Aún se conoce poco sobre los mecanismos que inducen la coalescencia de los diferentes componentes nucleolares en una estructura morfológicamente definida y altamente dinámica. Recientemente se han identificado moléculas de tipo espectrina en el nucléolo amplificado de los oocitos de anfibios, por lo que todo apunta a la presencia en el nucléolo de proteínas del citoesqueleto (que normalmente están en el citoplasma), las cuales pueden intervenir en la organización y en el mantenimiento estructural de este orgánulo, junto a la multitud de interacciones proteína-proteína y proteína-RNA que tienen lugar durante la transcripción y maduración de los RNAs y el ensamblaje de las partículas pre-ribosomales.

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2.2 Funciones del nucléolo Síntesis y procesamiento de rRNAs y construcción de las partículas ribosomales Se han detectado multitud de proteínas que participan en la transcripción de RNA (como la RNA polimerasa I), y en su procesamiento, maduración y ensamblaje en partículas pre-ribosomales (como la nucleolina y la fibrillarina). Zona de almacenamiento y de regulación para el intercambio nucleocitoplasmático En el nucléolo se localizan diferentes moléculas que participan en el movimiento a través del complejo del poro nuclear, lo que apunta a que el nucléolo interviene en la regulación del tráfico entre el núcleo y el citoplasma. Además, determinadas proteínas parecen ser ‘retenidas’ por el nucléolo con el fin de controlar su estado de activación; es decir, mientras se mantienen localizadas en el nucléolo están en estado inactivo o evitan ser degradadas. Por otro lado, se propone también como una importante función la implicación del nucléolo en el transporte del mRNA. Maduración del SRP-RNA En el nucléolo tienen lugar tanto el procesamiento del RNA que forma parte de las partículas de reconocimiento de la señal (SRP-RNA) como el ensamblaje y la exportación de éstas ribonucleoproteínas, las cuales intervienen en la unión de los ribosomas al retículo endoplásmico rugoso. Procesamiento de tRNAs y modificaciones post-transcripcionales de snRNAs Se han descrito en levaduras diferentes evidencias que apuntan a que el nucléolo es el sitio en el cual se procesan algunos tRNAs. Además, otras modificaciones posttranscripcionales de RNAs pequeños también tienen lugar en el nucléolo. Relación nucléolo/cuerpo de Cajal Se ha propuesto que los complejos denominados ‘transcriptosomas’ (que contienen la maquinaria de transcripción de la RNA polimerasa I y otros componentes de procesamiento relacionados) son ensamblados en una estructura nucleolar denominada cuerpo de Cajal (inicialmente llamado ‘cuerpo nucleolar accesorio’; en la siguiente figura está señalado por las puntas de flecha), y posteriormente transportados al nucléolo.

Implicaciones del nucléolo en el envejecimiento El nucléolo es una estructura que está implicada en los procesos de envejecimiento ya que (1) participa en el ensamblaje y el procesamiento de la telomerasa (un fallo en estas funciones daría lugar a un envejecimiento prematuro), y (2) el ‘secuestro’ de proteínas que participan junto a la telomerasa en el mantenimiento de los extremos de los cromosomas.

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2.3 El ciclo del nucléolo Una característica del ciclo celular es el desensamblaje de nucléolo durante la mitosis y su posterior reensamblaje conforme las células hijas entran en interfase. El desensamblaje estructural del nucléolo va acompañado de la detención de la transcripción de los genes ribosomales y la supresión del procesamiento del pre-rRNA.

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