Núcleo

La presencia del núcleo es la principal característica que distingue a las células eucariotas. El núcleo ocupa un 10% del volumen total de la célula y en él se halla confinado el ADN, excepto el de las mitocondrias. Lo delimita la carioteca o envoltura nuclear, compuesta por dos membranas concéntricas que se continúan en la membrana del RE.

La carioteca posee numerosas perforaciones-llamadas poros -, que comunican el interior del núcleo con el citosol. Además se encuentra reforzada por dos mallas de filamentos intermedios, una que se apoya sobre la superficie interna de la envoltura—la lámina nuclear vista en el capítulo 5-3—y otra que lo hace sobre la superficie externa En el compartimiento 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, pequeños), que se sintetizan en el núcleo al ser transcriptos sus genes. Estos ARN salen del núcleo por los poros de la envoltura nuclear después de su procesamiento. El nucléolo, donde se localizan los genes de los 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, las que se combinan con los ARNr en el nucléolo, las ADN polimerasas, las ARN polimerasas, etc. Estas proteínas son fabricadas en el citosol e ingresan en el núcleo por los poros de la envoltura nuclear. Los elementos mencionados se hallan dispersos en la matriz nuclear o nucleoplasma cuya composición es escasamente conocida.

ENVOLTURA NUCLEAR Hemos dicho que la envoltura nuclear o carioteca está compuesta por dos membranas concéntricas. Estas se unen a nivel de los poros, los cuales se hallan distribuidos más o menos regularmente por toda la envoltura. El espacio entre la membrana externa y la membrana interna — o espacio perinuclear — se comunica con la cavidad del RE. La membrana externa se continúa con la membrana de RE y es común que parezca tachonada de ribosomas Las proteínas que se sintetizan en esos ribosomas se incorporan a las membranas de la envoltura o se vuelcan en el espacio perinuclear.

La envoltura nuclear es sostenida por la lámina nuclear, que es un delgado entramado de laminofilamentos adherido a la membrana nuclear interna, excepto a nivel de los poros. Se mencionó que los laminofilamentos se componen de monómeros, las láminas A, B y C. La lámina nuclear se encuentra anclada a la membrana nuclear interna por medio de las lamina B, las cuales contienen — en su extremo carboxilo — un ácido graso insertado en la bicapa lipídica de dicha membrana. Este anclaje de la lámina nuclear, si bien es importante, no es suficiente, de ahí que se encuentre reforzado por la unión de las tres laminas tanto a proteínas integrales de la membrana nuclear interna como a proteínas de los poros nucleares.

Se verá que la lámina nuclear se desarma al comienzo de la mitosis como consecuencia de la fosforilación de las láminas y que reaparece cuando concluye la mitosis, al formarse los núcleos de ambas células hijas. Durante la interfase la lámina nuclear determina la forma de la carioteca — que por lo general es esférica— y le otorga resistencia mecánica. Además, la lámina posee sitios de unión específicos para que los cromosomas se sujeten a ella, y provee una especie de soporte que posibilita el ordenamiento y la distribución espacial de la mayoría de los componentes nucleares.

Los o poros que posee la envoltura nuclear son mucho más que simples canales entre nucleoplasma y el citosol. En ellos existen un conjunto de proteínas llamadas nucleoporinas, las cuales componen una estructura denominada complejo del poro que consta de los siguientes elementos: Ocho columnas proteicas que forman una pared cilíndrica en torno a la cual la membrana externa de la carioteca se continúa con la membrana interna. En el lado citosolico los extremos de las columnas proteicas componen un anillo o boca externa del poro nuclear. En el lado interno ocurre algo similar Proteínas de anclaje que amarran las columnas proteicas a la envoltura nuclear. Cada proteína se liga a una de las columnas, atraviesa la membrana de la envoltura y su extremo sobresale el espacio perinuclear. Proteínas radiales que surgen de las columnas y se orientan hacia el poro. Dado que se acortan y se alargan, convierten al complejo del poro en un diafragma Fibrillas proteicas que nacen de la boca interna y externa del complejo y se proyectan hacia el nucleoplasma y el citosol, respectivamente. Además, una fibra circular une entre sí los extremos distales de las fibrillas que parten de la boca interna. Más adelante se verá que las fibrillas proteicas intervienen en el pasaje de las proteínas a través del poro.

El complejo del poro mide alrededor de 30 nm de altura y 100 nm de diámetro. Sin embargo, las proteínas radiales reducen su orificio, cuyo diámetro fluctúa entre 9 y 25 nm. A través de él pasan iones y moléculas pequeñas y grandes en ambas direcciones. Generalmente, los iones y las moléculas pequeñas se transfieren en forma pasiva, sin gasto de energía. En cambio, las macromoléculas (proteínas y moléculas de ARN), antes de pasar fuerzan el acortamiento de las proteínas radiales, por lo que el complejo del poro se comporta como un diafragma que adapta su abertura a las dimensiones de las moléculas que deben atravesarlo.

Las macromoléculas que ingresan en el núcleo son las proteínas reseñadas en la sección 12-1 y unos ARN pequeños que retornan al compartimiento nuclear después de haberlo abandonado temporalmente. En cambio, las macromoléculas que salen del núcleo son proteínas envejecidas o que dejaron de funcionar —ya que deben dirigirse al citosol a fin de ser destruidos por proteasomas— y diversos tipos de ARN combinados con proteínas.

Entrada de proteínas en el núcleo. A diferencia de las proteínas destinadas a la mitocondrias y a los peroxisomas — que como se vio se pliegan después que ingresaron a esos organoides —, las destinadas al núcleo ingresan estando plegadas, ya que adquieren sus estructuras terciarias y cuaternarias en el citosol, apenas terminan de sintetizarse. La entrada de las proteínas en el núcleo se realiza mediante un mecanismo selectivo que permite el ingreso solo de las apropiadas, las cuales poseen una péptida señal específica que abre el camino para que puedan pasar por el complejo del poro. Los péptidos señal más estudiados se llaman NSL ( por nuclear signal localización). Como muestra la figura 12- 5A, no interactúan directamente con el complejo del poro sino mediante una proteína heterodimérica denominada importina. Debido a que existen distintos tipos de NSL para diferentes grupos de proteínas destinadas al núcleo, cada tipo de NSL para requiere una importina especial. Por otra parte, existen NSL que se unen a proteínas distintas de las importinas, entre las que se encuentran unas que se volverán a mencionar más adelante, llamadas transportinas.

El pasaje requiere que la importina sea guiada por las fibrillas proteicas externas e internas del complejo del poro. La proteína se une a la importina por medio del NSL y ambas moléculas se colocan cerca del complejo del poro. Lo atraviesan previo agrandamiento de su diafragma, cuyo diámetro puede alcanzar los 25nm. Durante el pasaje se gana un GTP, cuya hidrolisis está a cargo de una proteína llamada Ran (por Ras-related nuclear protein). Como se ve, se trata de un transporte activo La Ran pertenece a la familia de GTPasas que actúan asociadas a las proteínas reguladoras GEF y GAP. Se dijo que cuando influidas por la GEF, estas GTPasas intercambian el GDP incluido en sus moléculas por un GTP, mientras que cuando son influidas por la GAP hidrolizan el GTP a GDP y P. Se localizan en el núcleo y en el citosol, respectivamente. El pasaje de una proteína desde el citosol al núcleo a través del complejo del poro se produce en varias etapas. Son las siguientes

cuando el complejo importina-proteína ingresa en el núcleo lo hace también la Ran-GDP Esa unión hace la importina se independice de la proteína, que queda retenida en el núcleo. En el núcleo la GEF promueve el reemplazo del GDP de la Ran por un GTP, tras lo cual la Ran-GTP se une al complejo importina-proteína. En cambio, la importina y la Ran-GTP permanecen unidas, atraviesan el complejo del poro y retornan al citosol. En el citosol la GAP induce a la Ran a que hidrolice el GTP a GDP y P-es aquí donde se gasta GTP- de lo que resulta una – GDP y su separación de la importina. Finalmente, la Ran-GDP y la importina libres pueden se reutilizadas para hacer ingresar nuevas proteínas en el núcleo.

Cabe señalar que ciertas proteínas destinadas al núcleo— en particular los receptores de las hormonas esteroideas —, después de sintetizarse permanecen en el citosol hasta la llegada de estas hormonas. Como se vio en el capítulo 11-16, los receptores son retenidos porque se les unen chaperonas de la familia hsp90 y adquieren formas que les impiden ingresar en el núcleo. Cuando llegan las hormonas esteroideas, se separan las chaperonas y cambian de forma los receptores, lo que les permite atravesar los poros de la envoltura nuclear. Las proteínas que salen del núcleo dependen también de la Ran y de señales específicas para poder atravesar los poros de la envoltura nuclear. Los péptidos señal se denominan NES( por nuclear export signal) y son reconocidos por proteínas equivalentes a las importinas, llamadas exportinas. Además existen NES que son reconocidas por transportinas. Salida de proteínas y moléculas de ARN

El pasaje de una proteína desde el núcleo al citosol a través del complejo del poro se producen varias etapas. Son las siguientes La proteína se une a la exoportina por medio del NES. Simultáneamente, la GEF remueve el GDP de una Ran- GDP y lo reemplaza por un GTP de modo que se forma una Ran-GTP. La Ran-GTP se une a la proteína por medio de la exportina. Unidas entre sí, la Ran-GTP, la proteína y la exportina se acerca al poro nuclear y lo atraviesan previo agrandamiento del diafragma, cuyo diámetro puede alcanzar 25 nm. Al igual que la importina, durante el pasaje de la exportina es guiada por las fibrillas proteicas del complejo del poro.

Al cabo del pasaje, inducido por la GAP, la Ran-GTP hidroliza el GTP a GDP y P, de lo que resulta una Ran-GDP. Ello hace que la Ran-GDP se independice de la exportina, la cual, a su vez, se independiza de la proteína. Finalmente, la Ran-GDP y la exportina libres pueden ser reutilizadas para transferir nuevas proteínas hacia el citosol La proteína queda retenida en el citosol. En cambio, la Ran-GDP y la exportina retornan al núcleo separadamente. Respecto de las moléculas de ARN, salen del núcleo combinadas con proteínas, aunque están impedidas de hacerlo si no iniciaron o completaron sus procesamientos. Su pasaje a través de los poros nucleares depende de la Ran y de transportinas que reconocen señales específicas en las proteínas.

CROMOSOMAS Cada cromosoma está constituido por una larguísima molécula de ADN asociada con diversas proteínas. Según el cromosoma 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. El complejo formado por el ADN, las histonas y las proteínas no histónicas se llaman cromatina. Así, la cromatina es el material con el que están compuestos los cromosomas.