Organización citológica del material genético

Objetivos Identificará la envoltura nuclear del DNA, histonas y cromatina (nucleosoma y nucléolo). Ilustrará la estructura de la cromatina. Precisará la participación de los cromosomas en interfase. Identificará la eucromatina y heterocromatina. Precisará los niveles de condensación de la cromatina.

Introducción Las células diferenciadas (eucariotas o procariotas) contienen gran información genética, por consiguiente las células disponen de mecanismos que les permiten expresar dicha información de manera selectiva. Es muy importante que las células controlen la expresión génica, y por lo tanto se aseguran que ciertas proteínas se sinteticen mientras que otras no; en donde intervienen el núcleo,. Sitio donde se localiza gran parte de la maquinaria reguladora

Introducción PNAS, December; 14 2004 vol. 101 no. 50 17450-17455

Envoltura nuclear La envoltura nuclear del DNA, Es una estructura compleja que se basa en una vesícula de retículo endoplasmico extendida alrededor del material hereditario nuclear denominado cromatina.

Envoltura nuclear del DNA Esta formada de dos membranas celulares organizadas en paralelo una con la otra y separadas por un espacio de 10 a 50 nm.

Envoltura nuclear del DNA Las membranas participan como una barrera que protege los iones, solutos y las macromoléculas que pasa entre el núcleo y el citoplasma. Las dos membranas se fusionan en sitios que forman poros circulares que contienen proteínas organizadas en complejos

Envoltura nuclear del DNA

Envoltura nuclear del DNA Esta conformada por: Lamina nuclear Membrana nuclear interna Espacio perinuclear Membrana nuclear externa

Envoltura nuclear del DNA

Lámina nuclear La superficie interna de la envoltura nuclear de las células animales se une mediante proteínas del tipo integral de membrana a una delgada red de filamentos que se conoce como lámina nuclear. Nature Medicine  6, 136 - 137 (2000) doi:10.1038/72221

Lamina nuclear Su función es brindar apoyo mecánico a la envoltura nuclear de DNA y sirve como punto de unión para las fibras de cromatina de la periferia nuclear. Nature Medicine  6, 136 - 137 (2000) doi:10.1038/72221

Membrana nuclear interna Contiene una composición molecular diferente, posee proteínas transmembrana que interactúan con la cromatina y con la lámina nuclear. Existe una comunicación entre la membrana nuclear interna y externa en la periferia de los poros nucleares. Las proteínas se sintetizan en el retículoendoplasmático que llegan a la membrana interna por difusión, pero sólo aquellas que interaccionan con las proteínas de la lámina nuclear o de la cromatina se mantienen aquí.

Membrana nuclear interna

Membrana nuclear externa La membrana externa se continúa con la del retículo endoplasmático y posee ribosomas adheridos.

Membrana nuclear externa La parte externa está perforada a intervalos variables por poros nucleares, que permiten la comunicación entre el citoplasma y el interior del núcleo. Estos poros están recubiertos por el llamado complejo del poro nuclear, que protege de forma selectiva del paso de sustancias

Espacio perinuclear Es el espacio entre las membranas que conforman la envoltura nuclear del DNA.

Cromosomas y cromatina Los cromosomas se componen de DNA y proteínas relacionadas, que en conjunto se conocen como cromatina. El empaquetamiento ordenado del DNA (cromatina) eucariotico depende las histonas (H2A,H2B,H3,H4), un importante grupo de pequeñas proteínas (que forman el nucleosoma) que poseen un inusual contenido alto de aminoácidos básicos: Arginina Lisina

Nucleosoma Estructuras repetitivas del DNA en la cromatina: Los nucleosomas Están conformados por cinco clases de Histonas; que se distinguen por su contenido de arginina/lisina (H2A,H2B,H3 y H4) y la histona de unión H1.

Nucleosoma La partícula nuclear consiste en alrededor de 1.8 vueltas (146 pares de bases) de DNA superenrrollado en forma negativa alrededor de las ocho moléculas de histonas nucleares. La relación de empaquetamiento del DNA de los nucleosomas se aproxima a 7:1.

Nucleosoma

Nucleosoma

Cromatina Se clasifica en: Es el conjunto de DNA, histonas y proteínas no histónicas que se encuentra en el núcleo de las células eucariotas y que constituye el cromosoma eucariótico. Se clasifica en: Heterocromatina Eucromatina

Cromatina

Heterocromatina Es una forma inactiva, condensada localizada sobre todo en la periferia del núcleo, que se tiñe fuertemente con las coloraciones. La heterocromatina puede ser de dos tipos diferentes: Constitutiva, idéntica para todas las células del organismo y que carece de información genética, incluye a los telómeros y centrómeros del cromosoma que no expresan su DNA. Facultativa, diferente en los distintos tipos celulares, contiene información sobre todos aquellos genes que no se expresan o que pueden expresarse en algún momento. Incluye al ADN satélite y al corpúsculo de Barr.

Eurcromatina Es una forma de la cromatina ligeramente compactada, con una gran concentración de genes, y a menudo (no siempre) se encuentra en transcripción activa. A diferencia de la heterocromatina, se encuentra tanto en eucariotas como en procariotas.

Estructura de la cromatina Es semejante a la de un collar de perlas, representando cada una de ellas un nucleosoma. Los nucleosomas están compuestos por ocho proteínas denominadas histonas. Cada histona posee una estructura variante que se cree que interviene en la ordenación de la cromatina. En concreto, se cree que la lisina metilada en las histonas actúa como un marcador genérico para la eucromatina.

Estructura de la cromatina

Condensación de la cromatina La formación del nucleosoma es el primer paso en el empaquetamiento del DNA nuclear. El DNA presenta diferentes niveles de condensación: (1) Hebra simple de ADN. (2) Hebra de cromatina (DNA con histonas) (3) Cromatina durante la interfase con centrómeros. (4) Cromatina condensada durante la profase. (5) cromosoma durante la metafase

Condensación de la cromatina

Organización tridimensional de la cromatina en el núcleo en interfase El componente principal del núcleo, la cromatina, está íntimamente relacionada con las dos estructuras principales del núcleo identificadas en microscopía: Envoltura nuclear. Nucléolo.

Núcleo interfásico

Nucleólo Estructuras intranucleares no están rodeadas por membranas y pueden existir en número variable (aunque en general dos por núcleo) en el momento de la transcripción en G1, tras la mitosis.

Nucléolo Los nucléolos están compuestos de varios dominios visibles por microscopía electrónica. Uno o varios centros fibrilares, correspondientes a los lugares de transcripción de las moléculas de ADN. Un componente fibrilar denso que rodea el y los centro(s) fibrilar(es), donde se localizan los transcritos primarios. Un componente granular menos denso situado en la periferia, correspondiente a la zona de ensamblaje de los pre-ribosomas.

Núcleo Se encuentra delimitado por una envuelta formada por una doble membrana (membranas nucleares interna y externa, separadas por un espacio perinuclear). La lamina tiene muchas interacciones con las proteínas de la membrana nuclear interna y con la cromatina, en relación con sus funciones en la organización de la envuelta nuclear y, probablemente, en la regulación de la expresión génica.

Núcleo

Nucleólo Existe un variado número de reguladores de la transcripción que interaccionan con las laminas, como la proteína HP1, que se une específicamente a la heterocromatina. De esta manera, a través de la lamina, la envuelta nuclear podría participar en la organización de la heterocromatina en el núcleo y en el control regional de por medio de la relocalización de genes mediante el contacto de la heterocromatina para inactivarlos.  

Conclusión Las moléculas entran y salen del núcleo a través de los poros nucleares, en donde la envoltura nuclear es de vital importancia para localizar a los cromosomas en la célula. El núcleo posee una barrera para mantener en el interior a los cromosomas y para dejar fuera a orgánulos como ribosomas, mitocondrias, lisosomas y microtúbulos. Por ejemplo. La envoltura nuclear protege a los RNAs recién sintetizados de la actuación de los organelos citoplasmáticos y de las enzimas antes de que se haya procesado por completo.

Conclusión Los nucleosomas se empaquetan para formar fibras de cromatina (30nm) y cromosomas

Bibliografía Gerald Karp, Biologia Celular y molecular (conceptos y experimentos), 5ª edición, pag. 492, Editorial Mc Graw Hill,2009. Rowat AC, Lammerding J, Herrmann H, Aebi U . Towards and integrated understanding of the structure and mechanics of the cell nucleus. 2008. BioEssays 30: 226-236. Ryan, K; Wente, S. (2000) The nuclear pore complex: a protein machine bridging the nucleus and cytoplasm. Curr Opin Cell Biol 12: 361- 371).