3.3. El núcleo

         El órgano más conspicuo en casi todas las células animales y vegetales es el núcleo; está rodeado de forma característica por una membrana, es esférico y mide unas 5 µm de diámetro. Dentro del núcleo, las moléculas de DNA y proteínas están organizadas en cromosomas que suelen aparecer dispuestos en pares idénticos. Los cromosomas están muy retorcidos y enmarañados y es difícil identificarlos por separado. Pero justo antes de que la célula se divida, se condensan y adquieren grosor suficiente para ser detectables como estructuras independientes.
      El DNA del interior de cada cromosoma es una molécula única muy larga y superenrrollada que contiene secuencias lineales de genes. Éstos encierran a su vez instrucciones codificadas para la construcción de las moléculas de proteínas y ARN necesarias para producir una copia funcional de la célula. El núcleo está rodeado por una membrana doble, y la interacción con el resto de la célula (es decir, con el citoplasma) tiene lugar a través de unos orificios llamados poros nucleares. El nucleolo es una región especial en la que se sintetizan partículas que contienen ARN y proteína que migran al citoplasma a través de los poros nucleares y a continuación se modifican para transformarse en ribosomas. El núcleo controla la síntesis de proteínas en el citoplasma enviando mensajeros moleculares. El RNA mensajero (mRNA) se sintetiza de acuerdo con las instrucciones contenidas en el DNA y abandona el núcleo a través de los poros. Una vez en el citoplasma, el mRNA se acopla a los ribosomas y codifica la estructura primaria de una proteína específica.
     La llamada membrana nuclear parece ser, en relidad, una cisterna aplanada que se encuentra aplicada sobre la superficie del núcleo. Hay, por tanto, en ella dos unidades de membrana, una externa y otra interna. La capa externa es porosa, mientras que la interna es continua. No obstante, los poros están normalmente obturados. Un detalle importante es que en la superficie externa de la membrana hay gran cantidad de ribosomas. Al parecer, la membrana nuclear presenta también permebilidad selectiva y delimita dos zonas, el carioplasma y el citoplasma, entre la que existe una diferencia de potencial.

3.3.1. Generalidades
    Con la excepción de unos pocos casos, como por ejemplo los glóbulos rojos de la sangre de los mamíferos, todas las células tienen por lo menos un núcleo. En las células eucariotas (con núcleo verdadero), éste se encuentra separado del citoplasma por la membrana nuclear, que lo delimita. La forma del núcleo es frecuentemente esférica o elíptica, aunque en algunas células es completamente irregular.
          En general, acupa una posición característica y constante para cada tipo de célula. El tamaño del núcleo guarda relación con el volumen citoplasmático. En las células procariotas no existe una membrana nuclear definida, pero con técnicas adecuadas se puede demostrar la presencia de microfibrillas de ADN (ácido desoxirribonucleico), organizadas en un solo cromosoma.
        El núcleo se encuentra inmerso en el citoplasma. De él dependen importantes funciones de la célula, desde el punto de vista metabólico y desde el de la división celular. El núcleo en reposo tiene estructuras y dimensiones características. El jugo nuclear o carioplasma es la materia fundamental que llena el núcleo y esta constituido por una disolución coloidal.
        La estructura del núcleo eucariótico varía considerablemente a lo largo de la vida de una célula. Por este motivo, llamó poderosamente la atención a los citólogos desde su descubrimiento como elemento constante de la célula. Esto hizo que le dedicaran, y le sigan dedicando, gran parte de su atención. Los cambios de la estructura del núcleo son regulares y constantes, y están relacionados con la división celular. Cuando la célula llega a esa fase de su ciclo vital, se comprueba que desaparecen la membrana nuclear y el nucléolo, al mismo tiempo que se hacen aparentes los cromosomas.
        Cada especia biológica tiene un número constante de cromosomas en sus células somáticas que, si bien sólo se distinguen como unidades independientes durante la división celular, conservan su individualidad permanente.
        En la matriz del núcleo se encuentra la cromatina, llamada así porque se colorea intensamente al ser tratada con sustancias básicas, como la hematoxilina férrica. La cromatina esta dispuesta en el cariplasma es segmentos de longitud variable, que asumen una estructura màs o menos compacta en función del estado en se encuentra la célula. Estas fibrillas llamadas cromosomas, son poco visibles y difícilmente coloreables durante el reposo, mientras que están bien delimitadas durante la división celular. En todo el núcleo celular se encuentra uno o varios núcleos menores de forma generalmente esférica y de carácter ácido.
        Es la estructura más conocida en casi todas las células animales y vegetales; está rodeado de forma característica por dos membranas concéntricas, es esférico y mide unos 5 µm de diámetro. Es el organelo más sobresaliente de la célula eucariote. Puede presentar formas regulares o irregulares. Su tamaño es variable, pero en general está relacionado con el tamaño de la célula. El núcleo puede presentar en la célula diferentes localizaciones, pero en general su posición es fija y característica para una célula dada El número de núcleos por célula también es variable: es uno en la mayoría de las células; pueden ser dos, como en algunos hepatocitos, o muchos, como en los osteoblastos y las fibras musculares estriadas. Dentro del núcleo, las moléculas de ácido desoxirribonucleico (DNA) y proteínas están organizadas en cromosomas que suelen aparecer dispuestos en pares idénticos. Cuando la célula entra en división, el núcleo pierde esta organización; la envoltura nuclear se fragmenta, con lo cual no hay barrera que impida el contacto entre el hialoplasma y el nucleoplasma; el nucleolo desaparece, y la cromatina se condensa y forma los cuerpos compactos denominados cromosomas.

3.3.1.2. Funciones
        Debido al hecho que este organelo contiene la cromatina, el núcleo resulta el depósito de prácticamente toda la información genética de la célula, y por lo tanto es el centro de control de la actividad celular y en él tienen lugar procesos tan importantes como la autoduplicación del DNA o replicación, antes de comenzar la división celular, y la transcripción o producción de los distintos tipos de ácidos ribonucléicos (RNAs), que servirán para la síntesis de proteínas.
        El mRNA por ejemplo, se sintetiza de acuerdo con las instrucciones contenidas en el DNA y abandona el núcleo a través de los poros. A través de estos transporta factores de regulación y productos de los genes. Además se encarga de producir desenrrollamiento del DNA para que pueda presentar la replicación de los genes.
        El núcleo cambia de aspecto durante el ciclo celular y llega a desaparecer como tal. Por ello se describe el núcleo en interfase durante el cual se puede apreciar las siguientes partes en su estructura.

3.3.1.3. Componentes del núcleo

3.3.1.3.1 Membrana nuclear
    Es una envoltura nuclear, que lo limita y separa del citoplasma, formada por dos membranas concéntricas perforadas por poros nucleares. A través de éstos se produce el transporte de moléculas entre el núcleo y el citoplasma. La membrana más externa es continua y unida al retículo endoplasmico rugoso y el espacio entre las dos membranas se encuentra conectado con el lumen del retículo y sus características y funciones son similares con las del núcleo.

• Represente las dos membranas concéntricas perforadas por poros.
• Dé ejemplos de sustancias que atraviesan los poros nucleares.

    Las membranas nucleares tienen fosfolípidos en sus bicapas. La membrana interior esta asociada como la lamina nuclear, la cual se caracteriza por ser una malla que le provee soporte al núcleo. Esta compuesta por proteínas llamadas lamininas, la mayoría de células eucariotas poseen laminina A, B1, B2. Son proteínas que pesan alrededor de 60-80 kD, las cuales tienen un grosor de 30-100 nm, son proteínas relacionadas con el citoesqueleto celular. Estas lamininas están involucradas  en la organización funcional del núcleo, pueden  jugar un rol en el ensamble y desemsablaje del núcleo después de la mitosis.
    La asociación de 2 lamininas forma un dímero en el cual en su región ? se unen para formar polipéptidos que al unirse uno con otro crean una estructura de superenrollamiento y así mismo al asociarse con otros dímeros se forman la estructura conocida como lamina nuclear. Adicionalmente estas lamininas se unen a las proteínas integrales de membrana las cuales pueden ayudar a la organización de filamentos de laminina los cuales se convierten en sitios de unión  de la membrana interna, como es lo que sucede con la cromatina.

3.3.1.3.2 Nucleosol
    Se conoce también como jugo nuclear, nucleoplasma o carioplasma, el cual es el medio interno del núcleo donde se encuentran suspendidos el resto de los componentes nucleares, como la cromatina y los nucleolos.

3.3.1.3.3 Nucléolo
    Son masas densas y esféricas en las cuales se sintetiza el RNA ribosomico y en donde se producen las primeras fases de ensamblaje de los ribosomas. Las regiones del DNA que codifican al rRNA constituyen en conjunto la región organizadora nucleolar (NOR). Los nucleolos están formados por dos zonas: una fibrilar y otra granular. La fibrilar es interna y contiene DNA, la granular rodea a la anterior y contiene RNA y proteínas. El nucleolo se aumenta en numero y tamaño cuando las células están estimuladas a producir proteínas, pero desaparece durante la división celular.

De donde provienen las proteínas para el ensamblaje de los ribosomas.
• Explique como y donde se sinteriza un ribosoma completo.

3.3.1.3.4 Poros nucleares
        Son los lugares donde la membrana interior y exterior del núcleo se unen. Estos son capaces de transportar sustancias  al interior del núcleo pues posen un diámetro de 10 nm. Estos poros nucleares permiten el intercambio de péquenos elementos entre el núcleo y el citoplasma como por ejemplo iones, moléculas polares y macromoléculas como (proteínas y RNA). Son estructuras bastante complejas que poseen un diámetro de 120 nm y una masa molecular aproximada de 125 millones de Daltons, es aproximadamente 30 veces del tamaño de un ribosoma. Los mRNAs que son sintetizados en el núcleo son transportados eficientemente al citoplasma donde permiten la síntesis de proteínas. Es de anotar que las proteínas requeridas para funciones nucleares (factores de transcripción) deben ser transportadas  desde el citoplasma al núcleo.
        Para el transporte de moléculas a través de los poros se necesitan dos diferentes mecanismos: Difusión pasiva donde pequeñas partículas de al menos de 20 kD pasan rápidamente a través de la membrana nuclear y el diámetro del canal en ese momento continua en 10 nm. Sin embargo la mayoría de proteínas y mRNAs son muy grandes para pasar por este canal para ello se necesita un transporte activo dependiente de energía en el cual estas son transportadas selectivamente en una sola dirección de núcleo a citoplasma o citoplasma a núcleo, en este momento el poro se abre hasta un diámetro de 25 nm en respuesta a señales especificas.
El poro nuclear consiste en una estructura conformada por 8 gránulos organizados alrededor de un granulo central y conectadas estas estructuras a unos anillos en la superficie del núcleo y en el citoplasma, este complejo esta ensamblado entre la membrana externa e interna del núcleo. Además filamentos de proteína son extendidos desde los anillos nucleares  formando una estructura en forma de canasta. El granulo central regula el transporte de moléculas a través del canal.

Investigue como es la estructura de un poro nuclear.
• Dé ejemplos de sustancias que entran y salen a través de un poro nuclear. A través de un poro nuclear pueden salir los ribosomas ensamblados ? Explique su respuesta.

        Para visualizar los poros se puede utilizar la microscopia electrónica de transmisión (MET) con una técnica la cual es conocida como Tinción negativa la cual se caracteriza por acumular colorantes con metales pesados alrededor de las estructuras, con el fin de delinearlas por lo que el metal acumulado alrededor de las estructuras, hace que el haz de electrones pase un poco más retardado y se puede observar  una estructura de 8 unidades de rayos, organizados alrededor de una rueda o granulo central. Otra manera para visualizar los poros es por criofractura, técnica que se basa en un congelamiento rápido de las estructuras seguido por una fractura de las mismas.

3.3.1.3.5 Cromatina
        Constituida por DNA y proteínas, aparece durante la interfase; es una estructura altamente condensada durante la mitosis, pero cuando la célula entra en división la cromatina se organiza en estructuras individuales que son los cromosomas. Durante la interfase la cromatina (heterocromatina) permanece muy condensada y es transcripcionalmente inactiva  mientras que la restante (eucromatina) se encuentra descondensada y se distribuye a través de núcleo. Las células poseen 2 tipos de cromatina: la heterocromatina constitutiva, la cual contiene secuencias de DNA que nunca se transcriben como lo son secuencias satélites que se encuentran en los centrómeros y la heterocromatina facultativa que se transcribe en diferentes tipos de células.

3.3.1.4. Transporte de moléculas

3.3.1.4.1 Transporte de proteínas hacia el núcleo
        Las proteínas son responsables de muchos aspectos en la estructura y función del genoma, dentro de ellas se encuentran las histonas, DNA polimerasa, factores de transcripción, factores de splicing y muchos otros. Estas proteínas tienen funciones especificas en el núcleo y para ser transportadas hacia el a través del poro necesitan  señales especificas que son conocidas como señales de localización nuclear, las cuales están dadas por secuencias especificas de aminoácidos estas, se caracterizan por ser regiones ricas en aminoácidos básicos, por ejemplo la señal de localización de la nucleoplasmina (una proteína involucrada en el ensamblaje de la cromatina) consiste de 2 partes un par de Lisina-Arginina, seguidas de 4 lisinas localizadas 10 aminoácidos upstream de las mismas. Ambas secuencias Lys-Arg y Lys-Lys-Lys-Lys son necesarias para este proceso de localización nuclear.
        Este proceso de transporte de proteínas hacia el núcleo por el poro nuclear puede ser dividido en 2 partes diferenciadas por que un proceso el cual  requiere energía mientras el siguiente paso no la requiere. En ausencia de ATP, las proteínas que contienen una señal de localización nuclear se unen al núcleo por medio del poro, pero no pasan a través de el. En este paso inicial estas señales son reconocidas por una proteína que posee un receptor citosólico (? importina) los cual se unen formando un complejo. Este receptor es conocido como importina, el cual consiste en 2 subunidades: una ? importina y una ? importina, esta segunda subunidad parece mediar entre la asociación con complejo del poro. El segundo proceso es dependiente de energía en forma de adenina trifosfato (ATP) y guanina trifosfato (GTP). Aquí la ? importina parece ser transportada a través del poro con  la proteína sustrato, en este proceso la ? importina es disociada y queda en el citoplasma celular.

3.3.1.4.2 Transporte de RNA
        Mientras muchas proteínas son transportadas desde el citoplasma al núcleo, los RNA son exportados del núcleo al citoplasma. El transporte del rRNA, tRNA, mRNA es un paso critico en la expresión de los genes en las células eucariotas. Este es un proceso dependiente de energía. El transporte es realizado a través de un complejo: RNA-proteína. Las señales para este proceso pueden estar presentes en cualquiera de los dos. Los pre mRNA y mRNA son asociados con unas proteínas formando un grupo de proteínas conocidas como: proteínas ribonucleares heterogeneas (hnRNPs)
Los rRNA son ensamblados con proteínas ribosomales en el nucleolo y son transportados como unidades ribosomales al citoplasma.

Explique a través de que mecanismo entran las moléculas de ATP al núcleo.
• Que pasa si hay una disminución del ATP intranuclear.

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