Núcleo celular amanzo_2011-abreviado

César Amanzo López

2011

Núcleo Celular: Envoltura nuclear,

Nucléolo, Cromatina

La separación del material genético del citoplasma circundante es una de las características

más importantes que distingue a las células eucariotas de las procariotas.

Amanzo Núcleo celular 2

Núcleo celular

• Almacena el material genético. • “cerebro” de la célula. • Controla la expresión genética. • Protege al ADN.


La aparición de la envoltura nuclear es un hito importante en la evolución biológica.

Permitió mantener al ADN en un ambiente más seguro para su conservación.



Núcleo celular

Envoltura nuclear

Membrana nuclear externa

Ribosomas

Complejo de Poro Nuclear

Membrana nuclear interna

Cromatina (ADN + Histonas)

Heterocromatina

Eucromatina

Nucleoplasma

Nucleolo

Lámina nuclear

Envoltura nuclear • La envoltura nuclear separa el genoma nuclear

(ADN + Histonas) del citoplasma.

• Define el compartimiento nuclear.

• Consiste en dos membranas concéntricas que son penetradas por los complejos de poro nuclear.

• La membrana nuclear interna y externa se continúan pero mantiene una diferente composición proteica.



• Se relaciona con el citoplasma.

• Continua con la membrana del

Retículo Endoplasmático Rugoso.

• Interactúa con ribosomas involucrados en la síntesis de proteínas.

• Las proteínas sintetizadas son transportadas hacia el espacio perinuclear que se continúa con la luz del Retículo Endoplasmático.


Citoplasma

nucleoplasma

Membrana nuclear interna • Se relaciona con el

nucleoplasma.

• Tiene proteínas de anclaje para la cromatina y la lámina nuclear.

• Carece de ribosomas.

• Se continua con la membrana nuclear externa.


Citoplasma

nucleoplasma

• Las membranas de la envoltura nuclear sirven como una barrera que impide el paso libre entre el núcleo y el citoplasma a los iones, solutos y macromoléculas.

• Las dos membranas se fusionan en los lugares de formación de los complejos de poro nuclear estructurado por varias proteínas complejas.


NPC: Complejo de poro nuclear NM: Membranas nucleares HC: Heterocromatina


Lámina nuclear • Red proteica de filamentos

intermedios tipo V. • Constituye el nucleoesqueleto

celular. • Tiene un espesor de 75 ƞm. • Determina el tamaño y la forma

nuclear. • Posibilita la integridad mecánica y la

posición de los complejos de poro nuclear.

• Proporciona el soporte estructural a la envoltura nuclear.


Lámina nuclear

• Mantienen el núcleo en su forma esférica. • Permite el montaje y desmontaje de la envoltura

nuclear durante la división celular (desmontaje del núcleo en la mitosis y el montaje del núcleo en las células hijas).

• Interviene durante: – Replicación del ADN. – Transcripción del ADN. – Apoptosis.


Lámina nuclear

• La lámina forma un interfaz molecular entre la membrana nuclear interna y la cromatina.

• Las lamininas estructuran la lámina nuclear.

• En menor concentración, las lamininas se distribuyen por todo el nucleoplasma.

• Las lamininas A y C se unen a la heterocromatina.

• La laminina B se une al receptor de lamina B (LBR), que está conectado a la envoltura nuclear, como una proteína de membrana.


• La fosforilación de las lamininas A y C las solubiliza durante la profase, lo que permite la disolución de la lámina nuclear.

• La laminina B permanece unido a su receptor durante la profase.


Complejo de poro nuclear (CPN)

• Son estructuras de gran tamaño.

• Atraviesan las membranas nucleares de todas las células eucariotas.

• No son estructuras transmembrana como ocurría con las proteínas integrales, sino que se podrían considerar como complejos proteicos asociados a las membranas de la envoltura nuclear.

• Las proteínas que forman parte del complejo del poro se denominan nucleoporinas.



• En las células animales cada CPN tiene:

– Una masa molecular estimada: 125 millones de daltons.

– Cerca de 30 proteínas diferentes (nucleoporinas), que están presentes en múltiples copias y se organizan con una simetría octogonal.



• Las proteínas que forman los complejos de poro nuclear se organizan formando anillos: – anillo citoplasmático orientado

hacia el citoplasma

– anillo radial situado en el espacio que deja la envuelta nuclear y es responsable de anclar el complejo del poro a las membranas de la envoltura nuclear.

– anillo nuclear que se orienta hacia el nucleoplasma.



• Además, desde cada bloque se proyectan fibrillas proteicas:

– Hacia el citoplasma las filamentos citoplasmáticos.

– Hacia el interior del núcleo los filamentos nucleares que se conectan a otro conjunto de proteínas que forman el anillo distal constituyendo la canastilla o jaula nuclear o



• El diámetro de un poro nuclear es de unos 80 nm pero el espacio útil para el paso de las moléculas que se transportan es de unos 50 nm.

• La envoltura nuclear de una célula de mamífero típica contiene 3000 -4000 CPNs

• El tráfico total que pasa por cada CPN es enorme.

• Cada CPN puede: – Transportar hasta 500 macromoléculas por segundo. – Pueden transportar en ambas direcciones al mismo

tiempo.



Nups: nucleoporinas NATURE REVIEWS | Molecular cell Biology Volume 11 july 2010


Complejos de poro nuclear

observados mediante ME

Complejo de poro nuclear (CPN) • La envoltura nuclear

de una célula de mamífero típica contiene 3000 - 4000 CPNs

• Cada CPN contiene uno o más conductos acuosos, a través del cual pequeñas moléculas solubles en agua pueden difundir pasivamente.

• Las moléculas pequeñas ( 5000 daltons) difunden rápidamente por el CPN y se puede considerar una permeabilidad libre para ellos.

• Las proteínas de gran tamaño, atraviesan el CPN muy lentamente.

• Las proteínas > 60.000 daltons pueden atravesar escasamente por difusión pasiva.



• Muchas proteínas del CPN que se alinean en el poro central contienen extensas regiones no estructuradas que forman una maraña desordenada que bloquean el paso de macromoléculas grandes por la abertura central del CPN.

• Dejan pequeñas aberturas para permitir la difusión de moléculas más pequeñas.


Tráfico bidireccional entre el citosol y el núcleo • Se produce de forma continua entre el citosol y el

núcleo: – Las diversas proteínas que funcionan en el núcleo son

importados de forma selectiva desde el citosol donde son sintetizadas hacia el compartimiento nuclear. • Histonas • ADN polimerasas • ARN polimerasas • Proteínas reguladoras de genes • Proteínas procesadoras de ARN

– Los ARNt y ARNm son sintetizados en el compartimiento nuclear y luego exportados al citosol.

– Los ARNm se exportan sólo después de haber sido debidamente modificados (procesamiento del ARNm) en el núcleo.


Las subunidades ribosomales son ensambladas

en el núcleo y exportadas hacia el citosol.

• El proceso de exportación e importación es selectiva.

• Las proteínas ribosomales son sintetizadas en el citosol e importados hacia el núcleo, donde se reúnen con el ARN ribosomal formando las subunidades ribosomales.

• Las subunidades ribosomales son exportadas al citoplasma, donde se ensamblan para formar los ribosomas.

• Cada uno de estos pasos requiere de transporte selectivo a través de la membrana nuclear.


Importación nuclear

• Las señales de localización nuclear son reconocidas por los receptores de importación nuclear (importinas), que son codificadas por una familia de genes relacionados.

• Cada miembro de la familia codifica una proteína receptora (importina) que está especializada en el transporte de un subconjunto de proteínas de carga.

• Las proteínas de carga contienen señales de localización nuclear a la que el receptor se une.


Importación nuclear • Los receptores de

importación son proteínas solubles citosólicas que se unen a: – la señal de localización nuclear

de la proteína para ser transportada.

– las proteínas del CPN, algunas de los cuales forman las fibrillas del CPN que se extienden hacia el citosol.


Importación nuclear

• El complejo receptor-carga se mueven a lo largo de la ruta de transporte mediante uniones y disociaciones repetidas y vuelve a unirse a secuencias FG repetidas adyacentes.

• El complejo receptor-carga salta de una nucleoproteína a otra en el interior del CPN.

• Una vez dentro del núcleo, los receptores de importación se disocian de su carga y vuelven al citosol. Amanzo Núcleo celular 39

Los dominios repetidos Fenilalanina-Glicina delas

nucleoproteínas (Nup) son los sitios de unión para los

receptores de importación. NTF: Factor de Transporte Nuclear o Receptor o Importina


Importación nuclear de esferas de oro coloidal cubiertas con péptidos

Exportación nuclear

• El sistema de transporte se basa en las señales de exportación nuclear de las macromoléculas a exportar así como de los receptores complementarios de exportación nuclear.

• Estos receptores se unen tanto a la señal de exportación y a las proteínas del CPN para guiar su carga hacia el citosol.


La exportación nuclear de moléculas grandes, como las nuevas subunidades ribosomales y moléculas de ARN, se produce a través de los

CPN y también depende de un sistema de transporte selectivo.

• La importación de proteínas nucleares a través del CPN se concentra en proteínas específicas en el núcleo y por lo tanto aumenta el orden en la célula.

• La célula obtiene la energía que necesita para este proceso a través de la hidrólisis de GTP por el monómero Ran GTPasa.

• Ran se encuentra tanto en el citosol y el núcleo, y se requiere tanto para la importación y exportación nuclear.


importación exportación

Cromosomas / Cromatina

• Los cromosomas aparecen al principio de la mitosis y desaparecen cuando la división celular ha terminado.

• La aparición y desaparición de los cromosomas fue una pregunta desafiante para los citólogos en otros tiempos:

¿Cuál es la naturaleza de los cromosomas en la célula no mitótica?



Núcleo interfásico

¿Cómo es posible que el ADN de 2 metros de longitud se acomode en un núcleo de sólo 10 µm (1 x 10-5 m) de diámetro?

Cromatina • El ácido desoxirribonucleico (ADN) y las proteínas

forman la cromatina.

• Las principales proteínas en la cromatina son las histonas.

• Las histonas son pequeñas proteínas con una alta proporción de aminoácidos básicos: arginina y lisina.


Existen 5 tipos de histonas: H1, H2A, H2B, H3 y H4.


Histona Nº residuos PM

Contenido en moles % de

Lys/Arg Modificación Lys Arg

H1 213 21.000 27,7 1,4 19,78 Fosforilación

H2A 129 13.900 10,9 9,3 1,17 Fosforilación,

acetilación

H2B 125 13.774 15,2 6,1 2,49 Fosforilación,

acetilación

H3 135 15.273 9,6 13,3 0,72 Acetilación, metilación

fosforilación

H4 102 11.236 10,8 13,7 0,79 Acetilación, metilación

fosforilación

Cromatina

• La unidad básica estructural de la cromatina es el nucleosoma.

• El núcleo está formado por un octámero constituido por dos subunidades de las siguientes histonas:

– H2A (dos unidades)

– H2B (dos unidades)

– H3 (dos unidades)

– H4 (dos unidades)


octámero

Nucleosoma • El ADN gira 1.8 veces alrededor del octámero (146 pares de

nucleótidos).

• Un nucleosoma típico está asociado a 200 pares de bases (pb) y está formado por un núcleo ("core") y un ligador (o "linker").


Nucleosoma • Alrededor del octámero se enrolla el

ADN (140 pb) dando casi dos vueltas (una vuelta y tres cuartos).

• El resto del ADN (60 pb) forma parte del ligador ("linker") y está interaccionando con la histona H1.

• La cantidad de ADN asociado con un nucleosoma varia de una especie a otra, de 154 pb a 241 pb, esta variación se debe fundamentalmente a la cantidad de ADN asociada al ligador ("linker").


• Las fibras de ADN de doble cadena desnudo tienen un grosor de 2 ƞm.

• La asociación del ADN con las histonas genera los nucleosomas que muestran unos 10 ƞm de diámetro.

• Los nucleosomas se pueden enrollar helicoidalmente para formar un solenoide que constituyen las fibras de cromatina de los núcleos interfásicos con un diámetro aproximado de 30 ƞm.

• Los solenoides pueden volverse a enrollar para dar lugar a supersolenoides con un diámetro de 400 a 600 ƞm que constituirían las fibras de los cromosomas metafásicos.


Eucromatina / Heterocromatina

• La cromatina puede presentar distintos grados de empaquetamiento.

• La cromatina mayoritaria, la que constituye la mayor parte del núcleo recibe el nombre de eucromatina, se encuentra relativamente sin condensar y distribuida por el núcleo.

• La cromatina minoritaria (10%) es la heterocromatina, se encuentra en un estado muy condensado. Es transcripcionalmente inactiva y contiene secuencias de ADN altamente repetitivas.


Características de la Cromatina


TIPO DE CROMATINA ESTADO FÍSICO CAMBIO QUÍMICO TIPO DE GENES REPLICACIÓN

EUCROMATINA Laxa Acetilada Activos Fase S

temprana

HETEROCROMATINA condensada Metilada Silentes Fase S tardía

Cromosoma

• Cuando la cromatina alcanza su máximo grado de condensación durante la división celular aparecen los cromosomas.



Cariotipo Se observan cromosomas en metafase

46, XX 46, XY

Nucléolo

• Estructurado por proteínas y ácido nucleico.

• Lugar de transcripción.

• Ensamblaje de ribosomas.



nucleolo


Núcleo celular

Envoltura nuclear


Ribosomas

Complejo de Poro Nuclear

Membrana nuclear interna

Cromatina (ADN + Histonas)

Heterocromatina

Eucromatina

Nucleoplasma

Nucleolo

Lámina nuclear

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