El núcleo celular en interfase: envoltura nuclear, cromatina, nucléolo, replicación y transcripción

Núcleo interfásico: concepto y estructura

El núcleo interfásico es la estructura de mayor tamaño del citoplasma y está delimitada por una envoltura membranosa que actúa como la memoria genética de la célula. A nivel básico, el microscopio electrónico nos permite distinguir la envoltura nuclear, la cromatina, el nucléolo y el nucleoplasma.

1. Envoltura nuclear

Está formada por dos membranas separadas por un espacio perinuclear y atravesada por poros. La membrana externa presenta ribosomas en su superficie exterior.

Lámina nuclear

En el lado nucleoplasmático de la membrana interna, la envoltura posee una capa densa denominada lámina nuclear, que contiene tres polipéptidos principales: láminas A, B y C. Su función es sostener y reforzar la envoltura nuclear.

Poros nucleares

Cada uno de ellos está limitado por una estructura discoidal conocida como complejo del poro. Este complejo está constituido por 8 bloques que se organizan en subunidades proteicas: subunidad anular, luminal, de la columna y del anillo. De cada bloque sobresalen fibrillas proteicas hacia ambos lados del complejo.

Láminas apiladas

En distintos tipos celulares de las gónadas pueden encontrarse en el citoplasma complejos idénticos a los de los poros nucleares, formando pilas membranosas denominadas láminas apiladas.

Transporte entre núcleo y citoplasma

Las pequeñas moléculas difunden rápidamente a través del complejo del poro. Para que el núcleo incorpore grandes moléculas se necesita un mecanismo de transporte, del que se encargan los receptores de importación nuclear, que ensanchan el poro. Además, se necesita la colaboración de nucleoporinas, que permiten que el diafragma se dilate, y una corta secuencia señal que se elimina tras la penetración.

2. Cromatina

Componentes: es la sustancia más abundante del núcleo y está constituida por ADN y proteínas.

ADN

Formado por dos cadenas de nucleótidos que, unidas, forman una doble hélice alrededor de un eje central. Cada nucleótido consta de un azúcar de tipo pentosa, al que se une covalentemente un grupo fosfato y una base nitrogenada. Las cuatro bases son: dos púricas (adenina y guanina) y dos pirimidínicas (citosina y timina). Entre ellas se establecen puentes de hidrógeno que mantienen unidas ambas cadenas de nucleótidos. La secuencia de bases es complementaria. Este es el modelo de Watson y Crick.

Para cada organismo, la cantidad de ADN por célula es constante y está en función del número de cromosomas. Funcionalmente, el ADN representa la molécula de la herencia. La única región variable en ambos ácidos nucleicos es la alternancia en bases nitrogenadas que cada molécula presenta; esta es la secuencia de bases portadora de la información genética.

El genoma humano incluye unos 3 mil millones de pares de bases distribuidas en 46 cromosomas. Los genes son segmentos que contienen la información que determina las características de las especies como conjunto, así como de cada uno de los individuos que las componen. Cada gen es una secuencia de ácido nucleico que codifica un polipéptido funcional.

Proteínas

Pueden clasificarse en dos grupos:

• Histonas: proteínas globulares y de carácter básico debido a su alto contenido en los aminoácidos arginina y lisina. Existen 5 tipos diferentes: H1, H2A, H2B, H3 y H4.
• No histonas: incluyen:
  • Proteínas ácidas: la nucleoplasmina se une a las histonas H2A y H2B, y la proteína N1 se une a las histonas H3 y H4. En el núcleo también existen otras proteínas ácidas residuales.
  • Proteínas enzimáticas: intervienen en las funciones que realiza el ADN.

Organización:

• Fibra de 10 nm: los elementos que se repiten en esta estructura reciben el nombre de nucleosomas y tienen un diámetro de 10 nm. Están formados por una sucesión de nucleosomas en contacto entre sí. Cada nucleosoma está constituido por 2 moléculas de cada una de las histonas H2A, H2B, H3 y H4, que se asocian para formar un octámero, rodeadas por 2 vueltas de la molécula de ADN. Este es el modelo de la fibra de cromatina extendida.
• Fibra de 30 nm: al observar la existencia de estas fibras se propone el modelo del solenoide, según el cual la fibra de 10 nm se dispone helicoidalmente a modo de muelle, formando una fibra de 30 nm de diámetro.
• Cromatina en el cromosoma metafásico: la cromatina que encontramos extendida en el núcleo interfásico aún debe condensarse unas 100 veces más para formar los cromosomas de la célula en división.

3. Nucléolo

Componentes: estructura carente de membrana, en la que se distinguen un componente fibrilar y un componente granular.

Organizadores nucleolares: son parte de la cromatina nuclear cuyo ADN, denominado ADNr, contiene múltiples genes repetidos que codifican tres de los cuatro ARN ribosómicos.

Funciones del núcleo

Replicación

Toda célula que va a dividirse debe duplicar su ADN para que la información genética que contiene se transmita a las células hijas. Esto es posible mediante la replicación del ADN, un proceso semiconservativo en el que cada cadena actúa como molde para la síntesis de nuevas cadenas de nucleótidos.

Mecanismo de la replicación: se inicia en los lugares donde se localizan secuencias especiales que actúan como señales de iniciación, denominadas orígenes de replicación. A partir de ellos comienza a abrirse la doble hélice por rotura de los puentes de hidrógeno, gracias a la acción de la enzima ADN-helicasa. La separación se mantiene por la unión a cada hebra de ADN de proteínas desestabilizadoras de la hélice. En cada origen de replicación se forman dos horquillas que crecen en direcciones opuestas: la replicación del ADN es bidireccional.

La síntesis de la nueva cadena de nucleótidos es catalizada por la enzima ADN-polimerasa. Esta cataliza la formación de un enlace fosfodiéster entre el grupo 3'-hidroxilo terminal de un nucleótido denominado ARN cebador y un nucleótido cuya base nitrogenada sea complementaria del nucleótido que se enfrenta a él en la cadena que actúa como molde. La reacción que cataliza esta ADN-polimerasa obliga a que el crecimiento de la cadena se produzca en dirección 5' a 3'.

Al ser las cadenas antiparalelas, la síntesis de la cadena que tiene como molde la de dirección 3'-5' es continua, pero la de la otra es discontinua, con fragmentos de Okazaki. La cadena que se sintetiza de forma continua recibe el nombre de conductora y la discontinua retrasada. En la conductora solo se necesita un ARN cebador, mientras que en la retrasada hace falta un ARN cebador por cada fragmento.

El ADN sintetizado en la cadena retrasada y su cadena patrón sufren un plegamiento, formando un complejo unitario, de modo que las proteínas de replicación puedan utilizarse conjuntamente en la replicación de ambas cadenas.

Existen proteínas especiales, las topoisomerasas, que evitan que el ADN se enrede a medida que avanza la horquilla de replicación. La topoisomerasa 1 genera una ruptura transitoria en una sola hebra, lo que permite que giren ambos trozos de cada hebra independientemente. La topoisomerasa 2 genera una ruptura transitoria en ambas cadenas.

Reparación del ADN

La ADN-polimerasa presenta una actividad correctora de errores, denominada corrección de pruebas. Antes de añadir un nuevo nucleótido a la cadena en crecimiento, verifica si el último nucleótido añadido presenta un apareamiento correcto de bases con la cadena molde. Si no es así, la polimerasa elimina el nucleótido desapareado cortando el enlace fosfodiéster que acaba de formar.

Este mecanismo explica por qué la ADN-polimerasa sintetiza ADN solamente en sentido 5'-3', a pesar de los inconvenientes del mecanismo en la horquilla de replicación. En el lugar en que la maquinaria de replicación comete un error en la copia, queda un nucleótido desapareado. Si no se corrige, el desapareamiento se traducirá en una mutación, que solamente afectando a un par de nucleótidos puede destruir un organismo si el cambio se produce en una posición vital de la secuencia de ADN.

La célula dispone de un mecanismo de reparación de desapareamientos del ADN. La importancia de los desapareamientos en los humanos se demostró cuando se descubrió que una predisposición hereditaria de ciertos cánceres está producida por mutaciones en el gen responsable de la producción de una de las proteínas del sistema de reparación de desapareamientos. Heredar un gen dañado de este sistema predispone al individuo a padecer cáncer.

Transcripción

Jacob y Monod formularon la necesidad de la existencia de un intermediario químico entre el núcleo y el citoplasma, donde tiene lugar la síntesis de proteínas, dilucidando el denominado dogma central de la biología: ADN → ARN → proteína. La síntesis de ARN se lleva a cabo por transcripción del ADN. A diferencia del ADN, el ARN está constituido solo por una cadena de nucleótidos, contiene ribosa en lugar de desoxirribosa y uracilo en vez de timina.

Tipos de ARN:

• ARN mensajero (ARNm): constituido por una larga cadena de nucleótidos. Lleva al citoplasma la información contenida en el ADN nuclear relativa al orden en que deben situarse los aminoácidos para la síntesis de una determinada proteína.
• ARN de transferencia (ARNt): constituido por una cadena de nucleótidos de conformación tridimensional, cuya forma característica en