El núcleo de la célula, orgánulo descrito por primera vez por Franz Bauer en 1802, es una estructura presente en las células eucariotas, que contiene el ADN (o DNA) de la célula. Está limitado por la envoltura nuclear y se comunica con el citoplasma a través de los poros nucleares. El núcleo tiene dos funciones básicas: regular las reacciones químicas que ocurren dentro de la célula y almacenar la información genética de la célula. Su diámetro puede variar de 11 a 22 micras.
Además del material genético, el núcleo también contiene proteínas cuya función es regular la expresión génica, que consiste en procesos complejos como la transcripción, el pre-procesamiento de ARNm (ARN mensajero) y el transporte de ARNm al citoplasma. Dentro del núcleo se encuentra una estructura llamada nucléolo, responsable de la producción de subunidades de los ribosomas. La envoltura nuclear es responsable tanto de la separación de las reacciones químicas que ocurren en el citoplasma de las que ocurren dentro del núcleo, como de permitir la comunicación entre estos dos lugares. Esta comunicación se realiza por los poros nucleares que se forman de la fusión entre la membrana interna y externa de la envoltura nuclear.
El interior del núcleo está compuesto por una matriz denominada nucleoplasma, un líquido de consistencia gelatinosa, similar al citoplasma. Dentro se encuentran diversas sustancias necesarias para el funcionamiento del núcleo, incluyendo bases nitrogenadas, enzimas, proteínas y factores de transcripción. También hay una red de fibras en el nucleoplasma (llamada matriz nuclear), cuya función aún está en discusión.
El ADN presente en el núcleo se suele organizar en forma de cromatina (que puede ser eucromatina o heterocromatina) durante la interfase. Durante la división celular, sin embargo, el material genético está organizado en forma de cromosomas. Su ubicación central es, en general, siguiendo el formato de la célula, pero esto puede variar. En los eritrocitos de los mamíferos, el núcleo no se encuentra.
Estructura
El núcleo es el orgánulo celular más grande en animales.[4] En las células de los mamíferos, el diámetro promedio general es de 11-22 micras y ocupa el 10% del volumen total.[5] El líquido viscoso dentro del núcleo se llama nucleoplasma y es similar al que se encuentra en el citoplasma, fuera del núcleo.
Citoesqueleto
En las células animales, dos redes de filamentos intermedios proporcionan soporte estructural al núcleo: la lámina nuclear forma una red organizada en el sobre interior, mientras que un tipo menos organizado de soporte es proporcionado por la cara citosólica de la envoltura. Ambos sistemas proporcionan el soporte estructural de la envoltura nuclear y actúan como puntos de anclaje para los cromosomas y los poros nucleares.[5]
La lámina nuclear está compuesta principalmente por proteínas llamadas láminas. Al igual que todas las proteínas, las láminas se sintetizan en el citoplasma y luego penetran en el núcleo, donde se ensamblan antes de ser incorporadas a la red existente de lámina nuclear.[6] [7] Las láminas también se pueden encontrar en el nucleoplasma, donde forman una estructura regular[8] que es visible con la ayuda de la microscopía de fluorescencia. La función de esta estructura no se ha establecido completamente, aunque se sabe que está excluido del nucléolo y está presente durante la interfase.[9] Las estructuras de las láminas que forman esta estructura se unen a la cromatina y la ruptura de su estructura inhibe la transcripción de genes que codifican para las proteínas.[10]
Al igual que los otros componentes de los filamentos intermedios, el monómero contiene una superficie de lámina de hélice alfa, utilizada por dos monómeros enrollados entre sí, formando una estructura llamada dímero en espiral-arrollada. Por lo tanto, estas dos estructuras diméricas surgen de lado a lado en la disposición antiparalela, formando un tetrámero denominado protofilamento. Ocho de estos protofilamentos dispuestos en forma lateral se retuercen entre sí formando una estructura similar a una cuerda. Estos filamentos pueden estar juntos o separados en forma dinámica, lo que significa que la longitud del filamento depende de las diferentes tasas de adición y eliminación de filamentos.
Envoltura Nuclear y Poros Nucleares
La envoltura nuclear se compone de dos membranas dispuestas en paralelo (una interna y otra externa) y separadas por 10 a 50 nanómetros. La envoltura nuclear rodea completamente el núcleo y separa el material genético del citoplasma de la célula, actuando como una barrera a la libre difusión de macromoléculas entre el nucleoplasma y el citoplasma.[18] La membrana nuclear se continúa con la membrana externa del retículo endoplasmático rugoso (RER) y está cubierta de ribosomas. El espacio entre las membranas nucleares se llama espacio perinuclear y se continúa con la luz del RER.
Los poros nucleares ofrecen canales acuosos a través de la envoltura, que está compuesta por múltiples proteínas, denominadas colectivamente nucleoporinas. Los poros tienen un peso molecular de unos 125 millones de daltons y constan de alrededor de 50 (en levadura) y 100 proteínas (en vertebrados).[4] Los poros tienen 100 nm de diámetro total; sin embargo, el espacio a través del cual las sustancias difunden libremente es solo de 9 nm de ancho, debido a la presencia de sistemas de regulación en el centro del poro. Este tamaño permite el libre paso de pequeñas moléculas solubles en agua, mientras que evita que las moléculas grandes, como los ácidos nucleicos y las proteínas, entren o salgan de forma inadecuada. Estas moléculas más grandes deben ser transportadas al núcleo de forma activa. El núcleo de una célula de mamífero típico tiene alrededor de 3000 a 4000 poros en su envoltura,[19] cada uno con una estructura de anillo con simetría octogonal, en el punto donde la membrana interna y externa se fusionan.[20] En este anillo hay una estructura en forma de cesta que se extiende hacia el nucleoplasma y una serie de extensiones filamentosas que alcanzan el citoplasma. Ambas estructuras sirven para mediar la unión a proteínas de transporte nuclear.[4]
La mayoría de las proteínas, las subunidades ribosómicas y algunos ARN son transportados a través del complejo de poro en un proceso mediado por una familia de factores de transporte denominados carioferinas. Las carioferinas que median el movimiento hacia el núcleo también se llaman importinas, mientras que las que median en el movimiento hacia afuera del núcleo se llaman exportinas. La mayoría de las carioferinas interactúan directamente con su carga, aunque algunas proteínas usan un adaptador.[21] Las hormonas esteroides como el cortisol y la aldosterona, al igual que otras pequeñas moléculas solubles en lípidos que participan en la señalización intercelular, pueden difundirse a través de la membrana celular al citoplasma, donde se unen a receptores nucleares que son transportados al núcleo. En el núcleo, sirven como factores de transcripción cuando se unen a su ligando; en ausencia de ligando, muchos receptores funcionan como desacetilasas de histonas que reprimen la expresión génica.[4]
Nucléolo
El nucléolo es una estructura presente dentro del núcleo que no está rodeada por una membrana. A veces se clasifica como suborgánulo. Se forma alrededor de las repeticiones de ADNr, el ADN que codifica para el ARN ribosomal (ARNr). Estas regiones se denominan regiones organizadoras nucleolares. La función principal del nucléolo es sintetizar ARNr y formar los ribosomas. La cohesión estructural del nucléolo depende de su actividad, ya que la formación de los ribosomas resulta en la asociación temporal de los componentes nucleolares, facilitando así la formación de más ribosomas y una asociación más grande. Este modelo se apoya en las observaciones de que la inactivación del ADNr resulta en una mezcla de componentes nucleolares.[22]
El primer paso en la formación del ribosoma es la transcripción del ADNr, realizada por una proteína llamada ARN polimerasa I, dando lugar a un pre-ARNr precursor de gran tamaño. Este se escinde en las subunidades 5.8S, 18S y 28S del ARNr.[23] La transcripción, el procesamiento postranscripcional y la formación del ribosoma se producen en el nucléolo, con la ayuda de pequeñas moléculas de ARN nucleolar (snoRNA), algunas de las cuales derivan del splicing de intrones en los genes que codifican ARN mensajero relacionados con las funciones ribosomales. Las subunidades ribosomales ya formadas son estructuras más grandes que pasan a través de los poros nucleares.[4]
Cuando se observa por microscopio electrónico, el nucléolo se puede ver como un conjunto de tres regiones distintas: una región interna (el centro fibrilar), rodeada por un componente fibrilar denso, que a su vez está rodeado por el componente granular. La transcripción del ADNr se produce en el centro fibrilar o en la frontera entre el centro fibrilar y el componente fibrilar denso. Cuando se aumenta la transcripción del ADNr, se detectan más centros fibrilares. La mayor parte de la división y modificación del ARNr se produce en el componente fibrilar denso, mientras que los pasos posteriores, que incluyen el ensamblaje de las proteínas en subunidades ribosomales, se producen en el componente granular.
Función
La principal función del núcleo celular es controlar la expresión génica y mediar en la replicación del ADN durante el ciclo celular. El núcleo proporciona el sitio para la transcripción, que es independiente del lugar de la traducción en el citoplasma. Esto permite un nivel de regulación genética que no está disponible en procariotas.
Transporte Nuclear
La entrada y salida de moléculas grandes del núcleo está estrechamente controlada por los complejos de poro nuclear. Aunque las pequeñas moléculas pueden entrar en el núcleo sin regulación,[41] las macromoléculas como el ARN y las proteínas requieren la asociación con carioferinas llamadas importinas para entrar en el núcleo y exportinas para salir. Las proteínas que deben ser transferidas desde el citoplasma al núcleo contienen una señal de localización nuclear reconocida por las importinas. La capacidad de las importinas y exportinas para transportar su carga está regulada por GTPasas, enzimas que hidrolizan la molécula de guanosina trifosfato para liberar energía. La GTPasa más importante implicada en el transporte nuclear se llama Ran, que puede unirse a GTP o GDP, dependiendo de si se encuentra en el núcleo o el citoplasma. Mientras que las importinas dependen de RanGTP para desvincularse de su carga, las exportinas requieren RanGTP para poder conectarse a la carga.[21]
La importación nuclear comienza cuando la importina se une a su carga en el citoplasma y la lleva a través del poro nuclear al núcleo. Dentro del núcleo, RanGTP actúa para separar la carga de la importina, lo que le permite salir del núcleo para ser reutilizada. La exportación nuclear es similar: la exportina se une a la carga dentro del núcleo, un proceso facilitado por RanGTP; después de salir a través del poro nuclear, se separa de su carga en el citoplasma.
Existen proteínas de exportación especializadas para la transferencia de ARNm y ARNt maduros al citoplasma después de que se ha completado la modificación postranscripcional. Este mecanismo de control de calidad es importante debido al papel central de estas moléculas en el proceso de traducción de proteínas. Una expresión errónea de una proteína debido a la eliminación incompleta de intrones o la incorporación de un aminoácido incorrecto puede tener efectos negativos en la célula. El ARN modificado de forma incompleta que alcanza el citoplasma se degrada en lugar de ser utilizado para la traducción en proteínas.[4]