Atlas de histología vegetal y animal

La célula. 4.El núcleo 

LA ENVUELTA NUCLEAR

La envuelta nuclear separa físicamente al nucleoplasma (cromatina y demás componentes del interior nuclear) del citoplasma y regula el movimiento de macromoléculas entre ellos, establece la forma nuclear y contribuye a la organización interna del núcleo ya que aporta lugares de anclaje para la cromatina.

La envuelta nuclear está formada por una membrana doble, externa e interna, quedando entre ambas un espacio intermembranoso de aproximadamente 25-40 nm, formando todos estos elementos las denominas cisternas perinucleares. La membrana externa se continúa con la del retículo endoplasmático y posee ribosomas adheridos. Esta continuidad permite que el espacio intermembranoso y el interior del retículo endoplasmático se comuniquen y que la envuelta nuclear funcione también como almacén de calcio. La envuelta nuclear interacciona con elementos del citoesqueleto, microtúbulos y filamentos intermedios, y por tanto determine la posición del núcleo en la célula.

La membrana interna contiene una composición molecular diferente y posee proteínas transmembrana que interactúan con la cromatina y con la lámina nuclear, el otro componente de la envuelta nuclear. Existe una comunicación entre la membrana nuclear interna y externa en la periferia de los poros nucleares. ¿Qué mantiene las diferencias en la composición de ambas membranas? Parece existir un mecanismo de retención selectiva. Las proteínas se sintetizan en el retículo endoplasmático 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.

Esquema de la estructura de la envuelta nuclear. Está formada por una membrana externa, por el espacio intermembrana, por la membrana interna y por la lámina nuclear. La membrana externa se continúa con el retículo endoplasmático. Los poros nucleares se encuentran insertos en interrupciones puntuales de la envuelta nuclear. 

La lámina nuclear, en células animales, es un entramado proteico que separa la membrana interna de la envuelta nuclear de la cromatina. En mamíferos tiene un espesor de 20 a 25 nm. Las principales proteínas que la componen se denominan láminas, que se encuentran en dos isoformas: tipo A (láminas A y C) y tipo B (láminas B1 y B2/3). Pertenecen a la familia de los filamentos intermedios. Estas proteínas se disponen en forma de malla cubriendo toda la cara interna de la envuelta nuclear a la cual están unidas por un lado y por el otro a la cromatina. La asociación íntima entre la membrana interna de la envuelta nuclear y la lámina nuclear se produce gracias a la existencia de al menos 20 proteínas localizadas en la membrana interna. Una de sus principales funciones de la lámina nuclear es la de mantener la estructura de la envuelta nuclear. Las deficiencias en estas proteínas producen las enfermedades denominadas laminopatías, las cuales presentan núcleos desorganizados y pueden llevar a la muerte celular o a la fragilidad de la envuelta nuclear. La desorganización y organización de la envuelta nuclear durante la división celular se debe a acciones enzimáticas sobre las láminas. La forma nuclear cambia cuando cambia la expresión de las proteínas que forman la lámina nuclear, lo cual es observable durante el desarrollo embrionario, la diferenciación celular o ciertas patologías celulares. Otra de las funciones de la lámina nuclear es servir de soporte para diversas reacciones relacionadas con la cromatina. Por ejemplo, la cromatina que está asociada a la lámina nuclear no se suele transcribir, aunque hay genes particulares que sí lo hacen. Además, la regiones de cromatina asociadas a la lámina cambian según el tipo celular y el estado de desarrollo de la célula, luego es debe ser un elemento regulador de la expresión génica. También sirve depunto de anclaje del núcleo al citoesqueleto de la célula, lo que permite al núcleo situarse en una posición determinada dentro de la célula o moverse por su interior.

En la envuelta nuclear se encuentran los poros nucleares, que son los responsables de controlar el trasiego de moléculas entre el interior del núcleo y el citoplasma, y que veremos en el siguiente apartado.

¿Por qué una célula necesita separar el ADN del citoplasma, cuando esto le supone un considerable consumo de recursos? Entre la razones más evidentes están:

a) Estabilidad génica: la confinación del genoma en un compartimento contribuye a preservar la estabilidad del ADN, que es mayor que en procariotas, teniendo en cuenta que estamos hablando de una enorme cantidad de ADN.

b) Permite la regulación de la expresión génica a un nivel impensable para los procariotas. Por ejemplo, el acceso o no a los factores de transcripción. Los factores de transcripción son moléculas que regulan la expresión génica y son sintetizados en el citoplasma. Para su acción deben ser transportados al interior celular. Las cascadas de señalización empiezan en receptores de membrana o internos, pero cualquiera que sea su inicio, si desencadenan expresión génica, alguna molécula de la cascada de señalización debe atravesar la envuelta nuclear. Si se bloquea este paso no se producirá ningún efecto sobre la expresión génica.

c) La presencia de intrones y exones en los genes eucariotas obliga a una maduración del transcrito primario. Es muy peligroso que un ARNm sin madurar acceda a los ribosomas puesto que produciría proteínas no funcionales o incluso potencialmente peligrosas.

d) Separar la transcripción de la traducción aporta a la célula una herramienta más para regular la información que va desde el ADN hasta la proteína. Así, la transcripción de un gen a ARNm no significa que se produzca una proteína de forma inmediata. Impidiendo la salida del ARNm del núcleo se evita la producción de dicha proteína.

La célula. 4.El núcleo 

POROS NUCLEARES

Las cisternas de la envuelta nuclear (dos membranas más el especio entre ambas), dejan unos huecos entre ellas donde se encuentran los poros nucleares. Éstos son grandes complejos moleculares visibles con el microscopio electrónico y denominados en su conjunto complejo del poro. Son la puerta de comunicación entre núcleo y citoplasma y todo el transporte nucleocitoplasmático se da a través de ellos. Esto permite que la regulación de tal tranporte condicione qué genes se expresan y cuales no. Así, los poros nucleares son un elemento clave en la diferenciación celular, regulación del funcionamiento normal de la célula o permitir el cambio en la expresión de genes.

Los poros nucleares son muy numerosos en las células que requieren un alto tránsito de sustancias entre el núcleo y el citoplasma como por ejemplo en las células que se están diferenciando. Se considera que puede haber unos 11 poros por µm², lo que equivale a unos 3000 a 4000 poros por núcleo. Hay que tener en cuenta que no son estructuras transmembrana como ocurría con las proteínas integrales, sino que se podrían considerar como complejos proteicos asociados a las membranas de la envuelta nuclear.

Esquema de la estructura proteica de los poros nucleares. (Modificado de Beck et al., 2007) 

Las proteínas que forman parte del complejo del poro se denominannucleoporinas. En las levaduras hay unas 30 proteínas distintas en cada poro nuclear, mientras que en los metazoos pueden ser 40 o más. Se cree que un poro de una célula de mamíferos contiene unas 400 nucleoporinas, ya que muchas de ellas se encuentran repetidas. Las proteínas que forman los poros nucleares se asocian para formar 8 bloques que configuran un octágono regular y se organizan formando anillos:el anillo citoplasmático orientado hacia el citoplasma, el anillo radial situado en el hueco que deja la envuelta nuclear y es responsable de anclar el complejo del poro a las membranas de la envuelta nuclear y el anillo nuclear que se encuentra en el nucleoplasma. Además, desde cada bloque se proyectan fibrillas proteicas que van hacia el citoplasma denominadas fibras citoplasmáticas, y otras al interior del núcleo que reciben el nombre de fibras nucleares. Éstas últimas se conectan a otro conjunto de proteínas que forman una estructura cerrada llamada jaula nuclear o anillo distal.

Imagen tomada con un microscopio electrónico de la envuelta nuclear con dos constricciones que se corresponden con dos poros nucleares.

Los poros nucleares contienen un canal acuoso de unos 90 nm y unos 80 nm de diámetro pero el espacio útil para el trasiego de las moléculas que se transportan es de unos 45 y 50 nm de diámetrocuando está en reposo, pero que se puede expandir cuando realiza transporte activo. El canal puede permitir el paso libre de pequeñas moléculas (menores de 60 kDa) pero restringir el movimiento de otras de mayor tamaño con potencial papel fisiológico. Aunque incluso algunas moléculas menores de 20-30 kDa tales como las histonas, los ARNt o algunos ARNm son transportadas por mediación de las nucleoporinas. Éstas moléculas y otras más grandes cruzan por transporte pasivo facilitado. Aunque sea pasivo facilitado viajan en contra de su gradiente de concentración. Por tanto necesitan energía que es aportada por el gradiente de otras moléculas denominadas Ran-GTPasas. Veamos como ocurre.

Gradientes creados por las moléculas Ran entre el citoplasma y el nucleoplasma. La energía se consume en el nucleoplasma para crear Ran-GTP a partir de Ran y fósforo inorgánico, manteniendo la concentración de Ran-GTP elevada. En el citoplasma las Ran-GTP son rápidamente convertidas en Ran-GDP, manteniendo la concentración de estas últimas elevada. Mientras, la hidrólisis del Ran-GDP a Ran, mantiene la concentración de Ran-GDP baja en el nucleoplasma. El tamaño de los iconos son indicativos de la concentración. 

El transporte mediado por los poros nucleares está orquestado por las proteínas Ran-GTPasas y por unas familias de proteínas denominadas importinas y exportinas. Las moléculas Ran-GTPasas son trascendentales tanto para la importación como para la exportación de moléculas. Son las responsables de crear un gradiente que dirige el transporte y crear este gradiente es la única parte del transporte por parte de los poros nucleares que gasta energía. Las moléculas Ran pueden estar en tres estados: Ran-GTP, Ran-GDP y Ran. El paso de un estado a otro está mediado por otras enzimas. En el nucleoplasma hay una mayor concentración de Ran-GTP, mientras que en el citplasma abunda la Ran-GTP.

Las proteínas que tienen que ser importadas al nucleoplasma necesitan poseer una secuencia de aminoácidos o péptido señal de entrada y las que tienen que ser exportadas un péptido señal de salida. Estas secuencias de aminoácidos serán reconocidas por las importinas o por las exportinas, respectivamente. Las proteínas de los poros nucleares no interaccionan directamente con las proteínas transportadas sino son las importinas y las exportinas. Estos complejos importina-proteína o exportina-proteína utilizan los gradientes de las moléculas Ran-GTP o Ran-GDP para cruzar los poros nucleares y llevar sus cargas al otro lado. Además de proteínas, las moléculas de ARN deben también atravesar los poros nucleares. El mecanismo que usan los distintos tipos de ARN para ser transportados difieren entre sí, pero todos están mediados por un mecanismo de asociación con proteínas. El exporte de ARNt sigue un mecanismo en el que es reconocido por una exportina denominada exportina-t, que también se une a una Ran-GTP. El mecanismo de exportación de los ARNr no se conoce muy bien. Los ARNm no utilizan, en su mayoría el sistema de transporte mediado por Ran-GTP sino el mediado está mediado por dos proteínas que forman el complejo Tap/Nxt, el cual interacciona con las nucleoporinas y posibilita el transporte con gasto de ATP. Una pequeña cantidad de ARNm parece usar la proteínas Crm1, siendo en este caso un transporte dependiente del gradiente creado por las proteínas Ran.

Con el microscopio electrónico de transmisión se oberva que la distribución de heterecromatina periférica se interrumpe en las proximidades del los poros nuclerares. Así, se considera a los poros nucleares como lugar de permisividad para la expresión de muchos genes inducibles. Cosa lógica puesto que son la puerta de salida de los ARN mensajeros. Este efecto parece deberse una interacción directa de las nucleoporinas con la cromatina.