Atlas de histología vegetal y animal

EL NUCLÉOLO
« Cromatina		Tráfico vesicular »
1. Introducción Diversidad Descubrimiento Teoría celular Origen de la célula Endosimbiosis 2. Matriz extracelular Proteínas estructurales Glúcidos, proteoglicanos Glicoproteínas Tipos de matrices extracelulares 3. Membrana celular Lípidos Proteínas Glúcidos Permeabilidad, fluidez Asimetría, reparación Síntesis Transporte Adhesión Complejos de unión 4. Núcleo Envuelta nuclear Poros nucleares Cromatina Nucléolo 5. Tráfico vesicular Retículo endoplasmático Del retículo al Golgi Aparato de Golgi Exocitosis Endocitosis Endosomas Lisosomas En células vegetales 6. Tráfico no vesicular Peroxisomas Mitocondrias Cloroplastos 7. Citoesqueleto Filamentos de actina Microtúbulos Filamentos intermedios 8. Ciclo celular Fase G1 Fase S Fase G2 Fase M. Mitosis. 9. Meiosis Ampliaciones Cuestionarios Bibliografía Glosario	El nucléolo es una región del nucleoplasma donde se sintetiza el ARN ribosómico, se procesa y se ensambla con proteínas para formar las subunidades ribosómicas. Morfológicamente contiene varias regiones: centro fibrilar, componente fibrilar denso y componente granular. Tanto el número como el tamaño de los nucléolos puede variar en función del tipo celular y del estado fisiológico en el que se encuentre la célula.  El nucléolo es un compartimento nuclear formado por cromatina y visible al microscopio óptico. Las células de mamíferos contienen desde 1 a 5 nucléolos. Sus dimensiones varían dependiendo de la actividad de la célula y puede llegar a ser muy grande, del orden de micrómetros de diámetro. Normalmente las células que están realizando una gran síntesis proteica poseen nucléolos grandes. Durante la mitosis desaparece, permitiendo a la la cromatina que lo forma reorganizarse para constituir los cromosomas. Imagen de las neuronas motoras del rombencéfalo de la lamprea. EL nucléolo aparece como un punto oscuro en el interior del núcleo (flechas).  En el nucléolo se dan procesos relacionados con la generación de los ribosomas: síntesis y maduración del ARN ribosómico (ARNr) y ensamblaje de las subunidades ribosómicas. El ensamblaje de las subunidades ribosómicas es un proceso curioso de trasiego de moléculas entre el citoplasma y el nucleoplasma. Primero se transcriben los genes de dichas proteínas, que se localizan fuera de la cromatina nucleolar. Éste ARNm debe salir al citosol donde es traducido a proteínas por los ribosomas libres. Estas proteínas entrarán en el núcleo y llegan hasta el nucléolo. Aquí se asocian con los ARNr para formar las subunidades ribosómicas que deberán ser exportadas de nuevo al citosol atravesando otra vez los poros nucleares. Así, la visibilidad del nucléolo se debe a que muchos genes que producen ARNr se están transcribiendo, a que hay muchas proteínas implicadas en el procesamiento de ese primer transcrito, a las proteínas de las subunidades ribosómicas y a aquellas proteínas relacionadas con el ensamblaje de éstos. Se estima que hay unas 690 proteínas diferentes asociadas de forma estable con el nucléolo. Distintas partes del nucléolo. El centro fibrilar es la zona donde se encuentran las copias de los genes que codifican para el ARNr, el componente fibrilar denso es donde se produce el transcrito primario del ARNr y el componente granular es donde se ensamblan las proteínas y los diferentes ARNt para formar las subunidades ribosómicas.  Morfológicamente el nucléolo contiene distintas regiones: el centro fibrilar, donde se encuentran los genes para el ARNr, el componente fibrilar denso que rodea al centro fibrilar, donde se produce la transcripción activa de los genes ARNr, y el componente granular donde se ensamblan las subunidades ribosómicas. La mayoría de las proteínas presentes en la célula están representadas sólo por una copia del gen que la codifica. Éste es el caso de la hemoglobina de la sangre o mioglobina de los músculos. Las proteínas son abundantes porque a partir de una sola copia del gen se traducen numerosas proteínas. Se pueden producir más de 10000 proteínas por cada molécula de ARNm. Es decir, hay dos procesos de amplificación: a partir de un gen se pueden producir muchas moléculas de ARNm y a partir de una molécula de ARNm se pueden producir muchas proteínas. Cuando el destino de un gen es el propio ARN, como el ARNr, falta la amplificación aportada por la traducción. Una célula eucariota puede tener multitud de ribosomas y todos ellos contienen moléculas de ARNr. Para una sola copia de un gen sería muy difícil dar lugar a toda esta cantidad de ARNr que la célula necesita. La estrategia de las células es tener muchas copias de esos genes. Las células humanas contienen unas 200 copias de sus genes para el precursor de los ARNr. Estas copias se encuentran repartidas en 5 cromosomas diferentes. Además, las ARN polimerasas I presentan una gran afinidad por los promotores de estos genes. Todos estas copias se agrupan formando el nucléolo. Hay un tipo de ARNr cuyo gen no se encuentra formando parte del nucleólo. Es el caso del ARNr 5S, uno de los ARNr que forman el ribosoma, del cual existen unas 20000 copias del gen y es transcrito por la polimerasa tipo III. Los transcritos primarios de ARNr tienen que cortarse y procesarse para formar los distintos tipos de ARNr que formarán el ribosoma: ARNr 18S, ARNr 28S y ARNr 5.8S. El ARNr 5S, como hemos dicho, proviene de otra región nuclear. El proceso de maduración de este ARNr preribosómico se lleva a cabo por otras moléculas de ARN denominadas ARN nucleares pequeños. En el nucléolo se están produciendo constantemente estos transcritos primarios a la vez que se procesan. Las dos subunidades ribosómicas tendrán ARNr diferentes: la mayor 5.8S, 28S y 5S, y la menor 18S.  TRÁFICO VESICULAR « Nucléolo Retículo endoplasmático » 1. Introducción Diversidad Descubrimiento Teoría celular Origen de la célula Endosimbiosis 2. Matriz extracelular Proteínas estructurales Glúcidos, proteoglicanos Glicoproteínas Tipos de matrices extracelulares 3. Membrana celular Lípidos Proteínas Glúcidos Permeabilidad, fluidez Asimetría, reparación Síntesis Transporte Adhesión Complejos de unión 4. Núcleo Envuelta nuclear Poros nucleares Cromatina Nucléolo 5. Tráfico vesicular Retículo endoplasmático Del retículo al Golgi Aparato de Golgi Exocitosis Endocitosis Endosomas Lisosomas En células vegetales 6. Tráfico no vesicular Peroxisomas Mitocondrias Cloroplastos 7. Citoesqueleto Filamentos de actina Microtúbulos Filamentos intermedios 8. Ciclo celular Fase G1 Fase S Fase G2 Fase M. Mitosis. 9. Meiosis Ampliaciones Cuestionarios Bibliografía Glosario Los orgánulos son compartimentos delimitados por membranas. Muchos orgánulos se comunican entre sí mediante vesículas. La ruta vesicular es el camino que siguen las moléculas por los diferentes orgánulos y entre ellos englobadas en vesículas. Hay dos grandes rutas vesiculares. Secreción: desde el retículo endoplasmático hasta la membrana plasmática y degradación: desde la membrana plasmática hasta los lisosomas. Pero, existen muchas otras más.  Una célula eucariota se puede considerar como una gran ciudad con diversos distritos. En ellos se llevan a cabo trabajos necesarios como pueden ser la producción de energía, la fabricación de productos, la elaboración de tales productos, la exportación o la importación con otras ciudades, el reciclaje de la basura, etcétera. Para que todo este sistema sea eficiente necesita que los distritos estén comunicados entre sí por carreteras y por transportadores. Los distritos están representados en la célula por los compartimentos intracelulares y en las células eucariotas muchos de estos compartimentos están delimitados por membranas formando lo que llamamos orgánulos. Cada orgánulo celular está especializado en una o varias funciones. Por ejemplo, el retículo endoplasmático es un gran productor de moléculas, el aparato de Golgi modifica tales moléculas, sintetiza glúcidos y los reparte a otros orgánulos, los lisosomas son centros de degradación, las mitocondrias y los cloroplastos son grandes centrales energéticas, etcétera. Esquema de las principales vías de comunicación mediante vesículas entre diferentes orgánulos que forman parte de la ruta vesicular. Existe comunicación bidireccional entre la mayoría de los orgánulos que se comunican directamente. No todas las conexiones están representadas.  La necesaria comunicación entre los orgánulos está mediada por vesículas, las cuales transportan las moléculas en su interior o incluidas en sus membranas. A estas comunicaciones es a las que se denominan en conjunto tráfico vesicular. Hay dos grandes rutas de comunicación entre los orgánulos. La primera se inicia en el retículo endoplasmático y envía vesículas al aparato de Golgi, el cual envía también vesículas a la membrana plasmática en un proceso denominado exocitosis. Ésta es la ruta exportadora, es decir, la que liberará moléculas producidas por la célula al exterior, aunque tiene también otras misiones. La otra gran ruta es la importadora y comienza en la membrana plasmática donde se forman vesículas por un proceso denominado endocitosis. Estas vesículas se fusionan con los endosomas, los cuales terminan convirtiéndose en lisosomas donde se degradan las moléculas incorporadas del medio extracelular. Existen otras muchas comunicaciones entre orgánulos mediadas por vesículas, dando la impresión de que todos los orgánulos están comunicados entre sí. Esto no se ha demostrado pero sí parece existir la regla de que la comunicación entre dos orgánulos es bidireccional, es decir, un orgánulo que envía vesículas a otro, también suele recibirlas de él. Por ejemplo, el retículo endoplasmático envía vesículas al aparato de Golgi, el cual a su vez crea vesículas destinadas al retículo endoplasmático; la membrana plasmática forma vesículas que se fusionan con los endosomas, pero éstos a su vez envían vesículas con destino a la membrana plasmática en una ruta de reciclaje. Existen orgánulos como las mitocondrias, los cloroplastos y los peroxisomas que ni reciben ni forman vesículas para comunicarse con otros orgánulos. Están fuera de la ruta vesicular, pero se comunican con los otros orgánulos mediante otros mecanismos. VESÍCULAS 1. Introducción Diversidad Descubrimiento Teoría celular Origen de la célula Endosimbiosis 2. Matriz extracelular Proteínas estructurales Glúcidos, proteoglicanos Glicoproteínas Tipos de matrices extracelulares 3. Membrana celular Lípidos Proteínas Glúcidos Permeabilidad, fluidez Asimetría, reparación Síntesis Transporte Adhesión Complejos de unión 4. Núcleo Envuelta nuclear Poros nucleares Cromatina Nucléolo 5. Tráfico vesicular Retículo endoplasmático Del retículo al Golgi Aparato de Golgi Exocitosis Endocitosis Endosomas Lisosomas En células vegetales 6. Tráfico no vesicular Peroxisomas Mitocondrias Cloroplastos 7. Citoesqueleto Filamentos de actina Microtúbulos Filamentos intermedios 8. Ciclo celular Fase G1 Fase S Fase G2 Fase M. Mitosis. 9. Meiosis Ampliaciones Cuestionarios Bibliografía Glosario Las células eucariotas se caracterizan por el reparto ordenado y dirigido de moléculas entre diferentes compartimentos celulares mediado por vesículas, que actúan como vehículos. Esto supone una gran ventaja puesto que se puede seleccionar de manera específica qué moléculas deben ir a cada compartimento, las cuales son en sí mismas responsables de las funciones de tales compartimentos. Por ejemplo, las enzimas hidrolíticas ácidas deben ir a los lisosomas, pero no a los endosomas tempranos. Las vesículas son pequeños compartimentos membranosos que viajan entre compartimentos celulares. Sirven para transportar moléculas solubles disueltas en el medio acuoso del interior de la vesícula y moléculas de membrana formando parte de la propia membrana de la vesícula como son lípidos, canales o receptores. Las vesículas se forman en el compartimento fuente y se cargan con aquellas moléculas que deben ser transportadas. Una vez liberadas al citosol son dirigidas hacia el orgánulo diana, al cual reconocen, y al que finalmente se fusionan. Entonces, las moléculas transportadas formarán parte del orgánulo y serán las responsables de su función. Sin embargo, otras moléculas sólo estarán de paso en ese compartimento y serán empaquetadas de nuevo en otras vesículas para dirigirse a otro compartimento celular. Es lo que ocurre con algunas proteínas que viajan desde el retículo endoplasmático, pasan por el aparato de Golgi, donde son empaquetadas hacia otros compartimentos Todos estos pasos requieren la participación de una serie de herramientas moleculares: Pasos que se siguen en el transporte de moléculas mediado por vesículas. a) Un complejo molecular para reconocer y atrapar las moléculas que se han transportar. Proteínas adicionales deben formar la vesícula a partir de las membranas del orgánulo fuente. Hay que tener en cuenta que el proceso de formación de una vesícula es tremendamente complejo puesto que su membrana tiene que formar un pliegue y separarse de la membrana del orgánulo fuente. b) Elementos del citoesqueleto paratransportar las vesículas desde el orgánulo fuente hasta el diana. c) Un complejo molecular para permitir a la vesícula reconozcer y fusionarse con el orgánulo diana. Vamos a tratar por separado cada uno de estos procesos. Hay que tener en cuenta que en un mismo orgánulo se pueden producir tanto salida como llegada de vesículas como es el caso de la membrana plasmática, donde endocitosis y exocitosis se dan de forma simultánea. Formación de vesículas La formación de una vesícula en un compartimento fuente es un proceso complejo. Participan numerosas moléculas: las que delimitan el sitio de formación de la vesícula, las que seleccionan a las moléculas que tienen que ser transportadas, las que participan en la formación y escisión de la propia vesícula, las que permiten posteriormente deshacerse de las proteínas de recubrimiento, etcétera. En levaduras se estima que más de 65 proteínas diferentes intervienen en el proceso formación de una vesícula. El proceso de formación vesicular supone una serie de pasos antes de que sus moléculas formen parte de la vesícula (modificado de Weinberg y Drubin 2012) La formación de una vesícula es un proceso ordenado de reclutamiento de moléculas. Aquellas denominadas recubiertas, como las recubiertas por clatrina, COPI y COPII, son los procesos mejor conocidos. La formación de una vesícula recubierta se inicia mediante el reclutamiento de proteínas Arf/Sar a la membrana del orgánulo fuente. Sin embargo, no se sabe cómo se inicia el proceso, ni cómo se selecciona el lugar de la membrana donde tendrá lugar. Las proteínas Arf/sar son pequeñas moléculas que se activan e inactivan mediante la hidrólisis del GTP. Cuando las moléculas Arf/sar son activadas en la membrana del orgánulo fuente se encargan de reclutar a otras proteínas como las proteína adaptadoras, las cuales seleccionan a las proteínas que deberán incorporarse en la vesícula y que se denominan cargas. Las proteínas adaptadoras son capaces de reconocer secuencias señal en los dominios citosólicos de las proteínas transmembrana que a su vez reconocerán a las proteínas del lúmen del orgánulo fuente que deben ser transportadas. Por ejemplo, en las vesículas de exocitosis constitutiva deben viajar proteínas hacia la matriz extracelular, así como receptores transmembrana que deben quedar en la membrana plasmática. Este conjunto inicial de proteínas se asocian formando agregados en la membrana. Cuando estos alcanzan una concentración crítica se dispara el reclutamiento de otras proteínas que formarán la parte interna de la cubierta de la vesícula. A este momento se le llama punto de transición, y una vez alcanzado la vesícula se formará. Si no se pasa el punto de transición las moléculas que forman los agregados iniciales pueden volver a segragarse en la membrana. Tras la agregación de las proteínas de la cubierta interna se asocian proteínas de la cubierta externa. Entre las proteínas de la cubierta externa están aquellas que permiten entrelazar todas el entramado existente, servir de centros de nucleación de actina o permitir desnudar a la vesícula de estas cubiertas tras la escisión. Cuando las proteínas de la cubierta externa llegan es cuando la curvatura de la membrana empieza a ser visible. Curvar la membrana de una vesícula y escindirla del compartimento fuente es un proceso coordinado que requiere energía y la participación de varias proteínas. Por ejemplo, hay proteínas que se insertan en una monocapa de la membrana gracias a unas secuencias de aminoácidos denominadas BAR que son capaces de generar curvatura en diferentes momentos de la formación de la vesícula. La polimerización de filamentos de actina y la acción de la miosina son también necesarios para generar fuerzas motoras que ayudan en la protusión y posteriormente en la esción de la vesícula. La escisión o la independencia física de la vesícula respecto al compartimento fuente requiere de curvatura, fuerza motora, pero también de otras proteínas, denominadasdinaminas, que estrangulan la comunicación membranosa entre el compartimento diana y la vesícula. Tras la escisión todas las proteínas que envuelven a la vesícula son liberadas y devueltas al citosol para realizar un nuevo ciclo con la formación de una nueva vesícula. Viaje Tras la separación del compartimento fuente la vesícula es dirigida hacia el compartimento diana. Este viaje está mediado por proteínas motoras y elementos del citoesqueleto, tanto filamentos de actina como microtúbulos. Se han descubierto que los filamentos de actina forman uno haces, denominados cables de actina, que tienen uno de sus extremos en las proximidades de los lugares de endocitosis y el otro orientado hacia el interior de la célula, y que parecen ser importantes para el trasiego de vesículas de endocitosis. Fusión de vesículas El mecanismo de fusión de una vesícula con su compartimento diana es complejo. Ha de ser selectivo puesto que la célula ha de asegurarse de que una vesícula sólo se fusiona con aquel compartimento para el que las moléculas que transporta han sido destinadas. Pero además, abrir y fusionar membranas supone saltar una barrera termodinámica importante. Esto se hace en pasos sucesivos. El proceso de fusión vesicular supone una serie de pasos antes de que sus moléculas formen parte del compartimento diana. (Modificado de Weinberg y Drubin 2012 ). El primer paso es un reconocimiento inicial (en inglés: "tethering"). Es como si se pescara a la vesícula desde el compartimento diana. Esta "caña" está formada por unos complejos proteicos asociados a las membranas del compartimentos diana. Hay distintos tipos, como COG, CORVET, Dsl1, exocysto, GARP/VFT, HOPS/Class C VPS, TRAPPI y TRAPPII, que se distribuyen de forma selectiva en distintos compartimentos. En este reconocimiento también participan las proteínas Rab que se encuentran asociadas a las vesículas y que son de distinto tipo dependiendo del compartiemento o dominio del compartiemento fuente donde se hayan formado. Este reconocimiento inicial es esencial para la especificidad de la fusión entre las vesícula y el compartimento fuente. Posteriormente sigue la fusión de las membranas de la vesícula y del compartimento fuente. Para ello han de participar las proteínas transmembrana SNARE. Hay dos tipos: v-SNARE y t-SNARE. Las v-SNARE se incorporan en la vesícula durante su formación en el compartimento fuente y las t-SNARE se encuentran en las membranas del compartimento diana. La interacción entre v-SNARE y t-SNARE provoca un acercamiento de las membranas de la vesícula y del compartimento diana, liberando además la energía necesaria para la fusión de ambas membranas. Sin embargo, otras proteínas parecen cooperar con las proteínas SNARE para provocar la fusión de ambas membranas, que es un proceso termodinámicamente desfavorecido. Antes se pensaba que las proteínas SNARE eran necesarias para el reconocimiento entre vesícula y compartimento pero reconocimiento inicial y fusión de membranas son procesos independientes. Hay que tener en cuenta que la fusión entre membranas celulares no siempre involucra a una vesícula y a un compartimento diana. Se producen fusiones entre compartimentos semejantes como ocurre con los endosomas, las mitocondrias o incluso entre vesículas. Se cree que todos estos casos se siguen mecanismos parecidos con implicación de moléculas similares.