NÚCLEO CELULAR EL NÚCLEO INTERFÁSICO: MORFOLOGÍA, ESTRUCTURA.
MORFOLOGÍA DEL DEL NÚCLEO NÚCLEO MORFOLOGÍA INTERFÁSICO INTERFÁSICO
NÚCLEO INTERFÁSICO
¿POR QUÉ NÚCLEO INTERFÁSICO?
NÚCLEO INTERFÁSICO: ESTRUCTURA ENVOLTURA NUCLEAR, NUCLEOPLASMA, NUCLEOLO, CROMATINA
NÚCLEO INTERFÁSICO
El núcleo contiene el material genético y dirige toda la actividad celular, se observa durante la interfase del ciclo celular que es la fase en el que la célula no se está dividiendo, ya que durante la fase de división celular el núcleo desaparece durante la formación de los cromosomas. Por eso estudiamos el llamado núcleo interfásico. El tamaño, la forma, la posición e incluso su número varía según el tipo de célula o el momento del ciclo en el que está. Normalmente hay un núcleo por célula, su posición es central, su forma redondeada y el tamaño suele ser el 10% del tamaño de la célula (el núcleo suele medir entre 5 y 25 µm). El núcleo en células vegetales suele ser discoidal, y generalmente se encuentra en posición lateral y en células animales suele ser esférico y se encuentra en posición central. Otras formas que puede presentar el núcleo son polilobulada, con prolongaciones, en herradura, arrosariado... Al microscopio electrónico se aprecia que el núcleo está formado por una envoltura nuclear que consta de una doble membrana, que a menudo está interrumpida por numerosos poros nucleares que comunican el interior del núcleo con el citoplasma. La envoltura limita un medio interno llamado nucleoplasma donde se encuentra la cromatina formada por ADN más o menos condensado con histonas y uno o más nucléolos que es una estructura esférica y densa a los electrones (se ve oscura) que contiene gran cantidad de ARN, ya que es donde se sintetiza el ARNr.
LE 6-10 Nucleus
Nucleo 1 µm
Nucleolo Cromatina ENVOLTURA NUCLEAR MEMBRANA INTERNA MEMBRANA EXTERNA PORO NUCLEAR
Complejo del poro nuclear Retículo rugoso
Surface of nuclear envelope Ribosoma
1 µm
0.25 µm Detalle de la envoltura nuclear
Complejos de los poros
Nuclear lamina (TEM)
NÚCLEO INTERFÁSICO ENVOLTURA NUCLEAR
ENVOLTURA NUCLEAR Envoltura nuclear Está formada por una doble membrana con numerosos poros, que controla
y regula la comunicación entre el nucleoplasma y el citoplasma, ambas membranas están separadas por un espacio intermembranoso o espacio perinuclear. Membrana nuclear externa : en su cara exterior suele presentar numerosos ribosomas adosados. La membrana nuclear externa se continúa con la membrana del retículo endoplásmico (generalmente el rugoso), por lo que existe una conexión entre el lumen del retículo y el espacio perinuclear. Tiene de 7 a 9 nm de espesor. Membrana nuclear interna : lleva adosada, en su cara nucleoplásmica, una capa densa de proteínas fibrilares con características similares a los filamentos intermedios del citoesqueleto, llamada lámina fibrosa o lámina nuclear . Su función parece ser servir de anclaje a la cromatina, regular el crecimiento de la envoltura nuclear, su organización, así como su desaparición y nueva formación durante la mitosis. Tiene de 7 a 9 nm de espesor. Espacio perinuclear o intermembranoso : se encuentra en continuidad con el espacio reticular (lumen). Tiene de 20 a 30 nm de espesor.
SABÍAS QUE….. Mientras que los filamentos intermedios del citoplasma forman estructuras
semejantes a cuerdas, los que tapizan y refuerzan la superficie interior de la membrana nuclear interna se organizan a la manera de una red bidimensional. Los filamentos intermedios que componen esta lámina nuclear rígida están constituidos por una clase de proteínas llamadas laminas. A diferencia de los filamentos intermedios citoplasmáticos sumamente estables que se hallan en numerosas células, los de la lámina nuclear se desensamblan y se reconstituyen durante cada división celular, cuando la envoltura nuclear se rompe durante la mitosis y luego se regenera en cada una de las células hijas. El ensamblaje y desensambaje de la lámina nuclear son controlados por la fosforilación y la desfosforilación de las laminas por proteincinasas. La fosforilación de las laminas induce una alteración conformacional que debilita la unión entre los tetrameros y desensambla el filamento. La desfosforilación al final de la mitosis determina que las laminas vuelvan a ensamblarse
ENVOLTURA NUCLEAR Poros nucleares: en los lugares donde se fusionan las dos
membranas se originan unas perforaciones circulares denominadas poros nucleares. Cada poro está formado por una serie de proteínas que lo rodean, el llamado complejo del poro nuclear, formado por una estructura anular de ocho bloques (cada uno constituido por diversas proteínas) que se disponen en forma octogonal, tanto en la parte superior como en la inferior, así como proteínas transportadoras centrales y proteínas de anclaje a la membrana. Los poros son estructuras dinámicas capaces de formarse y desaparecer dependiendo del estado funcional de la propia célula. Hay una gran cantidad de poros y su número aumenta al aumentar la actividad celular. Las células que tienen mayor actividad transcripcional como hepatocitos, neuronas y fibras musculares contienen mayor número de poros. Una célula de mamífero contienen, de media, unos 3.000 poros nucleares.
COMPLEJO DEL PORO NUCLEAR
AMPLIACIÓN COMPLEJO DEL PORO Los poros nucleares están en sitios en donde las membranas
interna y externa (que forman la envoltura nuclear) se unen, dejando un espacio lleno de material filamentoso. Algunas veces es posible observar un delgado diafragma tendido horizontalmente entre los extremos del poro. También, la cromatina se organiza dejando una “vía” hacia el poro nuclear. La ilustración un esquema del poro nuclear vista desde arriba (y la imagen en tinción negativa en ME). El poro contiene 8 subunidades que se pegan como una trampa sobre una región de unión de las membranas internas y externa y forman un anillo de subunidades de 15-20 nm de diámetro. Cada subunidad proyecta un saliente o pico hacia el centro de tal manera que el poro luce como una rueda con ocho radios. En el centro existe un tapóm central. En el estudio del poro nuclear resultaron de gran utilidad los grandes núcleos del oocito de la rana africana Xenopus laevis. Abajo puede verse un esquema tridimensional del NPC.
SABÍAS QUÉ…. Un poro nuclear es una estructura grande y compleja compuesta por
alrededor de 100 proteínas diferentes. Cada poro contiene uno o más canales llenos de agua a través de los cuales las pequeñas moléculas hidrosolubles pueden pasar libremente y de manera no selectiva entre el citosol y el núcleo. Las moléculas más grandes ( como las proteínas y el RNA) y los complejos macromoleculares, sin embargo, no pueden pasar a través de los poros a menos que lleven una señal de distribución apropiada. El código señal que dirige a una proteína desde el citosol hacia el núcleo, llamado señal de localización nuclear, consiste típicamente en una o dos secuencias cortas que contienen varias lisinas o argininas con carga positiva. La interacción inicial de una presunta proteína nuclear de elaboración reciente con un poro requiere el auxilio de otras proteínas presentes en el citosol. Estas proteínas citosólicas, denominadas receptores de transporte nuclear, se unen con la señal de localización nuclear y ayudan a dirigir una nueva proteínas hacia el poro al interactuar con las fibrillas de éste.
SABÍAS QUÉ… La presunta proteína nuclear se transporta luego en
forma activa haca el núcleo por medio de un proceso que utiliza energía provista por la hidrólisis del GTP: Una estructura en el centro del poro nuclear funciona como un diafragma de ajuste medido; se abre justo la cantidad suficiente como para permitir el paso del complejo proteico. Los receptores de transporte nuclear regresan luego al citosol a través del poro para su reutilización. En la actualidad se desconoce cómo operan las proteínas del poro nuclear esta puerta molecular, que puede bombear macromoléculas en ambas direcciones a través de los poros mientras evita la congestión y las colisiones frontales.
SABÍAS QUÉ…. Los poros nucleares transportan proteínas en su conformación completamente plegada y transfieren los componentes ribosómicos como partículas ensambladas. Esto distingue el mecanismo de transporte nuclear de los mecanismos de transporte proteico hacia otros orgánulos. Las proteínas deben desdoblarse durante su transporte a través de las membranas de otros orgánulos como las mitocondrias, los cloroplastos y el RE.
NUCLEOPLASMA También llamado carioplasma o matriz nuclear. Es el medio interno acuoso del núcleo, formado por una dispersión coloidal en forma de gel (semifluida) con sales minerales, nucleótidos, ARN y muchas proteínas, sobre todo enzimas relacionadas con el metabolismo del ADN y ARN, ya que es donde se produce la replicación del ADN y la síntesis de los ARN (transcripción). En el nucleoplasma se encuentran inmersos la cromatina y el nucléolo.
IDENTIFICA LOS ELEMENTOS DEL NÚCLEO INTERFÁSICO
NUCLEÓLO Es una estructura casi esférica, densa y de contorno irregular, rodeado por
nucleoplasma. Es el lugar donde se sintetizan y procesan los ARNr y se forman las subunidades ribosómicas. Está constituido por proteínas y ácidos nucleicos (1-3% de ADN y 10-30% de ARN). Se encuentra en el interior del núcleo rodeado por el nucleoplasma, pueden haber 2 ó 3, e incluso, excepcionalmente más. Se origina a partir de los sectores de ADN, repartidos entre varios cromosomas, que contienen los genes con información para la síntesis del ARN nucleolar, los denominados organizadores nucleolares que en realidad son múltiples copias, repartidas en varios cromosomas, del gen que codifica el ARN nucleolar, a partir del cual, por fragmentación se originan los ARNr. Los ARNr recién sintetizados maduran y se ensamblan con las proteínas ribosómicas importadas del citoplasma originando las subunidades grandes y pequeñas de los ribosomas. Por último, las subunidades salen al citoplasma a través de los poros nucleares, donde, en presencia de ARNm se unen para formar el ribosoma completo que comienza a formar proteínas El tamaño del nucléolo está relacionado con el grado de actividad celular. Es mayor en las células que presentan una gran actividad de síntesis de proteínas, llegando a ocupar hasta el 25% del volumen nuclear.
NUCLÉOLO En el nucléolo se distingue al microscopio electrónico
una parte amorfa (nucleoloplasma) clara a los electrones y una parte densa (oscura a los electrones) compuesta, a su vez, por una zona granular en la que se produce la maduración de las subunidades ribosómicas, y por una zona fibrilar que corresponde a áreas de transcripción activa (organizadores nucleolares, en la zona fibrilar está transcribiéndose los ADN llamados organizadores nucleolares con lo que se forman los ARNr , y en la zona granular los ARNr (formados en la zona fibrilar) junto con las proteínas ribosomales forman las subunidades ribosómicas grande y pequeña.
NUCLÉOLO
Estructura Estructura del del núcleo núcleo interfásico interfásico Identificación al M.E. de cada uno de sus componentes
CROMATINA
La cromatina está formada por filamentos de ADN bicatenario (en doble hélice) unidos a proteínas llamadas histonas que permiten el mayor o menor grado de compactación del ADN. En la cromatina también aparecen proteínas no histónicas que suelen corresponder a enzimas implicadas en la replicación, la transcripción y la regulación del ADN. La cromatina se forma a partir de los cromosomas que se descondensan cuando finaliza la división del núcleo. En las fibras de cromatina se observa, durante la interfase, diferentes niveles de organización, nucleosoma, collar de perlas y fibra cromatínica de 30 nm , con el fin de permitir el empaquetamiento de grandes cantidades de ADN, en el interior del pequeño volumen nuclear. Hay cinco tipos de histonas: H2A, H2B, H3, H4 y H1, las cuatro primeras forman el nucleosoma, que está formado por un octámero de histonas (dos H2A, dos H2B,dos H3 y dos H4) alrededor del cual se enrolla el ADN (dos vueltas de doble hélice de ADN por octámero, que equivalen a 146 pares de bases). Cada nucleosoma está unido al siguiente por ADN espaciador o internucleosomal formado por 54 pares de bases, en total, cada nucleosoma contiene 200 pares de bases (146 + 54). Dando el aspecto al microscopio electrónico de un “collar de cuentas” donde cada “cuenta” es un nucleosoma, esta estructura recibe el nombre de fibra elemental o nucleosómica o fibra de cromatina de 10nm, que es el grosor de los nucleosomas, y por tanto, de la fibra.
CROMATINA Las fibras de cromatina de 30 nm es el siguiente grado de
compactación, donde la fibra de cromatina de 10 nm se enrolla sobre sí misma gracias a la histona H1 que se une por una parte a los nucleosomas y por otra al ADN espaciador, provocando un acercamiento de los nucleosomas y la cadena de nucleosomas se enrolla helicoidalmente, dando el aspecto de un “solenoide” o fibra cromatínica de 30 nm, que contiene 6 nucleosomas por cada vuelta de hélice. Las histonas H1 se localizan en la cara interna del solenoide estabilizando la estructura. También se pueden encontrar grados superiores de empaquetamiento. Cuando la célula se va a dividir toda la cromatina sufre plegamientos de la fibra cromatínica de 30 nm, dando estructuras superenrolladas de mayor grosor (300nm, 700 nm...) hasta que se produce el mayor grado de empaquetamiento formando los cromosomas.
TIPOS DE CROMATINA
Eucromatina: Corresponde a zonas de cromatina activas (aproximadamente el 10% de la cromatina celular) donde se produce la transcripción, pues su nivel de empaquetamiento es menos denso que en la heterocromatina y el ADN se encuentra suficientemente distendido para permitir el acceso de la enzima ARN polimerasa y del resto de enzimas implicadas en la transcripción.
Heterocromatina: Mientras la eucromatina presenta al microscopio electrónico aspecto laxo y difuso, la heterocromatina se visualiza como áreas homogéneas y más densas a los electrones (oscuras) debido a que corresponden a las zonas replegadas que presentan mayor grado de empaquetamiento, por lo que son zonas inactivas, es decir, que no se transcriben. Se pueden distinguir dos tipos de heterocromatina:
Heterocromatina constitutiva: constitutiva: es la heterocromatina que aparece condensada durante todo el ciclo celular en todas las células del organismo y, por tanto, su ADN no se transcribe nunca. En los cromosomas humanos se localiza en el ADN satélite y en el centrómero. Esta región que no codifica ninguna proteína, es estructuralmente importante en el movimiento de los cromosomas durante la división celular.
Heterocromatina facultativa: facultativa: representa el conjunto de genes que se inactivan de manera específica en cada estirpe (o tipo) celular durante el proceso de diferenciación embrionaria. Estas zonas son distintas en cada tipo de célula y son escasas en tejidos embrionarios, pero aumentan a mediDA que las células se diferencian y se especializan.
TIPOS DE CROMATINA
GATA CALICÓ UNA EXPLICACIÓN GENÉTICA LA COMPENSACIÓN DE DOSIS IGUALA LA EXPRESIÓN DE GENES LIGADOS AL CROMOSOMA X EN MACHOS Y EN HEMBRAS El cromosoma X contiene numerosos genes requeridos por ambos sexos, aunque una hembra normal tiene dos copias “dosis” de cada gen, en tanto que un macho normal tiene sólo una. La compensación de dosis es un mecanismo que hace equivalentes las dos dosis de la hembra y la dosis única del macho. En los mamíferos, la compensación de dosis por lo general implica la desactivación de uno de los dos cromosomas X de la hembra.
CUERPO DE BARR Durante la interfase(cuando la célula no se divide) en el borde del núcleo de cada célula femenina de los mamíferos es visible una mancha oscura de cromatina, llamada cuerpo de Barr. Se ha observado que el cuerpo de Barr representa uno de los dos cromosomas X, que se ha hecho denso, se tiñe de color oscuro y es metabólicamente inactivo. El otro cromosoma X se parece a los otros cromosomas activos por el hecho de que durante la interfase es un largo filamento no visible al microscopio óptico. A partir de estos datos, se sugirió que en cualquier célula de una hembra de mamífero sólo uno de los dos cromosomas X es activo; el otro es inactivo y se observa como un cuerpo de Barr.
JASPEADO O ABIGARRAMIENTO Puesto que sólo un cromosoma X es activo en cualquier célula
dada, y que la desactivación del cromosoma X es un proceso aleatorio, una hembra de mamífero que sea heterocigota en un gen ligado al cromosoma X expresará uno de los alelos en alrededor de la mitad de sus células, y el otro alelo en la otra mitad. Algunas veces esto es evidente en el fenotipo.
Ratones y gatos tiene varios genes ligados al cromosoma X para determinados colores del pelaje.
Las hembras heterocigotas para tales genes suelen presentar
manchas de un color en el centro de zonas con otro color de pelaje. Este fenómeno, denominado jaspeado o abigarramiento, es evidente en las gatas calicó y carey.
GATAS CALICÓ
Al principio del desarrollo, cuando están presentes relativamente pocas células, la desactivación del cromosoma X ocurre de manera fortuita en cada célula. Cuando cualquiera de estas célula se divide por mitosis, las células del clon (grupo de células genéticamente idénticas) resultantes tienen todas el mismo cromosoma X activo, y por lo tanto se desarrolla una mancha de células que expresan el mismo color.
EL EL NÚCLEO NÚCLEO MITÓTICO MITÓTICO CROMOSOMAS
EL NÚCLEO MITÓTICO
EL NÚCLEO MITÓTICO.CROMOSOMAS Las fibras de cromatina constituyen los cromosomas interfásicos, pero se
encuentran tan extendidos y enmarañados que resulta imposible distinguirlos. Durante la fase “S” del ciclo celular el DNA se replica y cada cromosoma origina una copia idéntica de sí mismo por lo que a partir de este momento cada cromosoma consta de dos subunidades idénticas denominadas cromátidas. Cuando la célula entra en la fase “M” las dos cromátidas de cada cromosoma se enrollan y pliegan una serie de bucles que a su vez se empaquetan y forman lazos alrededor del armazón proteico que constituye el esqueleto del cromosoma mitótico siendo esta la configuración más adecuada para un reparto eficaz. El acortamiento y ensanchamiento iniciado en la profase continúa hasta la metafase donde alcanza su máximo grado de empaquetamiento ; por esto el cromosoma metafásico es la estructura que presenta mayor interés desde el punto de vista citogenéitco, ya sea por el estudio de la forma, tamaño y el número de cromosomas en cada especie, bien para apreciar posibles malformaciones, etc.
CROMOSOMAS Cromatina y cromosomas son dos estados morfol贸gicos de las mismas entidades celulares correspondientes a dos estados fisiol贸gicos celulares interfase y divisi贸n.
MORFOLOGÍA DEL CROMOSOMA METAFÁSICO CROMÁTIDAS, CENTRÓMERO, CONSTRICCIONES SECUNDARIAS, CINETOCOROS, TELÓMERO
MORFOLOGÍA DEL CROMOSOMA METAFÁSICO Cada cromosoma metafásico consta de dos cromátidas gemelas (idénticas
genéticamente) unidas por una constricción primaria denominada centrómero. Cada cromátida presenta a nivel del centrómero una estructura discoidal, denominada cinetócoro, que contiene un centro organizador de microtúbulos a partir del cual se forman filamentos tubulares que dirigen los movimientos cromosómicos durante la mitosis y meiosis. Algunos cromosomas presentan otras constricciones secundarias,como son constantes en su posición y tamaño, resultan útiles para identificar un cromosoma en particular. Ciertas constricciones secundarias corresponden a los organizadores nucleolares y contienen los genes que codifican los ARN ribosómicos, induciendo la formación de nucléolos. Están situadas entre el centrómero y las regiones extremas (telómeros). Los telómeros, son los extremos de los cromosomas, que tienen propiedades especiales. Son secuencias de ADN repetitivo cuya función es dar estabilidad al cromosoma, impidiendo la degradación de los genes terminales. Aseguran la integridad de los cromosomas.
TIPOS DE CROMOSOMAS SEGÚN LA POSICIÓN DEL CENTRÓMERO El centrómero divide al cromosoma en dos partes llamadas brazos
que pueden ser iguales o desiguales, según la posición que ocupe y permite clasificar a los cromosomas en cuatro categorías: Metacéntricos: Cuando los dos brazos son iguales porque el centrómero se localiza en la mitad del cromosoma. Submetacéntricos: Cuando los dos brazos son ligeramente desiguales. Acrocéntricos: Cuando el centrómero está muy desplazado hacía uno de los extremos y los dos brazos son muy desiguales. Telocéntricos: Cuando el cromosoma posee un solo brazo porque el centrómero se localiza en uno de los extremos.
DOTACIÓN CROMOSÓMICA EN CÉLULAS POR PAREJAS DE CROMOSOMAS HOMOLÓGOS DIPLOIDE Y HAPLOIDE
DIPLOIDE Y HAPLOIDE Todas las células de un individuo excepto las células germinales y
todos los individuos de una misma especie se caracterizan por poseer el mismo número de cromosomas. La mayoría de los animales y plantas tienen un número de cromosomas diploide= 2n, un juego de origen paterno y otro de origen materno. Los gametos (óvulos y espermatozoides), esporas de helechos y musgos, ciertas algas y las hifas de algunos hongos son haploides = n y contienen un solo juego cromosómico. Otros organismos, como el trigo (14,28,42) contienen más de dos juegos cromosómicos y se denominan triploides (3n), tetraploides (4n) y en general, poliploides, cuando contienen hasta varios centenares de veces la dotación normal de DNA.
NÚMERO DE CROMOSOMAS DE VARIAS ESPECIES Nombre común
Especie
Número diploide
Hombre
Homo sapiens
46
Vaca
Bos taurus
60
Perro
Canis familiaris
78
Mosca del vinagre
Drosophila melanogaster
8
Mosca doméstica
Musca domestica
12
Tomate
Lycopersicon esculentum
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CONCEPTO DE CARIOTIPO. CARACTERÍSTICAS Se denomina cariotipo a la serie de características que permiten la
identificación de un conjunto concreto de cromosomas, como son: número de cromosomas, tamaño relativo ,posición del centrómero y longitud de los brazos, constricciones secundarias, satélites, etc. En la representación de un cariotipo se utilizan cromosomas metafásicos, período en que se aprecia mejor la morfología de los mismo. Para ello se parte de células en división tratadas con colchicina, sustancia que detiene el proceso de mitosis en la metafase. A continuación se rompen las células sobre un portaobjetos para que los cromosomas liberados, queden en un mismo plano y separados unos de otros. Después de su tinción, los cromosomas se fotografían, se recortan las fotografías, se juntan los pares de homólogos y se ordenan por tamaño decreciente. El cariotipo permite detectar anomalías cromosómicas, como un fragmento o un cromosoma completo de más o de menos.
CROMOSOMAS NO HOMÓLOGOS HETEROCROMOSOMAS O CROMOSOMAS SEXUALES AUTOSOMAS. RESTO DOTACIÓN CROMOSÓMICA
HETEROCROMOSOMAS O CROMOSOMAS SEXUALES Y AUTOSOMAS La observación de los cariotipos ha permitido establecer las bases
cromosómicas de la determinación del sexo. Así se ha comprobado que, en la mayoría de los organismos superiores (plantas y animales), el cariotipo de una célula está constituido por dos tipos de cromosomas: Autosomas: son los cromosomas ordinarios, iguales en los individuos masculinos y femenino. Cromosomas sexuales o heterocromosomas: son normalmente una pareja de cromosomas, diferente según el sexo del individuo. En uno de los sexos, que puede ser el masculino o el femenino, los dos cromosomas sexuales son iguales. Pero en el otro sexo, que será el femenino o el masculino respectivamente, los dos cromosomas sexuales son distintos, constituyendo la excepción a la regla de que los cromosomas homólogos son idénticos en forma y tamaño: uno de los heterocromosomas es igual a los del otro sexo, pero su pareja es diferente y distinto a cualquier otro cromosoma. El cromosoma que es igual en ambos sexos se denomina cromosoma X, y el que es diferente y característico de las células de uno de los sexos es el cromosoma Y. Ejemplo, en la especie humana, el cariotipo femenino está constituido por 44 autosomas + XX , mientras que el masculino es 44 autosomas + XY.