Tema 4 – Núcleo y Cubierta Nuclear

Introducción general

  • Tema 4: Compartimientos intracelulares ➜ apartado 4.1 Núcleo y cubierta nuclear.
  • El núcleo es un orgánulo membranoso exclusivo de las células eucariotas (eu = “verdadero”; karios = “núcleo”).
  • Contiene el DNA y la maquinaria para su expresión y replicación.

Dimensiones y número de núcleos

  • Diámetro promedio: 5 μm5\ \mu m (varía según tipo celular).
  • Normalmente hay un núcleo por célula.
    • Excepciones: osteoclastos y fibras musculares esqueléticas (FME) pluriploides o multinucleadas.
  • Posición: central o periférica dependiendo del tipo celular (ej. periferia en FME).
  • Morfología variable.

Funciones esenciales del núcleo

  • Almacén y control maestro del DNA ➜ regula actividad celular global.
  • Replicación del DNA.
  • Transcripción de DNA a RNA.
  • Ensamblaje de ribosomas (síntesis y ensamblaje de rRNA + proteínas ribosómicas).

Visión general de la estructura nuclear

  • Componentes representativos:
    • Envoltura nuclear (membrana interna y externa).
    • Poro nuclear (NPC).
    • Lámina nuclear.
    • Nucleoplasma.
    • Cromatina.
    • Nucléolo.
    • Conexión con retículo endoplásmico rugoso (RER) y liso (REL).

Envoltura nuclear (Nucleolema / Carioteca)

  • Funciones:
    • Delimitar nucleoplasma del citoplasma.
    • Mantener la estabilidad génica.
    • Regular la comunicación núcleo↔citoplasma.
    • Determinar forma y posición nuclear.
    • Contribuir a la organización interna.
  • Constituida por:
    • Membrana nuclear interna (MNI).
    • Membrana nuclear externa (MNE).
    • Cisternas perinucleares (espacio intermembranoso).
    • Lámina nuclear.
    • Complejos de poro nuclear (NPC).
Membrana nuclear externa (MNE)
  • Continua con la membrana del retículo endoplásmico rugoso.
  • Posee ribosomas adheridos.
Membrana nuclear interna (MNI)
  • Composición lipídico-proteica única.
  • Proteínas transmembrana (LBR, LAP1, LAP2, Emerin, MAN1, etc.) que interactúan con:
    • Cromatina.
    • Lámina nuclear.
Cisternas perinucleares
  • Espacio de 25−40 nm25{-}40\ nm entre MNI y MNE.
  • Unidad funcional del RER.
  • Almacén de Ca2+^{2+} y de proteínas recién sintetizadas.
  • Vinculación mecánica: proteínas de la MNE (nesprinas) se enlazan con proteínas de la MNI (SUN) ➜ sensado de estímulos mecánicos.

Lámina nuclear

  • Red fibrosa (filamentos intermedios tipo V) que tapiza la cara interna de la MNI.
  • Isoformas de láminas:
    • Láminas A (A y C) ➜ mutaciones producen laminopatías.
    • Láminas B (B1, B2/3) ➜ esenciales.
  • Anclaje a MNI y a cromatina.
  • Funciones:
    • Soporte estructural de la envoltura nuclear.
    • Punto de anclaje entre núcleo y citoesqueleto (mediante nesprinas).
    • Organiza la distribución de NPCs.
    • Sostén y regulación de la heterocromatina.
    • Fosforilación de láminas ➜ desorganización de la envoltura nuclear en mitosis.

Complejo de Poro Nuclear (NPC)

  • Agregados proteicos (~9 nm9\ nm diámetro del canal interno).
  • Entre 3000−40003000{-}4000 poros por núcleo.
  • Estructura octagonal (8 subunidades/“raicillas”):
    • Anillo citoplasmático.
    • Anillo radial (anclaje a membranas).
    • Anillo nuclear.
    • Filamentos citoplasmáticos.
    • Filamentos nucleares que convergen en un anillo distal (“jaula nuclear”).
  • Proteínas constituyentes = Nucleoporinas (Nups) de cuatro tipos:
    • De anclaje (unión a membrana).
    • De andamiaje (forman armazón de anillos).
    • De canal o barrera (FG-Nups, determinan permeabilidad selectiva).
    • De filamentos (reconocimiento de carga).
  • Vida media extensa ➜ alta estabilidad.
Permeabilidad y selectividad
  • Paso libre: moléculas ≤60 kDa60\ kDa (iones, nucleótidos, pequeños péptidos).
  • Moléculas poco mayores (histonas, tRNA, mRNA) usan transporte pasivo facilitado.
  • Direccionalidad dependiente del gradiente de Ran-GTP/GDP (energía de hidrólisis GTP).
  • NPCs = “zonas de permisividad” para expresión génica ﹙nucleoporinas interactúan directamente con cromatina y genes inducibles﹚.

Transporte núcleo-citoplasma

Importación (citoplasma → núcleo)
  • Requiere Importinas + señal de localización nuclear (NLS) en la carga.
  • Cargas típicas:
    • Histonas.
    • DNA polimerasa.
    • RNA polimerasas.
    • Factores de transcripción y proteínas reguladoras.
    • Proteínas de procesamiento de RNA.
    • Proteínas para ensamblaje ribosomal.
  • Ciclo Ran-GTPase (resumen):
    1. Importina se une a proteína con NLS en citoplasma.
    2. Complejo reconoce FG-Nups y atraviesa NPC.
    3. En nucleoplasma, Ran-GTP se une a importina ➜ liberación de la carga.
    4. Complejo importina/Ran-GTP retorna al citoplasma.
    5. Ran-GAP estimula hidrólisis a Ran-GDP ➜ disociación.
Exportación (núcleo → citoplasma)
  • Requiere Exportinas + señal de exportación nuclear (NES) en la carga + Ran-GTP.
  • Cargas principales:
    • mRNA (usa Nxf1-Nxt1; control de calidad previo).
    • tRNA (exportina-t).
    • Subunidades ribosomales (40S, 60S).
  • Ciclo inverso: Ran-GTP se hidroliza a Ran-GDP en el citoplasma por Ran-GAP, liberando la carga.

Cromatina

  • Conjunto de DNA + proteínas asociadas (histonas, factores de remodelado, enzimas).
  • Niveles de empaquetamiento:
    • Nucleosoma = unidad básica = 8 histonas (2×H2A, 2×H2B, 2×H3, 2×H4) + ~2 vueltas de DNA.
    • Fibra de 10−11 nm10{-}11\ nm ➜ 30 nm30\ nm ➜ dominios de bucle.
Tipos
  • Eucromatina
    • Laxa.
    • Transcripcionalmente activa.
    • Predomina en interfase.
    • Situada en el interior nuclear.
    • Presente en células procariontes y eucariontes.
  • Heterocromatina
    • Compacta.
    • Transcripcionalmente silente.
    • Predomina durante metafase.
    • Ubicada en periferia nuclear.
    • Puede ser constitutiva (siempre compacta) o facultativa (condicional).
Organización tridimensional
  • “Territorios de cromatina” ➜ porciones que interactúan preferentemente entre sí.
  • Interacción núcleo-poros: nucleoporinas se vinculan con cromatina para regular genes inducibles.

Nucléolo

  • Región nuclear no membranosa con mayor concentración de cromatina y proteínas.
  • Sitio principal de síntesis de rRNA y ensamblaje de subunidades ribosómicas.
  • Subdominios estructurales:
    1. Centro fibrilar (FC): contiene pre-rRNA 45S (genes NOR) – no todas las células lo presentan.
    2. Componente fibrilar denso (DFC): procesamiento inicial ➜ rRNA 18S, 5.8S, 28S.
    3. Componente granular (GC): procesamiento tardío y ensamblaje de subunidades 40S y 60S.
Funciones clave
  • Transcripción de genes ribosómicos (RNA pol I).
  • Procesamiento pos-transcripcional de rRNA.
  • Ensamblaje de pre-ribosomas.
Ribosoma eucariótico
  • 80S total = 60S (subunidad mayor) + 40S (subunidad menor).
    • 60S contiene rRNA 28S, 5.8S, 5S.
    • 40S contiene rRNA 18S.

Dinámica durante la mitosis

  • Mitosis = división en dos células hijas idénticas.
  • Eventos nucleares:
    • Profase/Prometafase: fosforilación de láminas ➜ desorganización de la envoltura nuclear.
    • Condensación de cromatina en cromosomas.
    • Anafase: segregación de cromosomas.
    • Telofase: desfosforilación de láminas ➜ reformación de la envoltura nuclear alrededor de cromosomas.
    • Cromosomas se descondensan → cromatina interfásica.
  • Estadios nucleares: Interfase (núcleo intacto) vs División (envoltura desorganizada).

Conexiones, ejemplos e implicaciones

  • Enfermedades asociadas: Laminopatías (mutaciones en LMNA ➜ distrofia muscular de Emery-Dreifuss, progeria, cardiomiopatías).
  • Control de expresión génica depende de:
    • Posicionamiento relativo a NPCs.
    • Estado epi-cromático (eu vs heterocromatina).
  • Almacenamiento de Ca2+^{2+} en cisternas perinucleares ➜ señalización nuclear.
  • Sensado mecánico núcleo-citoesqueleto vía complejo LINC (nesprina–SUN–lámina).