Tema 3: El núcleo celular, sus componentes y funciones en Biología

Componentes del Núcleo Celular

TEMA 3: EL NÚCLEO 1. COMPONENTES: ENVOLTURA NUCLEAR, CROMATINA, NUCLEOLO

Características y Función del Núcleo

La existencia del núcleo es la característica principal que diferencia a las células eucariotas de las procariotas. El núcleo sirve de almacén de información génica y como centro de control celular. La replicación del ADN, la transcripción y el procesamiento del ARN ocurren en el interior del núcleo. Sólo la última etapa de la expresión génica ocurre en el citoplasma traducción.

DNA RNA Protein transcription translation CELL NUCLEUS replication * reverse transcription

Morfología y Estructura del Núcleo

La morfología del núcleo de todas las células eucariotas es similar. Consta de una masa amorfa encerrada en una envoltura nuclear que la separa del citoplasma. Esta masa amorfa está formada por fibras de ADN y proteínas que dan lugar a la cromatina (que en determinadas fases del ciclo celular se condensan para formar cromosomas), uno o más nucleólos (estructuras más densas en las que se produce la síntesis del ARN ribosómico), el nucleoplasma o matriz líquida y una matriz nuclear compuesta por una red de fibras de proteínas que conforman el armazón estructural del núcleo

G N IBRABY Nu SCIENCEDHOLOD RER N: Núcleo Nu: Nucleolo G: Aparato de Golgi V: Vesículas RER: Retículo Endoplasmático Rugoso cP: Complejo de Poro

La Envoltura Nuclear

LA ENVOLTURA NUCLEAR La envuelta nuclear separa el contenido del núcleo del citoplasma y le aporta una "armadura" estructural al núcleo.Las membranas nucleares actúan como una barrera selectiva que impide el paso de moléculas de forma libre entre el interior nuclear y el citoplasma, manteniendolos como dos Compartimentos metabólicamente independientes. Los únicos canales en la envuelta nuclear son los complejos de poro nucleares, que permiten el paso controlado de moléculas entre el núcleo y el citoplasma, siendo estos un papel clave en la expresión génica.

Jugo Nuclear Nucleoplasma Cromatina Nucleolo Membrana Nuclear Envoltura Nuclear

Estructura de la Envoltura Nuclear

La envuelta nuclear tiene una estructura compleja, constituida por:

1. Dos membranas nucleares: membrana nuclear interna y externa
2. Complejos de poro nucleares

Envoltura nuclear Membrana externa Membrana interna. Nucléolo Nucleoplasma Cromatina Heterocromatina Eucromatina Ribosomas O C Poro nuclear

Membrana Nuclear Externa

La membrana nuclear externa se continua con la membrana del retículo endoplasmático, por lo que hay una comunicación directa entre el espacio intermembrana y el lumen del retículo endoplasmático. La membrana nuclear externa es, además, similar funcionalmente a la del RE y también posee ribosomas adheridos a su superficie. La composición proteica es diferente puesto que es rica en proteínas de membrana que se unen al citoesqueleto y no posee proteínas que mantienen la organización cilíndrica del RE.

Membrana nuclear externa Nuclear pores Nuclear envelope Chromatin- (condensed) Nucleus Nucleolus Cisternae

Membrana Nuclear Interna

La membrana nuclear interna contiene aproximadamente 60 proteínas de membrana integral específicas (ej. las que unen la matriz nuclear de láminas)

Membrana nuclear externa Espacio perinuclear Membrana nuclear interna núcleo Complejo de poro Lámina nuclear Nucleolo Cromatina

Función de las Membranas Nucleares

La función principal de las membranas nucleares es actuar como una barrera que separa el contenido del interior nuclear del citoplasma. Se trata de una bicapa de fosfolípidos, permeable solo a pequeñas moléculas apolares. Otras moléculas son incapaces de difundir. Las membranas interna y externa se unen en los complejos de poro nuclear, que son los únicos canales que permiten el paso de pequeñas moléculas polares y macromoléculas a través de la envoltura nuclear.

fibrill subunidad anular CITOPLASMA subunidad luminar envoltura nuclear subunidad columnar lámina nuclear membrana nuclear interna NÚCLEO subunidad del anillo jaula nuclear 50 nm

Lámina Nuclear

Oculta en la membrana nuclear interna, se localiza la lámina nuclear, una red fibrosa que proporciona soporte estructural al núcleo. Está compuesta por proteínas fibrosas (de 60 a 80 kilodalton) denominadas laminas A, B y C (del inglés lam in s) junto a algunas proteínas asociadas.

inner and outer nuclear membrane rough endoplasmic reticulum perinuclear space 0.5 um Las células vegetales poseen una red fibrosa similar integrada por proteínas no relacionadas nuclear pore complex nucleus DNA nuclear lamina No confundir con Lamininas que son glucoproteínas de la matriz extracelular

Organización de las Láminas

Las lamins se organizan en una malla filamentosa dentro del núcleo. A-type Lamins (Lamin A y C) > Expresadas en células diferenciadas. B-type Lamins (Lamin B1 y B2) > Expresadas en casi todas las células.

Cadena polipeptidica de lámina a ER lumen Nespri 1/2 LRA Emeri Asociación cabeza con cola de los dimeros ONM LAPT C -- HPI Polimero SUN1/2 Asociación en paralelo de los polímeros Chromatin- Nuclear Filamento lamina NPC Ribosome Microfilament Dimero MAN LAP2 INA

Funciones de la Lámina Nuclear

• Mantener la forma e integridad del núcleo
• Regular la expresión génica
• Anclar la cromatina a la envoltura nuclear
• Reconstrucción del núcleo tras la division celular

Actin filaments Intermediate filaments ER lumen HN C HC -CH2-S O Plectin NH R Nesprins Nuclear pore complex co SUN1/2 trimers Outer nuclear membrane LAP1 LAP28 LAP2 Transcription factors 2 Chromatin Inner nuclear membrane 1 LAP2« RB1 Soluble LMNA LAP2c

Prenilación de Proteínas y Láminas

Primera evidencia de prenilación de proteínas en mamíferos PRENILACIÓN- ADICIÓN DE UN GRUPO FARNESILO (UN TIPO DE LÍPIDO) · Aumenta la hidrofobicidad de las lamins, facilitando su interacción con la envoltura nuclear (membrana interna). . Esto permite que las lamins se localicen en el sitio adecuado para formar la red estructural. · Favorece la polimerización · La interacción de las lamins con la membrana nuclear estabiliza su ensamblaje en filamentos intermedios. · Sin prenilación, las lamins permanecen en el nucleoplasma y no se ensamblan correctamente. . Procesamiento de la prelamina A · En el caso de Lamin A, el grupo farnesilo es eliminado posteriormente por la enzima ZMPSTE24 para que la proteína alcance su forma madura. · Si este proceso falla (como en la progeria), se acumula una forma aberrante llamada progerina, que interfiere con la estructura del núcleo.

Enfermedades Asociadas a la Envoltura Nuclear

Seguimos con la envoltura: Lipodistrofias- problemas en la distribución de grasa corporal. Distrofia muscular de Emery-Dreifuss -> mutaciones en el gen que codifica para Lamin A y C. Produce cambios en determinados músculos del esqueleto y contracturas tempranas en el culo, codos y tendones de Aquiles, así como defectos de conducción cardíaca.

co Prenilación BANF1 Lamina

Progeria de Hutchinson-Gilford

Progeria de Hutchinson-Gilford -> mutaciones en heterocigosis surgidas de novo en el gen de la lámina A envejecimiento prematuro.

Healthy Nucleus Mutant Nucleus Normal splicing Aberrant splicing Prelamin A mRNA Progerin mRNA Translation 50 aa deleted in progerin Famesylation I 1ª cleavage FACE-1 Toxic Prelamin A Carboxymethylation x Progerin 2% cleavage FACE-1 1 Mature lamin A DNA damage Nuclear membrane Nuclear lamina Chromatin under conformational stress Defective DNA repair Normal chromatin K tt p53 signaling activation 1 tt cellular and tissular senescence

Complejo del Poro Nuclear (NPC)

COMPLEJO DEL PORO NUCLEAR Los complejos del poro nuclear (NPC) son los únicos canales a través de los cuales pueden viajar pequeñas moléculas polares, iones y macromoléculas (proteínas y ARN) entre el núcleo y el citoplasma.

Nuclear pore complex Ribosomes Outer nuclear membrane LBF Emerin Inner nuclear membrane A >Lamina Chromatin Se trata de una estructura muy grande cuyo diámetro es de aproximadamente 120 nm y un peso molecular de aprox. 125 millones Da (x30 tamaño un ribosoma).

Composición y Función del NPC

En vertebrados, este complejo está compuestos por múltiples copias de aprox. 50 proteínas distintas (nucleoporinas). Controla el tráfico de moléculas entre el núcleo y el citoplasma. Las moléculas de ARN que son sintetizadas en el núcleo deben ser exportadas de forma eficiente al citoplasma para sintetizar proteínas. Las proteínas necesarias para las funciones nucleares (ej., factores transcripción) deben entrar en el núcleo procedentes de los lugares de síntesis en el citoplasma. Muchas proteínas sufren un trasiego continuo entre el núcleo y el citoplasma

Mecanismos de Transporte a través del NPC

En función al tamaño que posean, las moléculas pueden pasar a través del complejo del poro nuclear mediante dos mecanismos diferentes:

a) Las moléculas pequeñas y algunas proteínas cuya masa molecular es inferior a 40 kDa difunden libremente a través del poro en ambas direcciones.

Núcleo Citoplasma 70 kDa

b) El resto de proteínas y el ARN atraviesan el complejo del poro nuclear por transporte selectivo. Estas proteínas y el ARN son reconocidos por señales específicas que dirigen su transporte desde el núcleo al citoplasma o desde el citoplasma al núcleo.

Señales de localización nuclear Antigene T Secuencia bipartita Transporte dependiente de energia Difusión pasiva Proteinas Moléculas pequeñas Núcleo

Transporte de Ribosomas

¿Los ribosomas completos como salen al citoplasma? ¿Deben salir al citoplasma? Si es así ¿Cuál de las dos opciones utilizan? ¿Tiene el núcleo ribosomas funcionales? · En el nucléolo se transcriben los genes de ARN ribosomal (ARNr) y se ensamblan con proteínas ribosómicas traídas del citoplasma, a través de los poros nucleares mediante un transporte selectivo que depende de señales de localización nuclear (NLS). · En el núcleo solo se forman subunidades ribosomales (grande y pequeña). . Estas subunidades no ensamblan un ribosoma funcional hasta que salen al citoplasma a través de los poros nucleares.· Este transporte también es selectivo y requiere de señales específicas, como la señal de exportación ribosómica. Las exportinas (proteínas que facilitan el transporte a través del poro) se unen a las subunidades ribosomales y las guían a través del poro nuclear. · Los ribosomas activos están en el citoplasma y el RER · Una vez en el citoplasma, las subunidades ribosomales se ensamblan para traducir ARNm. · Pueden estar libres en el citoplasma o anclados al retículo endoplasmático rugoso (RER) (también en mitocondrias y cloroplastos)

¿Los ribosomas completos como salen al citoplasma? Por subunidades ¿Deben salir al citoplasma? Sí, el núcleo no tiene ribosomas "completos" Si es así ¿Cuál de las dos opciones utilizan? Las subunidades ribosomales no pueden pasar libremente debido a su gran tamaño. Transporte selectivo mediato por exportinas y GTP. ¿Tiene el núcleo ribosomas funcionales? No

r hetero- chromatin ER uclear nvelope nucleolus nuclear pore euchromatin

Diferencias entre Células Normales y Cancerígenas

NORMAL CELLS and CANCER CELLS Large cytoplasm Small cytoplasm Irregular shape of a nucleus Spherical shape of a nucleus Multiple nucleoli Fine chromatin Single nucleolus Coarse chromatin Normal cells Cancer cells

Transporte Selectivo de Proteínas

TRANSPORTE SELECTIVO DE PROTEÍNAS IMPORTACIÓN Se lleva a cabo un transporte selectivo a través de la envuelta nuclear. Mejor caracterizado para proteínas que se transportan desde el citoplasma al núcleo. Dichas proteínas son las responsables de todas las características de la estructura y de la función del genoma. Incluyen: · Histonas · ADN polimerasas . ARN polimerasas • Factores de transcripción · Factores de splicing · Muchas otras: (¿Un ejemplo?)