El nucleo interfase y la division celular: mitosis y meiosis

Introducción al Núcleo Celular y la División

La inmensa mayoría del DNA celular eucariótico se halla recluida en el núcleo, el rasgo más característico de los eucariontes. La separación de los compartimentos nuclear y citoplasmático es una de las funciones principales del núcleo ya que permite separar la síntesis de RNA, tanto en el tiempo como en el espacio, de la síntesis de proteínas. Puede producirse así una maduración del RNA típica de los eucariontes. Este proceso ha permitido a las células desarrollar genes interrumpidos , lo cual resulta ventajoso para la evolución de nuevas proteínas. Las moléculas de DNA son extraordinariamente largas y han de empaquetarse en una espacio reducido. El plegado del DNA es importante para las células eucariotas por dos razones: en primer lugar, es esencial para disponer las grandes moléculas de DNA en forma ordenada dentro del núcleo . En segundo lugar, la manera exacta de plegado de una región del genoma eucariótico determina la actividad de los genes de esa región. Tan solo una pequeña parte del DNA eucariótico codifica realmente proteínas (DNA codificante), la función de las regiones no codificares no se comprende completamente, pero algunas de ellas cumplen funciones importantes en el plegamiento de la cromatina en cromosomas, formación de centrómeros y telómeros y control de la expresión génica en general.

El Núcleo Interfásico

Se denomina interfase al periodo que transcurre entre dos divisiones celulares y al núcleo en esta fase, núcleo interfásico. En el núcleo interfásico se producen los procesos de transcripción y maduración del RNA, incluso antes de la división se realiza en él la replicación de todo el material genético.

ADN y proteínas asociadas (cromatina) retículo endoplasmático nucléolo centrosoma filamentos intermedios lamina nuclear complejo de poro nuclear membrana nuclear externa membrana nuclear interna ) envoltura nuclear

Cromatina

A grandes aumentos, el contenido nuclear aparece lleno de una enmarañada red de fibras conocida como cromatina. Esta cromatina está compuesta por moléculas de DNA asociadas a una amplia variedad de proteínas entre las cuales destacan las histonas, responsables de empaquetar las largas moléculas de DNA. Estas histonas constituyen una clase bien definida de proteínas estructurales y están presentes en todas las células eucarióticas en grandes cantidades, con una masa total más o menos igual que la del DNA (Lodish, 2023).

Se conocen cinco tipos de histonas divididas en dos grupos. El primero son las histonas nucleosómicas, denominadas H2A, H2B, H3 y H4. Estas cuatro histonas cuentan entre las más conservadas de todas las proteínas conocidas, tanto a nivel estructural como a nivel de su secuencia de aminoácidos, rica en aminoácidos básicos, como lisina y arginina. El segundo grupo está constituido por las histonas H1.

La unidad elemental de la cromatina, constituida por una fibra de unos 10 nm de grosor, se denomina fibra elemental, y se observa al microscopio electrónico como una fibra con forma de "collar de cuentas". Cada una de estas cuentas es un complejo nucleosomal, integrado por un octámero de histonas alrededor del cual se enrolla el ADN, dando dos vueltas de doble hélice, dos de estos complejos están separados por ADN espaciador. La unidad básica de esta fibra de cromatina es el nucleosoma, constituido por el octámero de histonas rodeado de Doble hélice de ADN Hebra de 10 nm ADN y el ADN espaciador, en total Nucleosoma Histona H1 supone unos 200 pares de bases. La Solenoide Fibra de 30 nm H1 está implicada en el superenrollamiento de la fibra, mientras H2A H1 H2B que las otras histonas componen el H4 H3 ADN 1 ADN enlace octámero al rededor del cual se enrolla Nucleosoma Pc Octámero de histonas la doble cadena. El siguiente nivel es la fibra de 30 nm, en la que los nucleosomas se empaquetan uno sobre Cromoson en metafa otro adoptando una disposición regular. Asas cromatínicas 300 nm Cromosoma condensado (700 nm)

Se han propuesto diferentes modelos 3para explicar cómo se empaquetan, siendo los más aceptados el modelo en zig-zag y el solenoide.

En este proceso de plegamiento cada una de las histonas nucleosómicas experimenta una serie de modificaciones covalentes. Por ejemplo, ciertos residuos de lisina son aceitados y ciertas serinas son fosforiladas. Estas modificaciones neutralizan la carga positiva de los restos y se elimina la interacción con el DNA. En consecuencia, cuanto mayor es el grado de acetilación menor es la probabilidad de formar fibra de 30 nm y estructuras de nivel superior. Se piensa que la modificación de histonas contribuye al control de la expresión génica.

Otras proteínas no histonas forman un armazón cromosómico flexible al que se unen largas asas de la fibra de 30 nm, denominadas dominios en bucle, con un diámetro de unos 300 nm, siendo esta la forma extendida de los cromosomas.

En el núcleo en interfase se diferencian dos tipos de cromatina:

• eucromatina: de aspecto laxo, corresponde a zonas donde se está produciendo activamente la transcripción.
• heterocromatina: de aspecto más condensado, corresponde a zonas inactivas, es decir, donde no se está produciendo la transcripción. Se pueden diferenciar dos tipos de heterocromatina:
  • constitutiva: aparece condensada durante todo el ciclo celular y su ADN nunca se transcribe, la mayor parte son secuencias repetitivas.
  • facultativa: su condensación depende del estado de desarrollo del organismo y del tipo celular, y está compuesta por un conjunto de genes que, de manera específica se inactiva a lo largo de los procesos de diferenciación celular.

Nucleolo

Se trata de una estructura esferoidal que carece de membrana que la delimite, formada por ARN y proteínas. En realidad, el nucleolo es la manifestación visible de la síntesis del ARNr y su asociación con proteínas para formar subunidades ribosómicas. Los genes de ARNr son genes dispuestos en tándem con muchas copias del mismo gen, que se disponen una a continuación de la otra. Estas regiones genómicas se denominan organizadores nucleolares (NOR).

En el nucleolo se distinguen una parte amorfa y una parte densa, 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 con las zonas de transcripción activa.

Nucleoplasma

El nucleoplasma es el medio interno acuoso donde se encuentran inmersos los demás componentes nucleares. Está integrado por proteínas, principalmente enzimas relacionadas con el metabolismo del ADN y el ARN.

Envoltura Nuclear

Está constituida por una doble membrana: la membrana nuclear externa y la membrana nuclear interna, ambas separadas por un espacio perinuclear. La membrana externa se continúa con la del retículo endoplasmico rugoso, por tanto existe una conexión entre el espacio perinuclear y el lumen del retículo. Entre ambas membranas se localizan los poros nucleares, a través de los cuales se produce el intercambio de moléculas entre el interior del núcleo y el citoplasma.

Los poros nucleares son canales proteicos complejos formados por ocho bloques, cada uno constituido por proteínas que presentan una disposición octogonal y proteínas transportadoras centrales, importinas y exportinas.

Entre el nucleoplasma y la membrana nuclear interna se observa, por último, una lámina nuclear de naturaleza fibrilar que tiene función de soporte y está constituida por filamentos intermedios. Su función está relacionada con la regulación de las interacciones entre la cromatina y la envoltura nuclear, su organización y desaparición y la nueva formación de la misma durante la mitosis.

El Núcleo en División: Cromosomas

Durante la división celular el núcleo se divide por mitosis, proceso en el cual se produce el reparto de cromosomas entre las dos células hijas. En comparación con el núcleo interfásico, la principal diferencia que se observa, es la presencia de los cromosomas, que son la forma más condensada de la cromatina.

Durante la metafase de la mitosis, los cromosomas aparecen constituidos por dos cromátidas iguales, llamadas hermanas, unidas por el centromero, que es el estrechamiento central. En este centrómero se encuentra el cinetocoro, un disco proteico en el que se anclan los microtúbulos del huso. Según la posición del centromero, los cromosomas se pueden clasificar como sigue:

Telocentric Acrocentric Submetacentric Metacentric

Los extremos de las cromatidas se denominan telómeros, y son secuencias repetitivas de ADN que tienen como función evitar la pérdida de información genética Durante la replicación, contrarrestando la tendencia de los cromosomas a acortarse. Se ha encontrado una relación directa entre el acortamiento de los telómeros y el envejecimiento, cuestión que es objeto de estudio actualmente por la investigadora española María Blasco, directora del CNIO.

El Ciclo Celular

Una célula nueva surge cuando otra anterior se divide o cuando dos de ellas (gametos) se fusionan. En cualquiera de los dos casos se inicia un programa de división celular que está codificado en el DNA y que es ejecutado por proteínas. El ciclo celular comprende los periodos de crecimiento y división que tienen lugar durante el ciclo vital de una célula. Se divide en dos etapas: división e interfase.

• División: en esta etapa la célula se divide en dos o más células hijas. Consta, a su vez, de dos procesos:
  • Mitosis, o división del núcleo (= cariocinesis). En determinados tipos celulares esta división del núcleo será por meiosis.
  • Citocinesis, o división del citoplasma.
• Interfase: se denomina así al período que transcurre entre dos divisiones sucesivas. Se compone de varias etapas:
  • G1. Es el lapso de tiempo comprendido entre el final de la última división y la replicación del ADN. En ella se llevan a cabo procesos de biosíntesis de proteínas y material celular. Algunos tipos de células pueden permanecer en un estado de reposo o fase G0.
  • S. Fase de síntesis de histonas y replicación del ADN.
  • G2. Etapa de preparación para la división celular.

Las células eucariotas llevan a cabo un control muy estricto del ciclo celular, con proteínas reguladoras específicas que actúan en puntos críticos de control.

Fase mitótica Formación Punto de control G2 de dos células Punto de control M hijas G2 Crecimiento celular S Síntesis ADN Crecimiento celular G1 Punto de control G1 (restricción) 6