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POROS NUCLEARES

« Envuelta nuclear Cromatina »

Los poros nucleares son complejos proteicos localizados en la envuelta nuclear cuya misión es permitir y controlar el tráfico de moléculas entre el nucleoplasma y el citoplasma.

Las proteínas que forman los poros nucleares se denominan nucleoporinas.

El transporte mediado por los poros nucleares es específico y aprovecha el gradiente creado por las moléculas Ran-GTP y Ran-GDP.

Las importinas y las exportinas son dos de las familias de moléculas que reconocen péptidos señal de entrada o salida, respectivamente, de aquellas moléculas que tienen que entrar o salir del núcleo. Son estas dos familias de proteínas las que interaccionan con las nucleoporinas durante su trasiego por los poros nucleares.

La envuelta nuclear está compuesta por una membrana interna, una externa y un espacio entre ambas. En algunos sitios la membrana externa e interna se fusionan dejando unas aberturas que comunican directamente el citosol y el nucleoplasma. En estas aberturas es donde se encuentran los poros nucleares, también denominados complejos del poro. Son grandes agregados moleculares visibles incluso con el microscopio electrónico (Figura 1). Los poros nucleares son la puerta de comunicación entre el núcleoplasma y el citoplasma, y todo el transporte entre ambos compartimentos se da a través de ellos. Por tanto, son un elemento clave en la función, en la respuesta a señales externas y en la diferenciación de las células. Y esto es así porque condicionan, por ejemplo, la salida del ARNm al citoplasma, o la entrada al núcleo de los factores de transcripción que determinan la expresión génica.

Los poros nucleares son muy numerosos en las células que requieren un alto tránsito de sustancias entre el núcleo y el citoplasma como, por ejemplo, en las células que se están diferenciando. Se estima que en una célula promedio puede haber unos 11 poros por µm2 de envuelta nuclear, lo que equivale a unos 3000 a 4000 poros por núcleo. Durante el ciclo celular, la creación de nuevos poros se produce durante la interfase, en preparación para la mitosis, pero también se crean nuevos poros tras la mitosis. Es claro que durante las mitosis abiertas, en las que la envuelta nuclear se desorganiza, los poros nucleares también se deshacen en sus proteínas, proceso mediado por fosforilación, y se vuelven a ensamblar durante la formación de la nueva envuelta nuclear tras la mitosis.

Poro nuclear

Figura 1. Imagen tomada con un microscopio electrónico de transmisión. Se observa la envuelta nuclear con dos constricciones que se corresponden con dos poros nucleares.

Poro nuclear

Figura 2. Esquema de la estructura proteica de los poros nucleares. (Modificado de Beck et al., 2007)

Las proteínas que forman parte del complejo del poro se denominan nucleoporinas. En las levaduras hay unas 30 nucleoprinas distintas en cada poro nuclear, mientras que en los metazoos pueden ser 40 o más. Pero en un mismo poro puede haber proteínas repetidas y esto hace que un poro de una célula de mamíferos esté formado por unas 500 a 1000 nucleoporinas totales. El complejo del poro mide unos 100 a 150 nm de diámetro, con unos 40 nm de diámetro interno útil, y 50-70 nm de altura. Es uno de los complejos proteicos más grandes de la célula, con unos 125000 kDa de peso molecular. Es curioso que mientras que la mayoría de las proteínas de una célula de mamífero tienen una vida media de unos pocos días, las que forman el poro tienen una vida media muy larga, en algunas ocasiones un poro puede ser estable a lo largo de toda la vida de la célula. Lo que indica que son estructuras muy estables.

Las proteínas que forman los poros nucleares se asocian para formar 8 bloques que configuran un octágono regular y se distribuyen formando anillos (Figura 2): el anillo citoplasmático orientado hacia el citoplasma, el anillo radial situado en la abertura que deja la envuelta nuclear, responsable de anclar el complejo del poro a las membranas de la envuelta nuclear, y el anillo nuclear que se encuentra hacia el nucleoplasma. Además, desde cada uno de los ocho bloques del anillo citoplasmático se proyecta un filamento proteico hacia el citoplasma denominados conjuntamente como filamientos citoplasmáticos, y otro desde cada bloque del anillo nuclear hacia el interior del núcleo denominados filamentos nucleares. Estos últimos se conectan a otro conjunto de proteínas que forman una estructura cerrada llamada anillo distal. Ambos, filamentos nucleares y anillo distal forman la jaula nuclear.

Las nucleoporinas, además de estructuralmente, se clasifican también según su función. Así, hay proteínas que se anclan a la membrana, aquellas que forman el andamiaje, las que forman el canal, y las que forman parte de los filamentos y de la cesta nuclear. Las proteínas que anclan son proteínas transmembrana que sujetan todo el complejo a la membrana de la envuelta. Las nucleoporinas de andamiaje las que forman los anillos. Las proteínas del canal o de barrera son las que forman la parte interna del poro nuclear, y son las que realmente regulan el paso de moléculas a través del poro. Los filamentos son los que primero reconocen a las moléculas a transportar a través del poro. Hay que tener en cuenta que las moléculas que cruzan un poro nuclear no cruzan ninguna membrana sino que pasan entre las membranas de las cisternas de la envuelta.

Los poros nucleares contienen un pasaje acuoso interno de unos 80 a 90 nm de diámetro, pero el espacio útil para el trasiego de las moléculas que se transportan es de unos 45 a 50 nm de diámetro cuando está en reposo, y se puede expandir cuando realizan transporte activo. Normalmente, este canal permite el paso libre de pequeñas moléculas (menores de 60 kDa) como sales, nucleótidos, pequeñas moléculas y pequeños polipéptidos. Pero restringe el movimiento de proteínas de mayor tamaño. Incluso algunas moléculas menores de 20-30 kDa tales como las histonas, los ARNt o algunos ARNm son transportadas de forma selectiva, es decir, tienen que ser reconocidas y transportadas por las proteínas del poro. Este transporte selectivo es pasivo facilitado, es decir, no necesita energía. El poro por sí mismo no determina la direccionalidad del movimiento, sino que el transporte hacia afuera o hacia adentro del núcleo está determinado por un gradiente de unas moléculas denominadas Ran (Figura 3), y para crear este gradiente sí se necesita energía.

Gradiente Ran

Figura 3. Gradientes creados por las moléculas Ran entre el citoplasma y el nucleoplasma. La energía para crear esta distribución desigual se consume en el nucleoplasma para crear GTP y unirlo moléculas Ran para crear Ran-GTP , manteniendo la concentración de Ran-GTP elevada. En el citoplasma las Ran-GTP son rápidamente convertidas en Ran-GDP, manteniendo la concentración de estas últimas elevada. Mientras, la hidrólisis del Ran-GDP a Ran más GDP mantiene la concentración de Ran-GDP baja en el nucleoplasma.

El trasiego a través del poro es elevado, con más de 1000 translocaciones por segundo. Este transporte está orquestado por las proteínas Ran y por unas familias de proteínas denominadas carioferinas que pueden ser importinas o exportinas. Las moléculas Ran son trascendentales tanto para la importación como para la exportación de moléculas. Son las responsables de crear un gradiente que dirige el transporte, y crear este gradiente es la única parte del transporte a través de los poros nucleares que gasta energía. Las moléculas Ran pueden estar en tres estados: Ran-GTP, Ran-GDP y Ran. El paso de un estado a otro está mediado por otras enzimas. En el nucleoplasma hay una mayor concentración de Ran-GTP, mientras que en el citoplasma abunda la Ran-GDP (Figura 3).

Las proteínas que tienen que ser importadas al nucleoplasma poseen una secuencia de aminoácidos denominada secuemcia de localización nuclear y las que tienen que ser exportadas un secuencia de exportación nuclear. Estas secuencias de aminoácidos no son idénticas para todas las proteínas que viajan a través de los poros nucleares. Estas secuencias serán reconocidas o bien por las importinas (reconocen secuencias de entrada) o bien por las exportinas (reconocen secuencias de salida). Hay distintos tipos de importinas y exportinas que tienen más o menos afinidad por las diferentes secuencias. Las proteínas de los poros nucleares, las nucleoporinas, generalmente no interaccionan directamente con las proteínas transportadas, las cargas, sino con las importinas y las exportinas (Figura 4).

Los complejos importina-carga o exportina-carga utilizan el gradiente Ran-GTP para crear direccionalidad en el transporte. Así, los complejos importina-carga se forman espontáneamente en el citoplasma pero son disgregados (importina + carga) por las Ran-GTP que abunda en el nucleoplasma. Por otro lado, el complejo exportina-carga necesita a la Ran-GTP para formarse pero una vez en el citoplasma, al hidrolizarse la Ran-GTP a ran-GDP, exportina, carga y Ran-GDP quedan libres en el citosol.

El que una molécula sea transportada o no, no sólo dependen de que tenga las secuencias correspodientes sino de que puedan ser accesibles para el reconocimiento por las importinas o por las exportinas. Esta secuencias se pueden ocultar por cambios en la estructura de la proteína o por modificaciones químicas, de modo que la célula tiene un nivel más de regulación sobre el tráfico entre el núcleo y el citoplasma.

Importinas-exportinas

Figura 4. Mecanismos moleculares propuestos para el transporte de proteínas mediado por las carioferinas: importinas y exportinas.

Además de proteínas, las moléculas de ARN deben también atravesar los poros nucleares. Los mecanismos que usan los distintos tipos de ARN para ser transportados difieren entre sí, pero todos están mediados por un mecanismo de asociación con proteínas. Los ARNm no se exportan desnudos sino que una vez transcritos se unen a numerosas proteínas en el nucleoplasma formando un complejo ribonucleoproteico de tamaño enorme. Antes de su transporte al citoplasma tiene que haber un control de calidad previo en el que se comprueba que el ARN se ha procesado correctamente. Si hay defectos el ARNm se degrada. Si es correcto se trasfiere a la cesta del poro y se une al complejo proteico Nxf1-Nxt1, que permite su transporte a través del poro. El transporte de ribonucleoproteínas no usa el sistema Ran-GTP, sino otro que necesita la hidrólisis de ATP en vez de GDP. El ATP se gasta cuando todo el complejo ribonucleoproteico-Nxf1-Nxt1 está en la cara citoplasmática del poro, donde se elimina Nxf1-Nxt1 y entonces el complejo ribonucleoproteico ya no puede ser transportado de vuelta al nucleoplasma. Sin embargo, hay una pequeña cantidad de moléculas de ARNm que parece usar la proteínas CRM1, siendo en este caso un transporte dependiente del gradiente creado por las proteínas Ran.

El exporte de ARNt sigue un mecanismo en el que es reconocido por una exportina específica denominada exportina-t, que también se une a una Ran-GTP. Los ARN pequeños nucleares, otro tipo de ARN, emplean la molécula CRM1 y el gradiente Rand-GTP. El mecanismo de exportación de las subinidades ribosómicas, ensambladas en el nucleólo, supone un desafío para los poros nucleares puesto que son complejos moleculares enormes, y tienen que translocarlos al citoplasma por un mecanismo del que hoy en día se desconocen sus detalles. Por último, se han encontrado algunas proteínas que pueden cruzar los poros uniéndose directamente a las proteínas del complejo del poro.

Los poros nucleares participan en funciones adicionales importantes además de regular la comunicación nucleo-citoplasma. Así, se les ha relacionado con la reparación del DNA, el ciclo celular, la organización de la cromatina, regulación de la transcripción y maduración y control de calidad del RNA. Con el microscopio electrónico de transmisión se observa que la distribución de la heterecromatina periférica se interrumpe en las proximidades de los poros nuclerares (Figura 1). Así, se considera a los poros nucleares como lugar de permisividad para la expresión de muchos genes inducibles. Cosa lógica puesto que son la puerta de salida de los ARN mensajeros. Este efecto parece deberse a una interacción directa de las nucleoporinas con la cromatina.

Evolutivamente, las proteínas del poro comparten ancestro con las proteínas que forman las cubiertas COPI y COPII. Esto tiene sentido si pensamos que las membranas de la envuelta nuclear, donde se encuentran los poroso nucleares, son continuas con las del retículo endoplasmático, donde actúan las proteínas COPI.

Bibliografía

Beck M, Lucic V, Forster F, Baumeister W, Medalia O. 2007. Snapshots of nuclear pore complexes in action captured by cryo-electron tomography. Nature 449:611-615.

Cautain B, Hill R, de Pedro N, Link W. 2015. Components and regulation of nuclear transport processes. FEBS journal. 282: 445–462.

Carmody SR, Wente SR. 2009. mRNA nuclear export at a glance. Journal of cell science 122:1933-1937.

Guo T, Fang Y. 2014. Functional organization and dynamics of the cell nucleus. Frontiers in plant biology. vol 5. Artículo 378. doi: 10.3389/fpls.2014.00378.

Kabachinski G, Schwartz TS. 2015. The nuclear pore complex – structure and function at a glance. Journal of cell sciences. 128, 423–429.



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Actualizado: 25-02-2018. 21:49