Atlas de histología vegetal y animal

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La célula. 4. El núcleo.

LA ENVUELTA NUCLEAR

A finales del siglo XIX se propuso la existencia de una barrera que delimitaba al núcleo, lo que quedó posteriormente demostrado con el microscopio electrónico (Figura 1). La envuelta nuclear está formada por una doble membrana con diversas funciones: a) separa físicamente al nucleoplasma (cromatina y demás componentes del interior nuclear) del citoplasma; b) regula la comunicación entre ellos, es decir, el movimiento de macromoléculas entre nucleoplasma y citoplasma; c) establece la forma nuclear; d) contribuye a la organización interna del núcleo, ya que aporta lugares de anclaje para la cromatina. La envuelta nuclear interacciona con elementos del citoesqueleto, microtúbulos y filamentos intermedios, los cuales determinan la posición del núcleo en la célula.

Envuelta nuclear
Figura 1. Imagen tomada con un microscopio electrónico de transmisión délula donde se observa la envuelta nuclear.

1. Componetes

La envuelta nuclear está formada por dos membranas, externa e interna, respectivamente, quedando entre ambas un espacio intermembranoso de aproximadamente 25-40 nm, formando todos estos elementos juntos las denominadas cisternas perinucleares (Figura 2). La membrana externa se continúa con la del retículo endoplasmático y posee ribosomas adheridos. Esta continuidad permite que el espacio intermembranoso y el interior del retículo endoplasmático se comuniquen directamente y que la envuelta nuclear funcione también como almacén de calcio. La membrana interna contiene una composición molecular diferente y posee proteínas transmembrana que interactúan con la cromatina y con la lámina nuclear, otro componente de la envuelta nuclear (ver más adelante). Las membranas nucleares interna y externa son continuas en la periferia de los poros nucleares. ¿Qué mantiene las diferencias en la composición de ambas membranas? Parece existir un mecanismo de retención selectiva. Las proteínas se sintetizan en el retículo endoplasmático y llegan a la membrana interna por difusión lateral (difusión por la membrana), pero sólo aquellas que interaccionan con las proteínas de la lámina nuclear o de la cromatina se mantienen como componentes propios de la membrana interna.

Envuelta nuclear
Figura 2. Esquema de la estructura de la envuelta nuclear. Está formada por una membrana externa, por el espacio intermembrana, por la membrana interna y por la lámina nuclear. La membrana externa se continúa con el retículo endoplasmático. Los poros nucleares se encuentran insertos en interrupciones puntuales de la envuelta nuclear.

La lámina nuclear, en las células animales, es un entramado proteico que separa la membrana interna de la cromatina. En mamíferos tiene un espesor de 20 a 25 nm. Las principales proteínas que la componen se denominan láminas, que se encuentran en dos isoformas: tipo A (láminas A y C, que son la maduración alternativa del mismo gen) y tipo B (láminas B1 y B2/3). Pertenecen a la familia de los filamentos intermedios. Estas proteínas se disponen en forma de malla cubriendo toda la cara interna de la envuelta nuclear, a la cual están unidas por un lado, mientras que por el otro anclan la cromatina. La asociación íntima entre la membrana interna de la envuelta nuclear y la lámina nuclear se produce gracias a la existencia de al menos 20 proteínas localizadas en la membrana interna.

La lámina nuclear tiene múltiples funciones. Una de las principales es la de mantener la estructura de la envuelta nuclear, y por tanto la de dar forma y tamaño, al núcleo. La forma nuclear cambia cuando cambia la expresión de las proteínas que forman la lámina nuclear, lo cual es observable durante el desarrollo embrionario, la diferenciación celular o ciertas patologías celulares. Sirve de punto de anclaje del núcleo al citoesqueleto de la célula, a través de proteínas intermediarias localizadas en las membranas de la envuelta nuclear que conectan con otros elementos del citoesqueleto en el citosol, lo que permite al núcleo situarse en una posición determinada dentro de la célula o moverse por su interior. También condiciona la distribución de los poros nucleares. Otra de las funciones de la lámina nuclear es servir de soporte para diversas reacciones relacionadas con la cromatina. Por ejemplo, la cromatina que está asociada a la lámina nuclear no se suele transcribir, aunque hay genes particulares que sí lo hacen. Además, las regiones de cromatina asociadas a la lámina cambian según el tipo celular y el estado de desarrollo de la célula, luego debe ser un elemento regulador de la expresión génica. Por último, su papel es importante durante la mitosis puesto que las láminas han de fosforilarse para que la envuelta nuclear se desorganice y los microtúbulos tengan acceso a los cromosomas. Las deficiencias en las proteínas que forman la lámina nuclear producen las enfermedades denominadas laminopatías, en las cuales los núcleos están desorganizados y pueden llevar a la muerte celular o a la fragilidad de la envuelta nuclear.

En la envuelta nuclear se encuentran los poros nucleares, responsables de controlar el trasiego de moléculas entre el interior del núcleo y el citoplasma, y que veremos en la siguiente página.

2. Función

¿Por qué una célula necesita separar el ADN del citoplasma, cuando esto le supone un considerable consumo de recursos? Entre las razones más evidentes están:

a) Estabilidad génica: la confinación del genoma en un compartimento contribuye a preservar la estabilidad del ADN, que es mayor que en procariotas, teniendo en cuenta que estamos hablando de una enorme cantidad de ADN.

b) Permite la regulación de la expresión génica a un nivel impensable para los procariotas. Por ejemplo, el acceso o no a los factores de transcripción. Los factores de transcripción son moléculas que regulan la expresión génica y son sintetizados en el citoplasma. Para su acción deben ser transportados al interior nuclear. Las cascadas de señalización empiezan en receptores de membrana o internos, pero cualquiera que sea su inicio, si desencadenan expresión génica, alguna molécula de la cascada de señalización debe atravesar la envuelta nuclear. Si se bloquea este paso no se producirá ningún efecto sobre la expresión génica.

c) La presencia de intrones y exones en los genes eucariotas obliga a una maduración del transcrito primario. Es muy peligroso que un ARN mensajero sin madurar acceda a los ribosomas puesto que produciría proteínas no funcionales o incluso potencialmente peligrosas.

d) Separar la transcripción de la traducción aporta a la célula una herramienta más para regular la información que va desde el ADN hasta la proteína. Así, la transcripción de un gen a ARN mensajero no significa que se produzca una proteína de forma inmediata. Impidiendo la salida del ARN mensajero del núcleo se evita la producción de dicha proteína.

3. En la mitosis

La envuelta nuclear se desorganiza durante la profase de la mitosis en la mayoría de los eucariotas. Es la denominada mitosis abierta. Ello permite que los microtúbulos tengan acceso a los cromosomas. Una vez producida la segregación y reparto de los cromosomas, la envuelta nuclear se ensambla de nuevo a partir de las membranas del retículo endoplasmático durante la telofase para formar los núcleos de las células hijas (Figura 3). En las levaduras, sin embargo, no hay desorganización de la envuelta durante la mitosis sino su estrangulación, como ocurre con el citoplasma, puesto que estas células son capaces de formar usos mitóticos intranucleares. Son mitosis cerradas.

Envuelta nuclear
Figura 3. Reorganización de la envuelta nuclear y formación del núcleo durante la telofase. La envuelta nuclear se origina a partir de membranas del retículo endoplasmático. Proteínas localizadas en la membrana interna de la envuelta nuclear enlazan la cromatina a la envuelta (modificado de Wanke y Kutay, 2013).

4. Posición nuclear

El núcleo ocupa diferentes posiciones en el interior de la célula, lo que depende del tipo celular, actividad o estado de diferenciación de la célula. En algunas ocasiones el núcleo es desplazado por otros componentes del citoplasma, como ocurre con la gran gota de grasa de los adipocitos o el citoesqueleto de las células musculares estriadas, las cuales tienen núcleos cerca de la membrana plasmática. Pero en la mayoría de los casos la célula sitúa activamente su núcleo en una región particular del citoplasma. Esta posición activa del núcleo depende de la interacción del citoesqueleto, sobre todo microtúbulos y filamentos de actina, pero también filamentos intermedios, con la envuelta nuclear. En algunos casos, en las células animales, la envuelta nuclear está conectada al centrosoma, y es éste el que tira del núcleo cuando es movido por los microtúbulos. Otras veces son los microtúbulos los que contactan directamente con la envuelta nuclear. El movimiento se produce por acción de proteínas motoras, aunque en movimientos cortos el núcleo es empujado por procesos de polimerización y despolimerización. Las proteínas que se encuentran en la envuelta nuclear sirven de intermediarias entre el citoesqueleto y la lámina nuclear. Se han medido velocidades del núcleo de entre 0.1 y 1 µm/min, pero hasta 10 µm/min en los pronúcleos del ovocito tras la fecundación.

En la envuelta hay unos complejos proteicos que conectan la lámina nuclear con el citoesqueleto. Estos complejos están formados por unas proteínas localizadas en la membrana externa de la envuelta nuclear denominadas KASH (nesprinas en mamíferos) y otras en la membrana interna denominadas SUN. Podría haber además otras proteínas implicadas en estos puentes citoesqueleto-lámina nuclear (Figura 4).

Envuelta nuclear
Figura 4. Interacciones entre la envuelta nuclear y el citoesqueleto que ayudan a situar y mover el núcleo en la célula, además de afectar a su tamaño y forma (modificado de Starr y Fridolfsson, 2010 y Wilhelmsen et al., 2006).

En mamíferos se han encontrado 5 genes que codifican para proteínas KASH, algunos con maduración alternativa del ARNm, que pueden generar isoformas enormes de más de 800 kDa. Tienen unos largos dominios moleculares que se expanden por el citosol e interactúan con el citoesqueleto. Las moléculas SUN se unen a las proteínas KASH en el espacio perinuclear, y a las moléculas de las láminas por su dominio nucleoplasmático.

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