Núcleo celular

(1) Membrana nuclear (2) Ribosomas (3) Complexo do poro nuclear (4) Nucléolo
(5) Cromatina (6) Núcleo (7) Retículo endoplasmático (8) Nucleoplasma
Toda a estrutura está rodeada polo citoplasma.
miniatura|Células HeLa co ADN tinguido coa tinguidura azul de Hoechst. A célula central e a da dereita están en interfase, polo que todo o seu núcleo está marcado. A da esquerda é unha célula en mitose co seu ADN xa condensado para a división.

En bioloxía celular, o núcleo (do latín nucleus ou nuculeus) é unha parte das células que se atopa en todas as células eucariotas e contén a maioría do material xenético. O núcleo, en xeral, controla as actividades da célula, e ten dúas funcións primarias: controla as reaccións químicas celulares, na súa maioría citoplasmáticas, e garda a información que se precisa para a división celular.

Á parte de conter o xenoma da célula, o núcleo contén certas proteínas que regulan a expresión dos xenes. A expresión xenética ao nivel nuclear envolve complexos procesos de transcrición, o procesamento do pre-ARNm e a exportación do mesmo cara ao citoplasma.

O núcleo ten un tamaño medio de 6 micrómetros nos mamíferos; os máis grandes son as de células vexetais, que poden chegar a 25 micrómetros ou máis. Está rodeado por unha dobre membrana chamada membrana nuclear. A membrana exterior e a interior fúndense nuns determinados intervalos, formando poros nucleares. A membrana nuclear regula e facilita o transporte entre o núcleo e o citoplasma, e tamén separa as reaccións químicas producidas no citoplasma das do núcleo. A membrana exterior está asociada co retículo endoplasmático e ás veces pode conter ribosomas. O espazo entre as dúas membranas é continuo co espazo interno do retículo endoplasmático. A cara nuclear da membrana está rodeada duns filamentos que forman a lámina nuclear. O interior do núcleo está cheo dun líquido que constitúe o nucleoplasma. Dentro do núcleo encóntrase o nucléolo, onde se fabrican as subunidades ribosómicas. Atópanse tamén outras formacións menores chamadas corpos subnucleares, que son diversas agrupacións de ARN e proteínas.

 Historia 
miniatura|esquerda|upright=1.5|A descrición máis antiga coñecida das células e o seu núcleo por Anton van Leeuwenhoek en 1719.
miniatura|Debuxo dunha célula da glándula salivar do insecto Chironomus realizado por Walther Flemming en 1882. O núcleo contén cromosomas politénicos.
O núcleo foi o primeiro orgánulo en ser descuberto. Probablemente, o debuxo máis antigo que se conserva deste orgánulo remóntase a un dos primeiros microscopistas, Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723). Este investigador observou un oco ou "lume", o núcleo, en eritrocitos de salmón.Leeuwenhoek, A. van: Opera Omnia, seu Arcana Naturae ope exactissimorum Microscopiorum detecta, experimentis variis comprobata, Epistolis ad varios illustres viros. J. Arnold et Delphis, A. Beman, Lugdinum Batavorum 1719–1730. Citado por: Dieter Gerlach, Geschichte der Mikroskopie. Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main, Germany, 2009. ISBN 978-3-8171-1781-9. A diferenza dos eritrocitos de mamífero, os do resto de vertebrados son nucleados. O núcleo tamén foi descrito en 1804 por Franz Bauer, e posteriormente con máis detalle polo botánico escocés Robert Brown nunha charla ditada perante a Sociedade linneana de Londres en 1831. Brown estaba estudando a estrutura microscópica das orquídeas cando observou unha área opaca, que chamou aréola ou núcleo, nas células da capa externa da flor, aínda que non suxeriu unha función potencial para tal estrutura. En 1838 Matthias Schleiden propuxo que o núcleo desempeñaba un papel na xeración de células, denominándoo "citoblasto" (construtor de células). Pensaba que observara células novas arredor destes "citoblastos". Franz Meyen foi un forte opositor desta opinión, xa que describira previamente células que se multiplicaban por división e cría que moitas células carecerían de núcleo. A idea de que as células se podían xerar de novo, ben polo "citoblasto" ou ben doutro modo, contradicía os traballos de Robert Remak (1852) e Rudolf Virchow (1855), os cales propagaron decisivamente o novo paradigma de que as células só se xeraban por outras células ("Omnis cellula ex cellula"). A función do núcleo permanecía sen aclarar. Online Version here

Entre 1876 e 1878 Oscar Hertwig publicou varios estudos sobre a fecundación de ovos de ourizo de mar, mostrando que o núcleo do espermatozoide entraba no oocito fusionándose co seu núcleo. Esta foi a primeira vez que se suxeriu que un individuo se desenvolvía a partir dunha soa célula nucleada. Isto estaba en contradición coa teoría de Ernst Haeckel, que enunciaba que se repetía a filoxenia completa dunha especie durante o desenvolvemento embrionario, incluíndo a xeración da primeira célula nucleada a partir dunha "monerula", unha masa desestruturada de moco primordial ("Urschleim", en alemán). Polo tanto, a necesidade do núcleo espermático para a fecundación estivo en discusión por un tempo. Porén, Hertwig confirmou a súa observación noutros grupos animais, como por exemplo en anfibios e moluscos. Eduard Strasburger obtivo os mesmos resultados en plantas (1884). Isto abriu o camiño para a asignación dun papel importante ao núcleo na herdanza xenética. En 1873 August Weismann postulou a equivalencia das células xerminais paternas e maternas na herdanza. A función do núcleo como portador de información xenética non se fixo evidente ata máis tarde, tras o descubrimento da mitose e o redescubrimento das leis de Mendel a principios do século XX. Isto supuxo o desenvolvemento da teoría cromosómica da herdanza.

 Estruturas 

O núcleo é o orgánulo de maior tamaño das células animais. Nas células de mamífero, o diámetro de media do núcleo é de aproximadamente 6 micrómetros (μm), e ocupa aproximadamente o 10% do total do volume celular. Nos vexetais, o núcleo xeralmente mide de 5 a 25 µm e é visible con microscopio óptico. Nos fungos observáronse casos de especies con núcleos moi pequenos, de arrededor de 0,5 µm, os cales son visibles soamente con microscopio electrónico. Nas oosferas de Cycas e de coníferas acada un tamaño de 0,6 mm, é dicir, é visible a simple vista.González, A.M. Núcleo celular . Morfología de Plantas Vasculares. Facultad de Ciencias Agrarias, Universidad Nacional del Nordeste. Consultado o30 de outubro de 2009.

O líquido viscoso do seu interior denomínase nucleoplasma, e a súa composición é similar á que se encontra no citosol do citoplasma. Ten o aspecto xeral dun orgánulo denso e esférico.

 Envoltura e poros nucleares 

A envoltura nuclear, tamén coñecida como membrana nuclear, componse de dúas membranas, unha interna e outra externa, dispostas en paralelo unha sobre a outra cunha separación de 10 a 50 nanómetros (nm). A envoltura nuclear rodea completamente o núcleo e separa o material xenético celular do citoplasma circundante, servindo como barreira que evita que as macromoléculas difundan libremente entre o nucleoplasma e o citoplasma. A membrana nuclear externa é continua coa membrana do retículo endoplásmico rugoso (RER), e está igualmente inzada de ribosomas. O espazo entre as membranas coñécese como espazo perinuclear e é continuo coa luz do RER.

Os poros nucleares, que forman canais acuosos que atravesan a envoltura, están compostos por múltiples proteínas que colectivamente se coñecen como nucleoporinas. Os poros teñen un peso molecular de 125 millóns de daltons e compóñense de 50 (en lévedos) a 100 proteínas (en vertebrados) aproximadamente. Os poros teñen un diámetro total de 100 nm; non obstante, o oco polo que difunden libremente as moléculas é de 9 nm de largo debido á presenza de sistemas de regulación no centro do poro. Este tamaño permite o libre paso de pequenas moléculas hidrosolubles mentres que evita que moléculas de maior tamaño entren ou saian de maneira inadecuada, como ácidos nucleicos e proteínas grandes. Estas moléculas grandes deben ser transportadas ao núcleo de forma activa. O núcleo típico dunha célula de mamífero dispón de entre 3000 e 4000 poros ao longo da súa envoltura, cada un dos cales contén unha estrutura en anel con simetría octal na posición na que as membranas interna e externa se fusionan. Ancorada ao anel encóntrase a estrutura denominada cesta nuclear, que se estende cara ao nucleoplasma, e unha serie de extensións filamentosas que se proxectan no citoplasma. Ambas as estruturas median a unión a proteínas de transporte nucleares.

A maioría das proteínas, subunidades do ribosoma e algúns ARN transpórtanse a través dos complexos de poro nun proceso mediado por unha familia de factores de transporte coñecidos como carioferinas. Entre estas se encontran as importinas, que interveñen no transporte en dirección ao núcleo, e as que realizan o transporte en sentido contrario, que se coñecen como exportinas. A maioría das carioferinas interactúan directamente coa súa carga, aínda que algunhas utilizan proteínas adaptadoras. As hormonas esteroides como o cortisol e a aldosterona, xunto con outras moléculas pequenas hidrosolubles implicadas na sinalización celular poden difundir a través da membrana celular e no citoplasma, onde se unen a proteínas que actúan como receptores nucleares e son levadas ao núcleo. Serven como factores de transcrición cando se unen ao seu ligando. En ausencia de ligando moitos destes receptores funcionan como unha histona desacetilase que reprime a expresión xénica.

 Lámina nuclear 

Nas células animais existen dúas redes de filamentos intermedios que dan soporte mecánico ao núcleo: a lámina nuclear forma unha trama organizada na cara interna da envoltura, mentres que na cara externa este soporte está menos organizado. Ambas as redes de filamentos intermedios tamén serven de lugar de ancoraxe para os cromosomas e os poros nucleares.

A lámina nuclear está composta por proteínas que se denominan proteínas laminares ou laminas. Como todas as proteínas, estas son sintetizadas no citoplasma e máis tarde transpórtanse ao interior do núcleo, onde se ensamblan antes de incorporarse á rede preexistente. As proteínas laminas tamén se encontran no interior do nucleoplasma, onde forman outra estrutura regular coñecida como veo nucleoplásmico, que é visible usando microscopio de fluorescencia. A función do veo non se coñece, pero está excluído da zona do nucléolo e está presente na interfase. As estruturas de proteínas laminas que forman o veo únense á cromatina, e por medio da quebra da súa estrutura inhiben a transcrición de xenes que codifican proteínas.

Como acontece cos compoñentes doutros filamentos intermedios, os monómeros de proteínas laminas conteñen un dominio en hélice alfa utilizado por dous monómeros para enroscarse un co outro, formando un dímero cun motivo en hélice superenrolada. Dúas desas estruturas diméricas únense posteriormente lado con lado dispostas de xeito antiparalelo para formar un tetrámero denominado protofilamento. Oito deses protofilamentos dispóñense lateralmente para formar un filamento. Eses filamentos pódense ensamblar ou desensamblar de modo dinámico, o que significa que os cambios na lonxitude do filamento dependen do balance entre as taxas de adición e desensamblaxe.

As mutacións nos xenes das proteínas laminas orixinan defectos na ensamblaxe dos filamentos coñecidas como laminopatías. Destas, a máis destacable é a familia de enfermidades coñecidas como proxerias, que dan aos doentes a aparencia de teren un envellecemento prematuro. Descoñécese o mecanismo exacto polo que os cambios bioquímicos asociados dan lugar ao fenotipo avellentado.

 Cromosomas 

miniatura|Un núcleo celular de fibroblasto de rato no que o ADN está tinguido de azul. Os diferentes territorios do cromosoma 2 (vermello) e cromosoma 9 (verde) están tinguidos por hibridación fluorescente in situ.

O núcleo celular contén a maior parte do material xenético celular en forma de múltiples moléculas lineais de ADN coñecidas como cromatina, e durante a división celular esta aparece na forma ben definida que se coñece como cromosoma. Unha pequena fracción dos xenes sitúase noutros orgánulos, como as mitocondrias ou os cloroplastos das células vexetais.

Existen dous tipos de cromatina: a eucromatina é a forma de ADN menos compacta, e contén xenes que son expresados frecuentemente pola célula. O outro tipo, coñecido como heterocromatina, é a forma máis compacta, e contén ADN que se transcribe de forma infrecuente. Esta estrutura clasifícase á súa vez en heterocromatina facultativa, que consiste en xenes que están organizados como heterocromatina só en certos tipos celulares ou en certos estadios do desenvolvemento, e heterocromatina constitutiva, que consiste en compoñentes estruturais do cromosoma como os telómeros e os centrómeros. Durante a interfase a cromatina organízase en territorios individuais discretos, os territorios cromosómicos. Os xenes activos, que se encontran xeralmente na rexión eucromática do cromosoma, tenden a localizarse nas fronteiras dos territorios cromosómicos.

Determinados anticorpos para certos tipos de organización cromatínica, en particular os nucleosomas, foron asociados con varias enfermidades autoinmunes como o lupus eritematoso sistémico. Estes anticorpos son coñecidos como anticorpos antinucleares (ANA) e tamén se observaron en casos de esclerose múltiple no contexto dunha disfunción inmune xeneralizada. Como o caso antes mencionado da proxeria, o papel que desempeñan os anticorpos na indución dos síntomas da enfermidade autoinmune non foi aínda aclarado.

 Nucléolo 

miniatura|esquerda|200px||Micrografía electrónica dun núcleo celular, mostrando o seu nucléolo tinguido nun ton máis escuro (electrón-denso).

O nucléolo é unha estrutura discreta que se tingue densamente e se encontra no núcleo. Non está rodeado por unha membrana, polo que en ocasións se di que é un suborgánulo. Fórmase arredor de repeticións en tándem de ADNr, que é o ADN que codifica o ARN ribosómico (ARNr). Estas rexións chámanse organizadores nucleolares. O principal papel do nucléolo é sintetizar o ARNr e ensamblar os ribosomas. A cohesión estrutural do nucléolo depende da súa actividade, dado que a ensamblaxe ribosómica no nucléolo orixina unha asociación transitoria dos compoñentes nucleolares, facilitando a posterior ensamblaxe doutros ribosomas. Este modelo está apoiado pola observación de que a inactivación do ADNr dá como resultado a mestura das estruturas nucleolares.

O primeiro paso da ensamblaxe ribosómica é a transcrición do ADNr pola ARN polimerase I, formando un longo pre-ARNr precursor. Este é escindido nas subunidades de ARNr 5,8S, 18S, e 28S. A transcrición, procesamento postranscricional e ensamblaxe do ARNr ten lugar no nucléolo, axudado por moléculas de ARN nucleolar pequeno, algunhas das cales se derivan de intróns de ARN mensaxeiros que sufriron splicing (empalme) relacionados coa función ribosomal. Estas subunidades ribosómicas ensambladas son as estruturas máis grandes que pasan a través dos poros nucleares.

Cando se observa co microscopio electrónico, pode verse que o nucléolo se compón de tres rexións distinguibles: os centros fibrilares, rodeados polo compoñente fibrilar denso, que á súa vez está beireado polo compoñente granular. A transcrición do ADNr ten lugar tanto nos centros fibrilares coma na zona de transición entre os centros fibrilares e o compoñente fibrilar denso, e iso explica que cando a transcrición do ADNr aumenta, se observan máis centros fibrilares. A maior parte da escisión e modificación dos ARNr ten lugar no compoñente fibrilar denso, mentres que os últimos pasos que implican a ensamblaxe de proteínas nas subunidades ribosómicas teñen lugar no compoñente granular.

 Outros corpos subnucleares 
+ Tamaño da estrutura subnuclearNome da estruturaDiámetro da estruturaCorpos de Cajal  0,2–2,0 µm PIKA  5 µm Corpos PML 0,2–1,0 µm Paraspeckles 0,2–1,0 µmArcha Fox. Entrevistador: R. Sundby. Paraspeckle Size. E-mail Correspondence. 7 de marzo de 2007 Speckles  20–25 nm

Ademais do nucléolo, o núcleo contén unha certa cantidade de corpos non delimitados por membranas. Entre estes están os corpos de Cajal, os chamados Xémini dos corpos enrolados, a denominada Asociación Cariosómica Interfásica Polimórfica (PIKA), os Corpos da Leucemia Promielocítica (corpos PML), os "paraspeckles" e os "speckles de splicing". Aínda que se sabe pouco sobre o número destes dominios subnucleares, son significativos porque mostran que o nucleoplasma non é unha mestura uniforme, senón que máis ben contén subdominios funcionais organizados.

Outras estruturas subnucleares aparecen como parte de procesos patolóxicos. Por exemplo, viuse a presenza de pequenas formacións intranucleares con aspecto de bastón nalgúns casos de miopatía nemalínica. Esta doenza prodúcese tipicamente por mutacións no xene da actina, e os propios bastóns están constituídos pola actina producida a partir de tales xenes mutantes, xunto con outras proteínas do citoesqueleto.

 Corpos de Cajal e GEMs 
O núcleo típico posúe de 1 a 10 estruturas compactas denominadas corpos de Cajal ou corpos enrolados (CB, por Coiled Body en inglés), cuxo diámetro mide entre 0,2 µm e 2,0 µm dependendo do tipo celular e especie. Cando se ollan co microscopio electrónico, asemellan nobelos de fíos enguedellados, e son focos densos de distribución da proteína coilina. Os corpos de Cajal están implicados en varios tipos distintos de funcións relacionadas co procesamento do ARN, especificamente na maduración do ARN nucleolar pequeno (snoRNA) e o ARN nuclear pequeno (snRNA), e modificación do ARNm de histonas.

Semellantes aos corpos de Cajal son os Xémini de corpos enrolados ou GEMs (do inglés Gemini of Coiled Bodies), cuxo nome se deriva da constelación de Xémini pola súa relación case como de xemelgos cos corpos de Cajal. Os GEMs son similares en forma e tamaño a estes últimos, e de feito son virtualmente indistinguibles ao microscopio. A diferenza dos corpos de Cajal, non conteñen snRNP (ribonucleoproteínas pequenas nucleares dos espliceosomas), pero conteñen unha proteína que se denomina supervivencia de motoneurona (SMN, en inglés survival of motor neuron), cuxa función se relaciona coa bioxénese das snRNP. Crese que os GEMs axudan aos corpos de Cajal na bioxénese das snRNP, aínda que tamén se suxeriu a partir de evidencias de microscopía que os corpos de Cajal e os GEMs son diferentes manifestacións da mesma estrutura.

 Dominios PIKA e PTF 
Os dominios PIKA, ou Asociacións Cariosómicas de Interfase Polimórficas, foron descritos por primeira vez en estudos de microscopía en 1991. A súa función era e permanece pouco clara, aínda que non se pensa que estean asociados coa replicación activa de ADN, transcrición ou procesamento de ARN. PMID 1955462 Viuse que frecuentemente se asocian con dominios discretos definidos por localizacións densas do factor de transcrición PTF, que promove a transcrición do ARN nuclear pequeno.

 Corpos PML 
Os corpos PML ou da proteína da leucemia promielocítica (PML, polo inglés Promyelocytic leukaemia) son corpos esféricos que se atopan espallados polo nucleoplasma, e que miden arredor de 0,2–1,0 µm. Coñécense por outros nomes, como dominio «nuclear 10» (ND10), «corpos de Kremer» e «dominios oncoxénicos PML». A miúdo poden verse no núcleo asociados cos corpos de Cajal. Tense suxerido que desempeñan un papel na regulación da transcrición.

 Paraspeckles 

Descubertos en 2002, os paraspeckles son compartimentos de forma irregular do espazo intercromatínico do núcleo. Foron documentados por primeira vez en células HeLa (cancerosas), onde polo xeral se encontran de 10 a 30 por núcleo, e sábese que os paraspeckles tamén existen en todas as células primarias humanas, liñas de células transformadas e en seccións de tecidos. PMID 16148043 O seu nome deriva da súa distribución no núcleo e consta do prefixo para (paralelo) e de speckles, facendo referencia a que se encontran na proximidade dos splicing speckles ou "manchas de splicing".

Os paraspeckles son estruturas dinámicas que se alteran en resposta a cambios na actividade celular metabólica. Son dependentes da transcrición, e en ausencia de transcrición da ARN pol II, os paraspeckles desaparecen, e todas as proteínas asociadas que o compoñen (PSP1, p54nrb, PSP2, CFI(m)68 e PSF) forman un casquete perinucleolar en forma de cuarto crecente no nucléolo. Este fenómeno maniféstase durante o ciclo celular, no cal os paraspeckles están presentes en interfase e durante toda a mitose, agás en telofase. Durante a telofase, cando se forman os dous núcleos fillos, non hai transcrición por parte da ARN polimerase II, de modo que os compoñentes proteicos forman o mencionado casquete perinucleolar.

 Speckles de splicing 
Os speckles ('manchas') son estruturas subnucleares que están enriquecidas en factores para o splicing do pre-ARNm e están localizados nas rexións intercromatínicas do nucleoplasma de células de mamíferos. Con microscopio de fluorescencia aparecen como estruturas punteadas irregulares, que varían en forma e tamaño, e con microscopio electrónico vense como agrupacións de gránulos de intercromatina. Os speckles son estruturas dinámicas, e tanto as súas proteínas coma os seus compoñentes ARN-proteína poden circular continuamente entre os speckles e outras localizacións nucleares, incluíndo sitios activos de transcrición. Os estudos da composición, estrutura e comportamento dos speckles proporcionaron un modelo para comprender a compartimentalización funcional do núcleo e a organización da maquinaria de expresión xénica.

En ocasións denominados agrupacións de gránulos intercromatínicos ou compartimentos de factores de splicing, os speckles son ricos en snRNP (ribonucleoproteínas nucleares pequenas) do splicing e outras proteínas do splicing que se necesitan no procesamento do pre-ARNm. Debido aos requirimentos variables da célula, a composición e localización destes corpos cambia de acordo coa transcrición de ARNm e a regulación por fosforilación de proteínas específicas.

 Funcións 
A principal función do núcleo celular é controlar a expresión xenética e mediar na replicación do ADN durante o ciclo celular. O núcleo proporciona un lugar para a transcrición, permitindo niveis de regulación que non están dispoñibles en procariotas.

 Compartimentalización celular 
A envoltura nuclear permite ao núcleo controlar o seu contido e separalo do resto do citoplasma cando sexa necesario. Isto é importante para controlar procesos en calquera dos lados da membrana nuclear. Nalgúns casos, cando se precisa restrinxir un proceso citoplasmático, un participante chave retírase ao núcleo, onde interacciona con factores de transcrición para reprimir a produción de certos encimas da vía metabólica. Este mecanismo regulador ten lugar no caso da glicólise, unha ruta celular na que se utiliza a glicosa para producir enerxía. A hexoquinase é o encima responsable do primeiro paso da glicólise, producindo glicosa-6-fosfato a partir da glicosa. A altas concentracións de frutosa-6-fosfato, unha molécula que se forma posteriormente a partir da glicosa-6-fosfato, unha proteína reguladora retira a hexoquinase ao núcleo, onde forma un complexo con outras proteínas nucleares que reprime a transcrición dos xenes implicados na glicólise.

Para controlar que xenes se deben transcribir, a célula impide o acceso físico dalgúns factores de transcrición responsables de regular a expresión xénica ata que son activados por outras vías de sinalización. Isto impide que se dean mesmo pequenos niveis de expresión xénica desaxeitada. Por exemplo, no caso dos xenes controlados por NF-κB, que están implicados na maior parte das respostas inflamatorias, a transcrición indúcese en resposta a unha fervenza de sinalización celular como a que se inicia coa molécula sinalizadora TNF-α uníndose a un receptor da membrana celular, o que produce o recrutamento de proteínas sinalizadoras e finalmente a activación do factor de transcrición NF-κB. Un sinal de localización nuclear que posúe a proteína NF-κB permítelle ser transportada a través do poro nuclear ao núcleo, onde estimula a transcrición dos xenes diana.

A compartimentalización permite á célula impedir a tradución de ARNm inmaturo. O ARNm contén intróns que se deben retirar antes de ser traducidos para producir proteínas funcionais. A maduración (modificación dos extremos e splicing) do ARNm efectúase no interior do núcleo antes de que o ARNm poida acceder aos ribosomas para a súa tradución. Sen o núcleo, os ribosomas traducirían ARNm ao ser transcrito sen procesar, o que produciría proteínas cun pregamento incorrecto e deformadas.

 Expresión xénica 
miniatura|esquerda|Micrografía dunha transcrición xenética en curso de ARNr que ilustra o crecemento dos transcritos primarios. "Beginn" indica o extremo 3' do ADN, onde comeza a síntesis de novo ARN. "Ende" indica o extremo 5', onde os transcritos primarios están practicamente completos.

A expresión xénica implica en primeiro lugar a transcrición, na que o ADN se utiliza como molde para producir ARN. No caso dos xenes que codifican proteínas, o ARN xerado por este proceso é ARN mensaxeiro (ARNm), que posteriormente precisa ser traducido polos ribosomas para formar unha proteína. Posto que os ribosomas se localizan fóra do núcleo, o ARNm sintetizado debe ser exportado.

Dado que o núcleo é o lugar onde se produce a transcrición, está dotado dun conxunto de proteínas que, ou ben están implicadas directamente neste proceso, ou na súa regulación. Entre estas encontramos as helicases, que desenrolan a molécula de ADN de dobre cadea para facilitar o acceso da maquinaria de síntese, a ARN polimerase, que sintetiza o ARN a partir do molde de ADN, a topoisomerase, que varía o grao de superenrolamento do ADN, así como unha ampla variedade de factores de transcrición que regulan a expresión xénica.

 Procesamento do pre-ARNm 
As moléculas de ARNm recentemente sintetizadas coñécense como transcritos primarios ou pre-ARNm. Posteriormente débense someter a modificación postranscricional no núcleo antes de ser exportados ao citoplasma. O ARNm que aparece no núcleo sen estas modificacións acaba degradado en vez de utilizarse para a tradución nos ribosomas. As tres modificacións principais son: A do extremo 5' (ou 5' caping), a poliadenilación do extremo 3' e o empalme (splicing) do ARN. Mentres permanece no núcleo, o pre-ARNm asóciase con varias proteínas en complexos coñecidos como ribonucleoproteínas heteroxéneas nucleares ou hnRNPs. A adición das modificacións do extremo 5' ten lugar no momento da transcrición e é o primeiro paso nas modificacións postranscricionais. A cola de poliadenina 3' só se engade unha vez que a transcrición está completa.

O procesamento por corte e empalme (splicing) do ARN, levado a cabo por un complexo denominado espliceosoma é o proceso polo que os intróns son eliminados do pre-ARNm, permanecendo unicamente os exóns conectados entre si para formar unha soa molécula continua. Este proceso normalmente finaliza tras os dous anteriores, mais pode comezar antes de que a síntese estea completa en transcritos con moitos exóns. Moitos pre-ARNm, incluíndo os que codifican anticorpos, pódense cortar e empalmar de múltiples formas para producir diferentes ARNm maduros, que codifican diferentes secuencias de proteínas. Este proceso coñécese como splicing alternativo, e permite a produción dunha gran variedade de proteínas a partir dunha cantidade limitada de ADN.

 Dinámica e regulación 
 Transporte nuclear 


A entrada e saída de grandes moléculas do núcleo está estritamente controlada polos complexos de poros nucleares. Aínda que as pequenas moléculas poden entrar no núcleo sen regulación, as macromoléculas como o ARN e as proteínas requiren asociarse a carioferinas chamadas importinas para entraren no núcleo, e a exportinas para saíren. As proteínas cargadas que deben ser translocadas desde o citoplasma ao núcleo conteñen curtas secuencias de aminoácidos coñecidas como sinais de localización nuclear que están unidas ás importinas, mentres que as transportadas desde o núcleo ao citoplasma posúen sinais de exportación nuclear unidas ás exportinas. A capacidade das importinas e as exportinas para transportar a súa carga está regulada por GTPases, encimas que hidrolizan GTP liberando enerxía. A GTPase chave no transporte nuclear é a proteína Ran, que pode unir ou ben GTP ou ben GDP (guanosín difosfato), dependendo de se está localizada no núcleo ou no citoplasma. Mientres que as importinas dependen de Ran-GTP para disociarse da súa carga, as exportinas necesitan Ran-GTP para unirse á súa carga.

A importación nuclear depende de que a importina se una á súa carga no citoplasma e a trasporte a través do poro nuclear ao núcleo. Dentro do núcleo, a Ran-GTP actúa separando a carga da importina, permitindo a esta saír do núcleo e ser empregada de novo. A exportación nuclear é similar, xa que a exportina se une á carga dentro do núcleo nun proceso facilitado por RanGTP, e sae a través do poro nuclear, separándose da súa carga no citoplasma.

As proteínas especializadas de exportación serven para a translocación de ARNm maduro e ARNt ao citoplasma despois de que a modificación postranscripcional se completa. Este mecanismo de control de calidade é importante debido ao papel central desas moléculas na tradución de proteínas. A expresión inadecuada dunha proteína debido a unha escisión de exóns incompleta ou á incorporación impropia de aminoácidos podería ter consecuencias negativas para a célula. Por iso, o ARN non modificado por completo que acada o citoplasma é degradado en vez de ser utilizado na tradución.

 Ensamblaxe e desensamblaxe 
miniatura|esquerda|Imaxe dun pneumocito de urodelo tinguido con colorantes fluorescentes durante a metafase. O fuso mitótico pode verse tinguido de azul clara. Todos os cromosomas agás un se encontran na placa metafásica.

Durante o seu período de vida un núcleo pode desensamblarse, o que se pode producir no decurso da división celular, ou ben como consecuencia da apoptose, unha forma regulada de morte celular. Durante estes acontecementos, os compoñentes estruturais do núcleo (a envoltura e a lámina) son sistematicamente degradados.

Durante o ciclo celular a célula divídese para formar dúas células. Para que este proceso sexa posible, cada unha das novas células fillas debe adquirir un xogo completo de xenes, un proceso que require a replicación dos cromosomas, e a súa segregación en xogos separados. Isto prodúcese cando os cromosomas xa replicados, as cromátides fillas, se unen aos microtúbulos, os cales á súa vez se unen a diferentes centrosomas. As cromátides fillas poden ser fraccionadas cara a localizacións separadas na célula. Non obstante, en moitas células o centrosoma localízase no citoplasma, fóra do núcleo, polo que os microtúbulos non poderían unirse ás cromátides en presenza da envoltura nuclear. Polo tanto, nos estadios iniciais do ciclo celular, comezando na profase e ata case a prometafase, desmantélase a membrana nuclear. De forma semellante, durante o mesmo período desensámblase a lámina nuclear, un proceso que está regulado pola fosforilación das proteínas laminas. Cara ao final do ciclo celular refórmase a membrana nuclear, e aproximadamente ao mesmo tempo, a lámina nuclear reensámblase desfosforilando as proteínas laminares.

A apoptose é un proceso controlado no que os compoñentes estruturais da célula son destruídos, o que produce a morte da célula. Os cambios asociados coa apoptose afectan directamente ao núcleo e aos seus contidos, por exemplo na condensación da cromatina e a desintegración da envoltura nuclear e a lámina nuclear. A destrución das redes da lámina nuclear está controlada por proteases apoptóticas especializadas denominadas caspases, que desintegran a lámina nuclear e dese modo degradan a integridade estrutural do núcleo. A desintegración da lámina nuclear utilízase en ocasións nos laboratorios como indicador da actividade da caspase en ensaios de actividade apoptótica temperá. As células que expresan láminas resistentes ás caspases son deficientes nos cambios nucleares relacionados coa apoptose, o que suxire que as láminas desempeñan un papel importante no inicio dos eventos que levan á degradación apoptótica do núcleo. A inhibición da propia ensamblaxe da lámina nuclear é de seu un indutor da apoptose.

A envoltura nuclear actúa como unha barreira que evita que virus de ADN ou ARN penetren no núcleo. Algúns virus precisan acceder a proteínas dentro do núcleo para se replicar ou ensamblar. Os virus de ADN, como os herpesvirus replícanse e ensámblanse no núcleo celular, e saen a través da membrana nuclear interna. Este proceso vai acompañado da desensamblaxe da lámina nuclear na cara nuclear da membrana interna.

 Células anucleadas e polinucleadas 
miniatura|dereita|Os eritrocitos humanos e doutros mamíferos carecen de núcleo, xa que o perden durante o desenvolvemento normal deste tipo de célula.

Aínda que a maior parte das células teñen un único núcleo, algúns tipos celulares carecen del, mentres que outros posúen múltiples núcleos. Isto pode ser un proceso normal, como é no caso da maduración dos eritrocitos, ou ben o resultado dunha división celular defectuosa.

As células anucleadas carecen de núcleo, e polo mesmo son incapaces de dividirse para producir células fillas. O caso mellor coñecido de célula anucleada é o eritrocito de mamífero, que tamén carece doutros orgánulos como mitocondrias, e serven en principio como vehículos de transporte de osíxeno desde os pulmóns aos tecidos. Os eritrocitos maduran grazas á eritropoese na medula ósea, onde perden o seu núcleo, orgánulos e ribosomas. O núcleo é expulsado durante o proceso de diferenciación de eritroblasto a reticulocito, o cal é o precursor inmediato do eritrocito maduro. Os axentes mutáxenos poden inducir a liberación dalgúns eritrocitos inmaturos "micronucleados" á circulación sanguínea. Tamén poden aparecer células anucleadas a partir dunha división celular defectuosa na que unha célula filla carece de núcleo, mentres que a outra posúe dous.

As células polinucleadas conteñen múltiples núcleos. A maior parte dos protozoos da clase Acantharea, e algúns fungos que forman micorrizas, teñen células polinucleadas de forma natural. Outros exemplos serían os parasitos intestinais do xénero Giardia, que posúen dous núcleos en cada célula. Nos seres humanos, o músculo esquelético posúe células, chamadas miocitos, que se converten en polinucleadas durante o seu desenvolvemento. A disposición resultante dos núcleos na rexión periférica da célula permite un espazo intracelular máximo para as miofibrilas . As células multinucleadas tamén poden ser anormais en humanos. Por exemplo, as que xorden da fusión de monocitos e macrófagos, coñecidas como células multinucleadas xigantes, poden ser observadas en ocasións acompañando á inflamación, e tamén están implicadas na formación de tumores.

 Evolución 

Ao ser a mellor característica que define a célula eucariota, a orixe evolutiva do núcleo foi obxecto de moita especulación. Entre as teorías propostas, pódense considerar catro como as principais, aínda que ningunha delas encontrou un amplo apoio.

A teoría coñecida como "modelo sintrófico" propón que unha relación simbiótica entre arqueas e bacterias creou a primeira célula eucariota nucleada (ver eucarioxénese). Suponse que a simbiose tivo lugar cando unha arquea antiga similar aos actuais metanóxenos foi invadida e parasitada por bacterias similares ás actuais mixobacterias, formando finalmente o núcleo primitivo. Esta teoría é análoga á teoría aceptada da orixe das mitocondrias e cloroplastos eucariotas, dos que se pensa que se orixinaron por unha relación endosimbionte similar entre protoeucariotas e bacterias aerobias. A orixe arqueana do núcleo está apoiada pola circunstancia de que tanto arqueas coma eucariotas teñen xenes similares en certas proteínas, incluíndo as histonas. Ao observarmos que as mixobacterias son móbiles, poden formar complexos multicelulares e posúen proteínas G similares ás de eucariotas, tamén podemos aceptar unha orixe bacteriana da célula eucariota.

Un segundo modelo propón que as células protoeucariotas evolucionaron a partir de bacterias sen que se dera un estadio simbionte. Este modelo baséase na existencia dunha bacteria moderna pertencente ao filo Planctomycetes que posúen unha estrutura nuclear con poros primitivos e outras estruturas compartimentalizadas por membrana. Unha proposta similar establece que unha célula similar á eucariota, o cronocito, apareceu en primeiro lugar, e posteriormente fagocitou arqueas e bacterias para dar lugar ao núcleo e á célula eucariota.

O modelo máis controvertido, coñecido como eucarioxénese viral afirma que moitas características da célula eucariota, como a presenza dun núcleo que se continúa coa membrana, xurdiron pola infección dun devanceiro procariota por un virus. Isto está suxerido baseándose en similitudes entre eucariotas e virus como as cadeas lineais de ADN, o procesamento "caping" do extremo 5' do ARNm e a forte unión a proteínas do ADN (facendo ás histonas análogas da envoltura vírica). Unha versión desta proposta suxire que o núcleo evolucionou concertadamente coa fagocitose para dar lugar a un depredador celular primitivo.Bell PJ. (2001). "Viral eukaryogenesis: was the ancestor of the nucleus a complex DNA virus?" J Mol Biol Sep;53(3):251–256. PMID 11523012 Outra variante propón que os eucariotas se orixinaron de arqueas primitivas infectadas por poxvirus, baseándose na semellanza das modernas ADN polimerases entre estes e os eucariotas.Takemura M. (2001). Poxviruses and the origin of the eukaryotic nucleus. J Mol Evol 52(5):419–425. PMID 11443345 Tense suxerido tamén que a cuestión non resolta da evolución da sexualidade puido estar relacionada coa hipótese da eucarioxénese viral.

Finalmente, unha proposta moi recente suxire que as variantes tradicionais da teoría endosimbionte son insuficientes para explicar a orixe do núcleo eucariota. Este modelo, denominado a hipótese da exomembrana, propón que o núcleo se orixinou en vez de por endosimbiose a partir dunha célula primitiva orixinal que desenvolveu unha segunda membrana celular exterior. A membrana interior que encerraba a célula orixinal converteuse entón na membrana nuclear evolucionando para desenvolver estruturas de poro cada vez máis elaboradas para o paso de compoñentes celulares sintetizados internamente, como as subunidades ribosómicas.

 Notas 

 Véxase tamén 

125px|dereita
 Bibliografía 






 Outros artigos 
 Envoltura nuclear
 Poro nuclear
 Lámina nuclear
 Nucleoplasma

 Ligazóns externas 



Categoría:Orgánulos
Categoría:Artigos destacados