7 El núcleo celular – “centro de comando” de las células · 134 7 El núcleo celular –“centro de comando” de las células 7 Membrana nuclear Organizador nucleolar Nucléolo

7 El núcleo celular – “centro de comando” de las células

El núcleo está formado por distintas estructuras (Figs. 7.11, 7.22 y 7.33). Sus compo-nentes son:

• la membrana nuclear• la lámina nuclear• la sustancia fundamental (nucleoplasma)• la matriz nuclear • los cromosomas, de cromatina• el nucléolo

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7

Mientras que en las células bacterianas el material genético se halla en forma deDNA libre sin una membrana que lo cubra, la célula eucariota tiene un núcleo celu-lar envuelto por una membrana doble. En el núcleo, el DNA está unido a proteínas(histonas) y dividido en distintos grupos (cromosomas). Estas tres innovacionesevolutivas hicieron posible que las células guarden un genoma esencialmentemayor en cada célula y repartirlo por partes iguales a las células hijas durante ladivisión celular. Para eso, el DNA es replicado de manera semiconservadora. Elcomplejo de DNA más histonas forma la cromatina, que representa la sustanciade la cual están hechos los cromosomas. La cromatina se agrupa en forma decollar de perlas y configura los nucleosomas, que a su vez se enrollan en cadenasmás gruesas (filamentos de 30 nm y supertwist), lo cual asegura una capacidad dealmacenamiento muy alta. Como un nucleosoma contiene sólo 180 pares debases, un gen pequeño consiste en muchos nucleosomas. En un corte delgado, sepresentan regiones de transcripción activas como empaquetamientos laxos deeucromatina y regiones con empaquetamiento denso de heterocromatina. Pormedio de las regiones de heterocromatina, los cromosomas se unen a la láminanuclear. La transcripción del DNA a RNA mensajero (RNAm) garantiza la traduc-ción a proteínas como productos génicos que, en definitiva, han de desarrollaruna amplia variedad de funciones celulares. La traducción del RNAm a proteínasocurre en el citoplasma, en los ribosomas, que a su vez son formados en el nu-cléolo del núcleo celular. La membrana doble del núcleo es atravesada pormuchos poros nucleares, que aseguran el transporte de sustancias entre el núcleoy el citoplasma, en ambas direcciones.

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Biología Celular. Plattner. ©2014. Editorial Médica Panamericana.

http://www.medicapanamericana.com/Libros/Libro/4988/Biologia-Celular.html

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7

Membrana nuclear

Organizador nucleolar Nucléolo

Poros nucleares

interna externa

Ribosoma

Heterocro-matina

Lámina nuclear

Cisterna perinuclear

nu

hcch

ncnc

ncnc

ch

chch

chch

nu

hc

Fig. 7.1 Imagen de microscopia óptica denúcleos celulares en un corte delgado detejido vegetal (raicillas de cebolla). En algu-nos núcleos (nc), puede verse el nucléolo (nu)

y regiones de heterocromatina (hc) o cromo-somas (cr) en diferente grado de condensa-ción en otros núcleos. Aumento: 580× (foto-grafía: C. Braun, J. Hentschel).

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7 El núcleo celular – “centro de comando” de las células 135

7

Fig. 7.2 Estructura del núcleo. Está rodeadopor una membrana nuclear doble que loencierra, aunque presenta múltiples poros. Enla membrana nuclear externa se hallan ribo-somas, mientras que en la interna se halla la

lámina nuclear. Las regiones con heterocro-matina se identifican como grumos. En unaregión heterocromática, el organizador nucleolar, se encuentra el nucléolo.

�

mnmn

unun

nuonuo

hchc

Fig. 7.3 Ultraestructura del núcleo. Conmicroscopia electrónica y baja magnificación,la membrana nuclear doble (mn) se reconocesólo en algunos sitios; en cambio, puedenverse con claridad las regiones oscuras conheterocromatina (hc), principalmente en la

periferia del núcleo. La heterocromatina queestá adosada al nucléolo (nu, bastante másclaro) representa el organizador nucleolar(onu). Aumento 10.500× (fotografía: H.Plattner).

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7.1 Aspectos funcionales

El núcleo es la central de comando o el centro logístico de cada célula eucariota.En él se encuentra almacenada la información que permite que se formen todaslas moléculas componentes de la célula. El ácido desoxirribonucleico (DDNNAA) cum-ple la función de portador de la información (de los datos); se trata de una cade-na molecular filiforme, no ramificada, de sólo 2 nm de espesor pero muy larga(véase Fig. 5.1122, p. 92). Dicho más exactamente, trátase de dos moléculas com-plementarias vinculadas entre sí (estructura del DNA en “doble hélice”). La infor-mación almacenada en el DNA debe ser convertida finalmente en proteínas espe-cíficas, como unidades estructurales y funcionales específicas (enzimas), perotambién en distintos tipos de RNA (véase más adelante).

Como las proteínas están formadas como máximo por 20 tipos de aminoáci-dos (véase Cap. 5.3, p. 77), la pregunta acerca de cómo está acumula la informa-ción en el DNA se reduce a: ¿cómo pueden ser codificados los 20 aminoácidos?Los análisis químicos han develado la presencia en el DNA de dos bases de puri-na (bases púricas: aaddeenniinnaa = A, gguuaanniinnaa = G) y de dos bases de pirimidina (basespirimidínicas: cciittoossiinnaa = C, ttiimmiinnaa = T).

El código genético

En la década de 1950, fue develado el secreto de la codificación de la informacióngenética:• Sólo una hebra de la doble hélice del DNA es la que codifica (ccaaddeennaa ccoonn sseennttiiddoo).• En esta hebra del DNA, un grupo de tres bases (un triplete) significa un amino-

ácido.• El código genético es universal, es decir, es válido para todas las células (tam-

bién para las bacterias).• Al hecho de que el flujo de información marche siempre en el sentido DDNNAA →

pprrootteeíínnaa y no al revés, se le da el nombre de dogma central de la genética mole-cular.

Desde el punto de vista teórico, un código de tripletes que utiliza 4 componentesbásicos permite la cantidad de combinaciones, específicamente 43 = 64, que serí-an necesarios para formar los 20 aminoácidos. En rigor de verdad, hay más de 20tripletes, es decir, más de un triplete por aminoácido, de modo que varios tiposde tripletes pueden codificar un mismo aminoácido (Cuadro 7.11). En el lenguajede la técnica informática, se dice que por esta razón el código genético está“degenerado”. Pero esto vale sólo en términos de la transmisión de datos, ya quecomo hecho biológico presenta algunas ventajas (véanse textos de genética).

En la célula, el DNA sirve como almacén de información. Una secuencia deter-minada de tripletes es así el equivalente de una secuencia de aminoácidos en unaproteína con estructura y función específicas. Dicho de otro modo: un gen es unasecuencia de tripletes que codifica una cadena proteica singular. Más adelante


7

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analizaremos con más detalle el significado del término gen. El conjunto degenes es el ggeennoommaa de una célula. Cada célula de nuestro cuerpo contiene unjuego completo e idéntico del genoma. Según los datos más recientes, hay sólo22.500 genes (codificadores de proteínas). En total, nuestro genoma está com-puesto por aproximadamente 3 × 109 ppaarreess ddee bbaasseess (haploide, véase más ade-lante) o 109 tripletes, pero de todos modos sólo se conoce un pequeño porcenta-je de los productos génicos. Asimismo, no todos los genes están siempre activos.Tampoco lo están siempre en las células procariotas, en las cuales se pudo obser-var por primera vez la aaccttiivvaacciióónn ggéénniiccaa e iinndduucccciióónn eennzziimmááttiiccaa. Durante el desa-rrollo de un organismo multicelular, los genes son activados según un “pprrooggrraammaaggeennééttiiccoo” en una secuencia característica, es decir que su información es reque-rida y transformada por medio de proteínas en estructuras y funciones.

7.1 Aspectos funcionales 137

7

Cuadro 7.1 Código genético. Aquí se ha incluido la codificación de aminoácidos porlos nucleótidos de adenina (A), citosina (C), guanina (G) y uracilo (U) en el RNAm

Aminoácido

Alanina

Cisteína

Ácido asparagínico

Ácido glutámico

Fenilalanina

Glicina

Histidina

Isoleucina

Lisina

Leucina

Metionina

Asparagina

Prolina

Glutamina

Arginina

Serina

Treonina

Valina

Triptófano

Tirosina

Código de triplete (codón)

GCA GCC GCG GCU

UGC UGU

GAC GAU

GAA GAG

UUC UUU

GGA GGC GGG GGU

CAC CAU

AUA AUC AUU

AAA AAG

UUA UUG CUA CUC CUG CUU

AUG (codón

de iniciación)

AAC AAU

CCA CCC CCG CCU

CAA CAG

AGA AGG CGA CGC CGG CGU

AGC AGU UCA UCC UCG UCU

ACA ACC ACG ACU

GUA GUC GUG GUU

UGG

UAC UAU

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La gran cantidad de DNA de las células eucariotas hizo necesaria la “invención” del núcleo celular

Sostenemos otra vez que sólo la célula eucariota contiene un núcleo delimitadomorfológicamente por membrana, mientras que en las células procariotas el DNAse encuentra libre en el citoplasma (véase Cap. 42, “Las dos categorías de célu-las”, p. 49). El aumento en más de cien veces de la cantidad de DNA en cada célu-la en la transición de procariota a eucariota en el curso de la evolución fue unacondición para instaurar una ccaappaacciiddaadd ddee ddiiffeerreenncciiaacciióónn mucho mayor (véaseCap. 26, “Evolución de las células”, p. 480). Todo apunta a que la “invención” delnúcleo celular fue sencillamente una necesidad técnica para acomodar la enor-me cantidad de DNA filiforme. Cada una de las células de nuestro cuerpo tiene2,3 m de DNA y éste debe caber en un núcleo de aprox. 5 μm, millones de vecesmenor que esa longitud. La célula eucariota desarrolló además muchos orgánu-los en su citoplasma. En la evolución, se hizo necesario evitar una distribuciónerrónea de todos estos componentes durante la división celular para las célulashijas. Esto hubiese sido imposible sin la existencia de un compartimento propiopara el núcleo celular. La doble membrana debía también estar dotada de porospara posibilitar el intercambio de sustancias y de información con el citoplasma(véase Poros nucleares, más adelante).

Fraccionamiento del DNA en cromosomas y compactación del DNA

Es evidente que la sola separación (compartimentación) de la enorme cantidadde DNA en el núcleo no fue suficiente para el cumplimiento de todas las funcio-nes mencionadas. Por eso es que se produjeron otras dos modificaciones en latransición de procariotas a eucariotas:1. El DNA fue fragmentado en varios ccrroommoossoommaass.2. El DNA fue compactado por medio de enlaces con proteínas básicas (hhiissttoonnaass).

El complejo de DNA (sin importar de cuál gen se trate) más histonas se deno-mina ccrroommaattiinnaa.

La cromatina se encuentra tan comprimida en el cromosoma que puede serobservada claramente con microscopia óptica, al menos en determinadas condi-ciones (véase más adelante). Los cromosomas muestran en toda su extensiónvariaciones de densidad, las bandas o ccrroommóómmeerrooss (véase más adelante), a lascuales se intentó asignarles determinados genes desde la década de 1920. Así fuecomo los cromosomas fueron reconocidos como grupos donde están acopladoslos genes y éstos fueron mapeados (cartografía genética).


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7.1.1 Transcripción de genes activos y ulterior traducción del transcripto a proteínas

El DNA debe ser duplicado (rreepplliiccaacciióónn) en una división celular normal (mmiittoo--ssiiss). La transmisión de la información del DNA y su conversión en productosgénicos ocurre por medio de la ttrraannssccrriippcciióónn de la información por parte demensajeros formados entretanto. Así es el escenario global con que nos encon-tramos (Fig. 7.44): • El almacenamiento de la información latente se halla en el DNA. Los genes pue-

den ser activados de forma permanente o temporal.• En los genes activos, la transcripción de la información se produce cuando a

partir de la ccaaddeennaa aannttiisseennttiiddoo ddee DDNNAA (o cadena no codificadora) que sirvecomo matriz y, por apareamiento complementario de bases, es sintetizado unRNAm sentido, que contiene una secuencia equivalente de la cadena sentidodel DNA (portadora de la información genética).


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RNAm maduro

Ribosoma

Proteína (producto génico)

Núcleo celular Citosol

DNA (gen)

Replicación

Transcripción

Precursor del RNAm

RNAm

Poro nuclear

Membrana nuclear doble

Traducción

3'

3'5'

5'

RNA polimerasa

DNA polimerasa

Empalme

Intrones

Fig. 7.4 Información genética en el núcleocelular y su transformación en el citosol.Antes de cada división celular, el DNA es repli-cado de forma semiconservadora por la DNApolimerasa (véase Fig. 7.5); esto significa quela hebra singular es duplicada (replicada) deforma complementaria. En distintos momen-tos, son activados ciertos genes siguiendo unprograma genético. En la hebra de DNA acti-va, es leído (transcripción) en primer término

por la RNA polimerasa, un precursor del RNAmensajero (pre-RNAm). Recién después queéste es fraccionado como RNAm definitivo(empalme de los intrones, ilustrados en ama-rillo), el RNA definitivo pasa a través de losporos nucleares en dirección al citosol. En elcitosol, el RNAm es traducido a proteína enlos ribosomas. La proteína es un productogénico acabado.

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• El RNAm es formado primero como forma precursora (pprreeRRNNAAmm) y debe sereemmppaallmmaaddoo estando todavía dentro del núcleo (es decir, las porciones que nocontienen información, los intrones, son recortadas y extraídas, en contraposi-ción con lo que ocurre con los eexxoonneess, que serán expresados). Como un gencontiene en la mayoría de los casos varios intrones que son recortados, segúnel gen y el tipo de tejido, mientras que otros intrones pueden permanecer enel RNAm terminado, a partir de un preRNAm pueden formarse varios RNAmdiferentes (eemmppaallmmee aalltteerrnnaattiivvoo). Según diversas estimaciones, de este modopueden ser formadas en promedio 3 a 8 iissooffoorrmmaass de una proteína,

• El RRNNAAmm maduro abandona el núcleo celular a través de los poros nucleares eingresa en el citoplasma.

• En el citoplasma se agrega a macromoléculas (rriibboossoommaass) encargadas de tra-ducir la información y producir proteínas (ttrraadduucccciióónn). Este proceso requiereun RNA de transferencia (RRNNAAtt) para el transporte de los respectivos aminoá-cidos (véase Cap. 9, p. 194).

Replicación semiconservadora del DNA

En el núcleo se encuentran sustancias y enzimas necesarias para la duplicación delDNA (rreepplliiccaacciióónn), las DDNNAA ppoolliimmeerraassaass y también RRNNAA ppoolliimmeerraassaass. La duplica-ción de la doble hélice del DNA ocurre antes de cada división celular en formasseemmiiccoonnsseerrvvaaddoorraa, es decir, la nueva cadena se forma complementariamente conla misma secuencia de nucleótidos que se hallaba en cada cadena del DNA origi-nal. Como ambas cadenas de DNA muestran un apareamiento de bases comple-mentario, durante la separación la respectiva cadena debe ser reconstruida exac-tamente mediante DNA polimerasas (Fig. 7.55). La replicación semiconservadoraasegura la propagación exacta de la información genética en las dos células hijas.En el proceso pueden ocurrir errores de lectura que en la célula no sólo pueden serreconocidos, sino también corregidos por medio de pprrootteeíínnaass ccoorrrreeccttoorraass, de modosimilar a lo que se realiza en las pruebas de impresión de la industria gráfica.

La transcripción empieza siempre en un punto de partida definido

Sería verdaderamente fatal que las RNA polimerasas, que son las que ejecutan latranscripción a RNAm, comiencen con el marco de lectura equivocado. Por eso, elcomienzo de la lectura en el DNA antisentido está marcado por una rreeggiióónn pprroo--mmoottoorraa, que es reconocida por la DNA polimerasa y que genera en cada RNAm uncodón de iniciación que es siempre igual: “AAUUGG”. Los codones (tripletes básicos)son representados siempre tal como aparecen en el RNAm, en el cual se utilizauracilo en lugar de timina (véase p. 89). Como el ccooddóónn ddee iinniicciiaacciióónn vale para elaminoácido metionina (en las bacterias, para N-formil-metionina), este aminoá-cido se encuentra siempre en el comienzo de una proteína. Más adelante estopuede ser modificado, cuando un producto de traducción es seccionado despuésde la traducción (proteólisis parcial, mmooddiiffiiccaacciióónn ppoossttrraassllaacciioonnaall; véase p. 198).


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Por esta razón es que las DNA polimerasas y RNA polimerasas pueden serdesignadas como enzimas directrices del núcleo y el DNA, como sustancia cen-tral. De todas maneras, también hay un DNA extracelular en muy pequeña canti-dad, en mitocondrias y cloroplastos.

Determinación del contenido de DNA en el núcleo celular

El contenido de DNA del núcleo puede ser determinado sencillamente mediantefotometría de absorción UV. Esto es posible en un microscopio adecuado. Aúnmás impresionante es la visualización en colores, antes con la llamada “colora-ción de Feulgen” y hoy, con otros colorantes fáciles de obtener (véase Fig. 7.1111, p. 151; Fig. 11.1177, p. 233; y Fig. 22.44, p. 409). Para teñir el DNA, a menudo se usaDDAAPPII, un colorante sintético (véase Fig. 7.1111). Con estos métodos, se vio que todaslas células del cuerpo (células somáticas) contienen la misma cantidad de DNA,y que recién un poco antes de entrar en la división celular, en la fase S del ciclo


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A

T

A

C

G

C

T

A TT

G

AA T

..

.

C

C

C

C

CC

C

CC

C

CC

C

...

...

.. ........

........

.......

.........

...

... ......

.. ..

....

.....

.......

.......

...

...T

T

TT

T

T

T

T

T

T

T

TA

A

A

A A

A

A

A

A

A

A

A

A

GG

G

G G

GG

GG

GG

G

G

5'

5' 5'

5'

3'

3'3'

3'neu

Fig. 7.5 Estructura en doble hélice del DNA. Elordenamiento contrapuesto de los extremos 3´y 5´permite reconocer el ordenamiento de esta moléculaen sentido diametralmente opuesto. En la moléculasiempre se hallan apareados mediante puentes dehidrógeno (puntos) la timina (T) con la adenina (A) yla guanina (G) con la citosina (C). Los enlaces conpuentes de hidrógeno se pierden durante la replica-ción y se forman las cadenas complementarias (enrojo) respectivas. Este proceso se denomina replica-ción semiconservadora del DNA. La Figura 5.11(p. 91) mostró la estructura química exacta del segmento recuadrado.

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vital de la célula (S = síntesis), esta cantidad se duplica por la síntesis de DNA.Sólo las células germinales contienen la mitad del DNA. El estudio microscópicomostró que las células somáticas poseen un doble juego de cromosomas (ddiippllooii--ddiiaa), mientras que las células germinales tienen sólo un juego (hhaappllooiiddiiaa).Cuando durante la fertilización, una célula germinal masculina (gameto masculi-no = espermatozoide) se fusiona con el ovocito femenino (gameto femenino), seforma un cciiggoottoo que, de nuevo, contiene un doble juego de cromosomas, es decirque tiene dotación diploide de cromosomas. Del cigoto derivan todas las célulasdel cuerpo (células somáticas).

7.2 Estructura del núcleo celular

El núcleo está recubierto por un membrana doble (mmeemmbbrraannaa nnuucclleeaarr) (Fig. 7.6).Ésta contiene ribosomas en su cara citoplasmática y, en muy contados casos,puede verse que experimenta una transición directa a retículo endoplasmáticorugoso (RER). El lumen de la doble membrana, la “cisterna perinuclear”, puedeestar en conexión directa con las cisternas del RER. Por esta razón, se considera ala membrana nuclear como derivada del RER, o viceversa. Este tema será analiza-do de nuevo en el Capítulo 26. La membrana nuclear envuelve al nnuucclleeooppllaassmmaa.En la cara interna está unida estrechamente la lláámmiinnaa nnuucclleeaarr. Esta lámina estáformada por un red de proteínas fibrilares (lámina) que pertenecen al tipo de losfilamentos intermedios (véase p. 319). Los cromosomas están fijados a la láminanuclear. Esta estructura también recibe el nombre de “lámina densa” por su apa-rente densidad electrónica en ME de transmisión, tras la impregnación de cortesultradelgados con un metal pesado. En los poros nucleares esta lámina está inte-rrumpida.

Durante la división celular, la lámina nuclear se disuelve

La membrana nuclear y la lámina nuclear son desintegradas durante la ddiivviissiióónnnnuucclleeaarr (cariocinesis) al entrar la célula en la pprrooffaassee y quedan reducidas a vesí-culas o fragmentos (véase p. 412). Recién entonces los cromosomas consiguen elespacio que necesitan para moverse. La desintegración de la lámina es inducidapor su fosforilación. Al final de la división nuclear, estos procesos son revertidosy las células hijas arman de nuevo núcleos intactos. Nos pareció razonable que laestructura y la función de la membrana nuclear con sus poros sea analizada enúltimo término, una vez definido cuáles moléculas deben entrar en el núcleo osalir de él (ttrraannssppoorrttee nnúúcclleeoo--cciittooppllaassmmááttiiccoo).

En el núcleo en reposo se producen la síntesis y la transcripción del DNA

Suele decirse que un núcleo celular que no se encuentra en proceso de divisiónes un nnúúcclleeoo eenn rreeppoossoo (núcleo en interfase), aunque esto puede conducir a erro-res, ya que sólo en esta situación es que el núcleo puede cumplir con sus tareas


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de ssíínntteessiiss ddeell DDNNAA (replicación semiconservadora) y de ttrraannssccrriippcciióónn de RNAmy otros tipos de RNA (véase más adelante). El “reposo” alude únicamente a la acti-vidad de división celular. En el núcleo en reposo, la estructura cromosómica ape-nas si puede ser detectada, ya que los cromosomas se hallan “descondensados”en casi toda su longitud.

Acerca de esto, cabe expresar que la observación del núcleo celular con ME fuepoco concluyente. Es preciso aclarar algunas cosas para poder comprendercorrectamente las imágenes obtenidas con ME antes de empezar a estudiar loscomponentes moleculares. La confusión de los investigadores sobre la estructu-ra era comprensible, ya que la microscopia óptica había producido, desde muchotiempo atrás, “retratos” detallados de los cromosomas (Fig. 7.77)).

7.2 Estructura del núcleo celular 143

7

hchc

hchc

mi

rerrer

relrelrel

kmkm

nu onuonu

pnpn pnpnpnpnpnpn

nu

mi

Fig. 7.6 Región periférica de un núcleo celu-lar con membrana nuclear doble (mn), encuya cara externa se hallan ribosomas (puntasde flechas). La membrana nuclear internatiene pegado en su superficie interna un ma-terial con alta densidad electrónica, quecorresponde a la lámina nuclear con hetero-cromatina (hc) almacenada (estos dos ele-mentos no siempre pueden ser diferenciados).

Ese material se interrumpe a la altura de losporos nucleares (pn). De la región marginal,emerge en dirección al interior del núcleo unaregión heterocromática (hc) que contiene alorganizador del nucléolo (onu), donde seencuentra el nucléolo (nu). Por fuera delnúcleo, se ven mitocondrias (mi) y los retícu-los endoplasmáticos rugoso y liso (rer y rel).Aumento 23.600× (fotografía: H. Plattner).

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En el núcleo en interfase hay regiones activas y regiones inactivas

Si se observa la imagen de un núcleo en reposo en un corte ultradelgado visto conMET, en el nucleoplasma podrán ser apreciadas, junto a regiones nebulosas cla-ras y laxas, unas manchas electrodensas (Fig. 7.66). Los especialistas en morfolo-gía se acostumbraron a denominar a las partes claras eeuuccrroommaattiinnaa (del griego: eu= bueno, croma = color) y a las partes oscuras, hheetteerrooccrroommaattiinnaa (del griego: hete-ro = distinto). Como estos nombres pueden llevar a confusión, ofrecemos unaayuda conceptual. La heterocromatina se presenta “distinta” que el resto delnúcleo, es decir, coloreada mucho más intensamente. Esto se observa usandocolorantes básicos como los empleados durante la preparación. El fundamento deesto radica en que la heterocromatina tiene mucho más DNA empaquetado den-samente que la eucromatina y, por ello, los grupos ácidos agrupados con exce-dente de cargas negativas pueden ligar mucha más sustancia básica, que tienencarga positiva. Incluso en la observación vital pueden registrarse en sectoresheterocromáticos del núcleo una alta densidad y una alta absorción UV. La altadensidad del DNA en un sector del cromosoma significa que allí hay escasa acti-vidad, como ya se ha explicado. El nombre de heterocromatina –también deno-minada cromatina condensada– provino primero de la microscopia óptica (Fig.7.77), y más tarde fue tomado también por la ME. Las regiones heterocromáticasestán cerca de la lámina nuclear, como ya se dijo, y no obstruyen los poros nucle-ares. Junto a las “nubes” irregulares de heterocromatina situadas dentro de unsector del núcleo, se observa una heterocromatina con ordenamiento más regu-lar en contacto con el nucléolo. Para la genética, la heterocromatina es el mate-rial genético inactivo en la transcripción, ya que queda empaquetado densamen-te en el núcleo en interfase.


7

Fig. 7.7 Cromosomas del núcleocelular de una planta (Anemoneblanda) después de la coloraciónde segmentos heterocromáticos(oscuros, véase texto). Puedeverse con claridad el bandeadoespecífico de los cromosomas.Cada cromosoma está dividido a lolargo en cromátides, que seencuentran unidas solamente en elcentrómero (la región estrecha;puntas de flechas). El centrómeroconecta los brazos de diferentelongitud del cromosoma.Aumento 1.145× (de: Hagemann,S., B. Scheer, D. Schweizer:Chromosoma 102 [1993] 312).

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La función sintetizadora más importante, es decir, la transferencia de la infor-mación al RNAm, ocurre en las regiones poco llamativas de los cromosomas que,inclusive con ME de alta definición, se ven con una pobre estructuración concre-ta. Las porciones de los cromosomas prácticamente indistinguibles debido a sumarcada laxitud nadan en el medio líquido del núcleo (nucleoplasma), que con-forma una suerte de “medio interno” característico, que incluye iones; por otraparte, ese medio es importante para la correcta organización de la cromatina. Aesto vamos a referirnos ahora.

7.3 Estructura de la cromatina

Después de haber descubierto que la “sustancia” que conforma los cromosomasno consiste sólo en DNA sino que también incluye histonas, proteínas asociadasal DNA, conviene aclarar la interacción estructural entre ambos componentes. LaME de barrido mostró, pese a su limitado poder de resolución, estructuras nudo-sas de dimensión bastante mayor que la de las relativamente pequeñas pprrootteeíínnaasshhiissttoonnaass (PM de aprox. 10.000-15.000). ¿Dónde se ubican las histonas dentro dela cromatina y cómo está ordenado el DNA en relación con las histonas? Paradesarmar el DNA, se intentó una digestión enzimática con proteasas y desoxirri-bonucleasa (DNAsa). Para sorpresa de muchos, se vio que las proteasas se mos-traban poco eficientes si antes no se había utilizado la DNAsa. Quedó en claro,sorpresivamente, que las histonas se hallan por dentro de la estructura de la cro-matina, el DNA está por fuera.

Además, quedó en evidencia que la estructura de la cromatina fuera de la célu-la es lábil y que requiere la estabilización que le proporciona el medio interno delnucleoplasma. Los investigadores colocaron cromosomas aislados en portaobje-tos de ME y los manipularon bajo las condiciones de las preparaciones paramicroscopia electrónica. Lo que se buscaba era la separación de los cromosomasy envolver a las estructuras liberadas con soluciones de sales de metales pesados.De esta forma, las estructuras más delicadas se tornaban visibles, como en unnegativo, en un fondo oscuro (véase “Técnica de contraste negativo”, Recuadro detécnica, pp. 34 y 35).

Los cromosomas están construidos como “collares de perlas”

Con sorpresa, así comprobaron que los cromosomas están formados como colla-res de perlas (Fig. 7.88). Una perla corresponde a un agregado de cuatro hhiissttoonnaass(tipos: 2A, 2B, 3 y 4) que se hallan apareadas dentro de las perlas (Fig. 7.99). Lashistonas forman en el nucleosoma un ccoommpplleejjoo ooccttáámmeerroo. La hebra de DNA seencuentra arrollada en torno de cada perla, donde el DNA se une de forma ióni-ca (heteropolar), en virtud de la diferencia de cargas. Se extiende de una perla aotra, desde un extremo del cromosoma al otro, sin interrupción. Estas perlas sonlas unidades estructurales del material nuclear, la cromatina, y reciben el nom-

7.3 Estructura de la cromatina 145

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bre de nnuucclleeoossoommaass. En un nucleosoma hay cerca de 200 pares de nucleótidosque se arrollan y forman 21/2 vueltas del agregado de octámero histónico en tor-no del DNA. Un nucleosoma tiene aprox. 11 nm de espesor. En comparación, eldiámetro del DNA “desnudo” mide 2 nm. En el espacio que media entre nucleo-somas se hallan depositadas, para refuerzo, proteínas de histona longitudinales,tipo 1 (H1). Esta estructura nucleosómica de la cromatina es conservada siempreen la célula, inclusive durante la replicación del DNA y durante la transcripción.Sólo se afloja esta disposición, un poco y brevemente, cuando las polimerasas sedeslizan sobre la cromatina.

Un gen se extiende a lo largo de varios nucleosomas

Cabe preguntar en qué relación se halla un gen respecto de los nucleosomas.Doscientos pares de nucleótidos corresponden a aprox. 67 aminoácidos. Por suPM promedio de 110, la proteína del nucleosoma resulta ser muy pequeña, desólo 7.500 Da. Como las proteínas son en promedio siete veces más grandes, omás, por esta razón y mediante un simple cálculo vemos que un gen debe exten-derse a través de varios nucleosomas. A esto se agrega que la mayor parte de lossegmentos génicos de células eucariotas incluyen intrones, cuya porción deRNAm es expulsada después de la transcripción. En síntesis, podemos deducirque un gen promedio se extiende –en promedio– a través de unas docenas denucleosomas.


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Fig. 7.8 Estructura nucleosómica de la cro-matina. Las “perlas” de 11 nm de los nucleo-somas y el filamento de DNA de 2 nm que losune están representados en esta imagen concontraste negativo (fotografía con ME de

campo oscuro). Aumento: 210.000× (deEngel, A., S. Sütterlin, T. Koller. En: Brederoo,P., W. DePriester: Proc.7th Eur. Congr.Electron Microscopy 1980. Vol. 2 [1980] p. 548).

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En los cromosomas, el DNA se encuentra fuertemente condensado

La estructura de los nucleosomas es el primer “truco” del que se valen las célulaseucariotas para conseguir la condensación del DNA. En conjunto, se calcula queasí se produce un acortamiento de más de 10-4 veces, en tanto, cuando se compa-ra el largo promedio del DNA de un cromosoma promedio con la longitud esti-mada de un cromosoma, la relación estimada es de aprox. 5 cm a 1 μm. Con elenrollado del DNA en torno de las histonas, no alcanzaba. Por eso, la explicación


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Cromosoma condensado en la metafase Superenrollamiento

Cromátides

Centrómero

Lazos de filamentos de 30 nm, con esqueleto de los componentes de la matriz nuclear (en negro)

Filamentos de cromatina (filamentos de 30 nm)

Cromatina de una cadena de nucleosomas, 11 nm

Doble hélice de DNA, 2nm

Fig. 7.9 Organización del material genético.La doble hélice de DNA (espesor: 2 nm) seenrolla sobre las proteínas histonas de losnucleosomas (11 nm) y así forman la cromati-na (complejo DNA-proteínas). Este “collar deperlas” de nucleosomas se retuerce en tornode un filamento (30 nm) de cromatina. Estepuede disponerse en forma de lazos y retor-cerse aún más (superenrollamiento). En estaforma se halla la cromatina en un cromoso-ma, cuando éste es condensado al ingresar enel proceso de división celular (fuera de la fasede división celular, los cromosomas seencuentran desenrollados). En uno de estos

cromosomas se reconocen dos cromátidesconectadas por donde transcurre, respectiva-mente, una doble hélice de DNA desde unextremo al otro. Los lazos de DNA son estabi-lizados en las cromátides por medio del depó-sito de elementos de la matriz nuclear. Lasregiones con condensación de cromatinaespecialmente intensa, como se las ve conmicroscopia óptica, son los cromómeros(cuya sucesión muestra el aspecto típico deuna cinta); en cambio, con microscopia elec-trónica sólo se los reconoce como “regionesheterocromáticas” oscuras.

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fue buscada entre los principios de las estructuras superordenadas, y se halló losiguiente (Fig. 7.99):1. El collar de perlas está retorcido sobre sí mismo, de modo que se forman ffiillaa--

mmeennttooss ddee 3300 nnmm.2. Estos se enrollan de nuevo y forman un ssuuppeerreennrroollllaammiieennttoo.3. Los superenrollados se cruzan perpendicularmente y forman lazos sobre cada

cromosoma. En esta forma condensada se encuentra el DNA de cada cromoso-ma, en toda su longitud (véase recuadro “Más”).

4. Cada cromosoma parece contener dentro de sí, además, una suerte de “barrade soporte”. Se cree que a ésta la forman proteínas poco solubles de la mmaattrriizznnuucclleeaarr. Hallar estos principios estructurales complejos del cromosoma fueuna tarea tan difícil porque sólo pueden mantenerse si están en el mmeeddiioo iióónnii--ccoo correcto.

Los cromosomas condensados exhiben cromómeros

Si los cromosomas condensados son teñidos, puede verse un bandeado caracte-rístico. Los segmentos densos y bien teñidos reciben el nombre de ccrroommóómmeerroossde un cromosoma. El momento para poder verlos es casi únicamente cuando loscromosomas se condensan, al entrar en la pprrooffaassee de la división celular (véase p. 412). En ese momento, la cadena de nucleosomas está superenrollada y ade-más plegada en forma de lazos o moños de una cinta. En los cromómeros, la cro-matina está particularmente condensada.

Tan pronto como una célula emprende el proceso de división del núcleo, surgeuna nueva hebra de DNA de cada una de las dos cromátides, pues ya antes delingreso en la división del núcleo (mitosis) el DNA se había duplicado en la ffaassee SSdel ciclo celular y cada cromosoma, en toda su longitud, se divide en dos ccrroommáá--ttiiddeess idénticas. Estas quedan unidas sólo por el cceennttrróómmeerroo, hasta que las doscromátides de un cromosoma se separan durante la transición de metafase a ana-fase (véase Cap. 22).


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Como resulta muy difícil formarse unaidea de las dimensiones a nivel micro-métrico, procuramos ofrecer una re-presentación similar de las estructurascorrespondientes, pero en un marcomacrométrico. Supongamos que elDNA es una hebra de lana de 2 mm dediámetro (106 veces más gruesa de lo

que es en realidad); su verdadera longi-tud de 2,3 m en el núcleo de cada unade nuestras células sería de 2.300 km,es decir, que atravesaría Europa. Seríamuy difícil desenrollar una de estas he-bras sin que se enmarañe. Un nucleo-soma de 11 nm de diámetro y la cade-na de 27 × 106 perlas correspondería al

Continúa

Más: el genoma eucariota, necesidad de una alta capacidad de almacenamiento

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Un cromómero no corresponde a un gen

Con microscopia óptica, los cromómeros gruesos y finos se alternan con espaciosde mayor o menor tamaño. En esta forma, cada cromosoma muestra un bandea-do característico (Figs. 7.77, 7.1100 y 7.1111). Surge de nuevo la pregunta: ¿podría uncromómero representar a un gen? Si contamos, p. ej., 7 a 50 nucleosomas porcada “gen promedio” en relación con la condensación en filamentos y superen-rollamientos de 30 nm, un cromosoma visible con microscopia óptica y tambiénun segmento eucromático entre dos cromómeros resulta demasiado grandecomo para corresponder exactamente con un gen. Por ende, cada una de estasestructuras visible con microscopia óptica puede contener una serie de genes. Apesar de esta falta de nitidez, determinados genes pudieron ser localizados encromómeros determinados. A partir de eso, comenzó la “larga marcha” de lagenética, desde el mapa descriptivo de los cromómeros (bandas) hasta el mapagénico funcional.

La estructura de la cromatina fue establecida mediante difracción de electrones

Nos quedan por definir y refinar algunos puntos. Primero, la vía para conocer laeessttrruuccttuurraa ddee llooss nnuucclleeoossoommaass de la cromatina tomó un impulso decisivo conanálisis cuantitativos usando microscopia electrónica, por AA.. KKlluugg, de Cambridge(RU). Allí fue establecido por primera vez el método de la difracción de rayos X,con cuyos datos J. WWaattssoonn y F. CCrriicckk descubrieron la estructura en doble hélice delDNA. Como los electrones con alta aceleración equivalen a una irradiación conlongitud de onda muy corta (véase Cap. 3, “El microscopio electrónico de trans-misión [MET]”, p. 29), podemos obtener también con MET las imágenes dedifracción. La imagen primaria que se forma en el plano focal posterior del obje-tivo es una imagen de difracción. Esto queda bien claro (como en todas las imá-genes de difracción) cuando son observadas estructuras formadas por elementosestructurales similares (estructuras cuasicristalinas). Como esta condición se


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largo del trayecto de Constanza aMunich, 295 km. Volvemos ahora a las dimensiones rea-les y proseguimos con el expresivojuego de comparaciones: sin magnifi-cación, todas las cadenas de DNA deun cuerpo humano con 1014 célulascubrirían un increíble tramo de230.000 × 106 km, es decir, 600.000 ve-ces la distancia de la Tierra a la Luna,

considerando que la distancia prome-dio entre estos astros es de 384.420 km.Si bien esto parece dramático, lo quemás llama la atención es cómo la célu-la resolvió el problema del almacena-miento de una enorme cantidad deinformación en su núcleo. La soluciónes tan buena que supera ampliamentecualquier forma técnica de almacena-miento de información.

Continuación

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Brazo corto

Brazo largo

CinetocoroCentrómero

Región del telómero

Región del telómero

Cromómeros

Cromátides

Fig. 7.10 Estructura del cromosoma.Izquierda: la estructura del cromosoma consus cromómeros se torna visible con micros-copia óptica gracias a la creciente condensa-ción, recién después de que la división celularentra en la metafase. Como el DNA ya fuereplicado en la fase de síntesis precedente(véase p. 405), el cromosoma es reconocidoenseguida como una estructura doble, condos cromátides. Las cromátides están unidaspor medio del centrómero (con su cinetocoroagregado); esta unión se pierde recién duran-te la anafase de la mitosis (véase p. 412).Según la posición del centrómero, los dos bra-zos de un cromosoma o de sus cromátidespueden tener distinta longitud. Cada uno delos extremos termina en un telómero, que

protege al cromosoma contra ataques enzi-máticos y asegura la replicación de las regio-nes terminales del DNA. Derecha: este dibujo representa un cromoso-ma dividido longitudinalmente en el curso dela mitosis, con sólo una cromátide. Un cromo-soma tiene este aspecto por un tiempo muybreve, en la anafase. En principio, existen cro-mosomas con esta forma también en el“núcleo en reposo”, sin proceso de división.Pero esta forma prácticamente no puede serobservada, porque los cromosomas sólo secondensan después, y se hacen visibles cuan-do la célula está en el proceso de división, yasí pueden ser aislados fácilmente con suscromátides separadas (izquierda).

Fig. 7.11 Cariograma humano (cariotiponormal), obtenido de un cultivo de linfocitoshumanos durante la metafase de la divisióncelular, después de aplicar distintos coloran-tes fluorescentes. a Coloración de las bandasricas en guanina y citosina con CromomicinaA3, b Coloración de las bandas ricas en

adenina y timina con DAPI (4´6-diamidino-2-fenilindol). Las coloraciones en (a) y (b) soncomplementarias. Los cromosomas homólo-gos han sido juntados (autosomas 1 a 22), yasí también los cromosomas sexuales X e Y.Aumento 2.000× (de: Schweizer, D.: Hum.Genet. 57 [1981] 1).

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