Núcleo y Ciclo Celular PDF

1 NUCLEO Y CICLO CELULAR 1. INTRODUCCION. La presencia del núcleo es una característica distintiva de todos los organismos eucariotas. Por lo general el núcleo es único en las células en las que ocupa una posición central, pero en células polarizadas, como...

1 NUCLEO Y CICLO CELULAR 1. INTRODUCCION. La presencia del núcleo es una característica distintiva de todos los organismos eucariotas. Por lo general el núcleo es único en las células en las que ocupa una posición central, pero en células polarizadas, como las epiteliales, se le localiza en la región basal de la célula. De igual modo, en organismos multicelulares existen algunas células que son binucleadas (que poseen dos núcleos) y otras que son claramente multinucleadas. El núcleo contiene el material genético de los organismos eucariotas y dirige la función celular gracias a la expresión de genes específicos que ocurre en su interior. En organismos eucariotas el material genético está representado por el ADN, pero este se encuentra asociado a proteínas básica conocidas como histonas constituyendo la cromatina. La cromatina puede mostrar diferentes grados de compactación dependiendo del momento en que se encuentre la célula con respecto al ciclo celular. El ciclo celular debe ser entendido como la serie de procesos que conducen a la célula a la división celular y en él se distinguen dos grandes fases o etapas, la más larga en duración recibe el nombre de interfase y consiste en un intervalo de biosíntesis y de activo crecimiento, en el cual la célula duplica su masa y el contenido celular. Este período va seguido por un episodio relativamente breve de división nuclear que suele ir acompañado por la división del citoplasma y la formación de una nueva frontera o límite para separar los núcleos y el citoplasma en un par de células hijas, conocido como fase M (mitosis). Durante la fase M la cromatina alcanza su máximo grado de compactación, estructurando los cromosomas. Dependiendo de los eventos celulares particulares que ocurren durante la interfase, ésta ha sido subdividida en tres fases o subetapas conocidas como G1, S y G2, en la que se realiza una activa síntesis de macromoléculas que caracterizan cada una de las subetapas de la interfase. En particular la fase S es caracterizada por la síntesis de ADN y de histonas, que ocurre sólo en este momento particular del ciclo celular. Durante la interfase la célula eucarionte muestra el aspecto que le conocemos normalmente. Es decir, cada célula posee uno o más núcleos bien estructurados. Cada núcleo es una estructura generalmente esférica de unos 7 m de diámetro; su límite está definido por la envoltura nuclear que es una estructura compuesta por dos membranas separadas entre sí. En el interior del núcleo  2 se encuentra el material genético, ADN, el cual se encuentra asociado a proteínas algunas de las cuales son llamadas histonas, formando parte de un agregado macromolecular denominado cromatina y se pueden observar uno o más nucléolos. 1.1 Estructura del Núcleo 1.1.1 Envoltura Nuclear. La envoltura nuclear puede ser considerada como una barrera de permeabilidad, coordinando así la función nuclear (expresión genética), con la actividad citoplasmática. Aunque la envoltura nuclear consta de numerosos componentes, básicamente nos referiremos a dos de aquellos, considerados fundamentales: a) La presencia de una doble membrana: Cada membrana tiene un grosor de aproximadamente 70 a 80 Å, pudiendo la membrana nuclear externa, en ocasiones, estar asociada a gránulos de ribonucleoproteínas (RNP) o ser lisas, en cambio la membrana interna, presenta gran cantidad de cromatina asociada. Entre estas dos membranas existe un espacio llamado “espacio perinuclear” que se continua con el lumen del RER. b) La Presencia de poros nucleares: Los poros nucleares parecen ser los sitios más adecuados para el intercambio entre el núcleo y el Citoplasma. Los poros se podrían definir como aperturas circunscritas por membranas fusionadas, cuyo diámetro puede fluctuar entre los 400 y los 1000 Å, que contienen una sustancia que recibe el nombre de anillos o material anular, el cual llena la mayor parte del espacio interior. Esta masa cilíndrica de material anular, se proyecta tanto hacia el espacio citoplasmático, como al espacio nucleoplasmático, extendiéndose más allá del borde del poro, de tal manera que el diámetro externo del material anular es mayor que el diámetro del poro en sí. A ambos lados del material anular, el citoplásmico y en nucleoplásmico, se localizan ocho gránulos alrededor de su periferia que dan al material anular un borde externo octagonal. A través del centro del material anular se encuentra un canal “abierto” de 100 a 200 Å, que conectan el espacio nuclear y citoplásmico. El poro y su material anular asociado es conocido como “complejo de poro” (Walson, 1959).  3 En las células que crecen rápidamente: ovocitos, células embrionarias y cancerosas, los complejos de poro pueden acumularse en el citoplasma dentro de las laminillas anilladas. El número de poros presentes por unidad de espacio es variable y puede sufrir cambios durante los procesos fisiológicos o de desarrollo; por ejemplo, se reduce durante la maduración de los eritroblastos y de las espermátidas, lo que se correlaciona con la poca actividad transcripcional de estas células. 1.1.2 Matriz Nuclear. Por muchos años ha sido tema de controversia la existencia de una matriz nuclear o carioesqueleto. Uno de los problemas prácticos a que se enfrenta la investigación de la matriz nuclear es la presencia de la cromatina, que ocupa prácticamente todo el interior del núcleo, razón por la cual, actualmente, para algunos investigadores corresponde sólo a un artefacto técnico derivado del tratamiento. Así, en la actualidad se define la matriz del núcleo en términos operacionales, considerándola constituida por aquellas proteínas que permanecen insolubles (no extraídas), después de tratar a núcleos aislados con ADNasa, ARNasa, detergentes no iónicos y soluciones salinas concentradas. Todos estos tratamientos extraen ADN, proteínas histónicas, otras proteínas unidas a la cromatina, ARN y membranas nucleares. Se ha observado que, a pesar de lo drástico del tratamiento, se conserva una malla de proteínas que remeda la forma original del núcleo celular. En gran medida este hecho es debido a que, entre otras proteínas, se conserva la lámina nuclear, estructura que participa directamente en la mantención de la forma del núcleo y que está constituida por las proteínas láminas A, B y C, las cuales constituyen la matriz periférica del núcleo. Además, en el carioesqueleto se distingue, una matriz interna compuesta por un variado conjunto de proteínas que recién empiezan a ser conocidas, y que podrían estar conectadas a la matriz periférica. 1.1.3 Nucléolo. En el núcleo se destaca la presencia de uno o más cuerpos que se tiñen intensamente con colorantes básicos a los cuales se les denomina nucléolos. Los nucléolos están constituidos por ARN, proteínas y por el ADN molde necesario para la síntesis de ARNr. En consecuencia, son los lugares de síntesis, acumulación y procesamientos de ARNr. Todas las células en interfase requieren la síntesis nuclear de ARN ribosomal el cual, después de su procesamiento y maduración, es unido a proteínas para constituir la mayor parte de la subunidad mayor y menor de los ribosomas. Por lo tanto, el nucléolo aparece cuando la célula está en interfase y desaparece cuando la célula se está dividiendo, constituyendo así el ciclo nucleolar.  4 Al conjunto de genes ribosomales, ordenados en secuencia y localizados en un segmento particular de un cromosoma se le conoce como región organizadora de nucléolo (NOR), y al cromosoma portador del NOR como cromosoma nucleolar. El número de cromosomas nucleolares es variable entre las diferentes especies. 1.1.4 Cromatina – Niveles superiores de enrollamiento o compactación. El ADN es el principal componente de los genes de la célula, que lleva la información codificada de una célula a otra y de un organismo a otro. El ADN sumado a proteínas histonas y no histonas, más el ARN forman la mayor parte un complejo denominado cromatina. Las histonas son un grupo de pequeñas proteínas básicas que están íntimamente asociadas al ADN de los cromosomas. Existen cinco clases de histonas, diferenciándose una de otra por el contenido de dos aminoácidos básicos, arginina y lisina. Las clases “ricas en arginina” reciben el nombre de H3 y H4, las clases ligeramente ricas en lisina se llaman H2A y H2B, y la clase rica en lisina se denomina H1. En 1974 basándose en datos bioquímicos y el resultado de la difracción de rayos x, Roger Kornberg propuso un nuevo tipo de estructura para la cromatina, el cual consistía en que la cromatina estaba formada por subunidades repetidas compuestas de ADN e histonas a las cuales denominó Nucleosomas. Los nucleosomas o cuentas de rosario representan los niveles de organización inferiores de la cromatina; sin embargo, al parecer, la cromatina no está en estado relativamente extendido dentro de las células, ya que al examinarse cortes de microfotografías electrónicas que pasan a través del núcleo, las fibras de cromatina parecen tener 250 Å de diámetro. Esto sugiere que el filamento de 100 Å está enrollado en un complejo superenrollado o solenoide, conteniendo de 6 a 7 nucleosomas por vuelta. Estudiando detenidamente diferentes núcleos, se pudo apreciar la existencia de sectores cromatínicos que siempre permanecían descondensados durante la interfase, y que excepcionalmente se condensaban cuando iba a ocurrir la división mitótica. Esta cromatina es transcripcionalmente activa y se le denominó eucromatina. Por otro lado, existe regiones de la cromatina que permanecen condensadas durante todo el ciclo celular. A esta fracción de cromatina de comportamiento diferente se le llamado heterocromatina. Se distinguen dos tipos principales de heterocromatina: constitutiva y facultativa. La heterocromatina constitutiva se distribuye generalmente en las regiones pericentroméricas de algunos cromosomas. En esta heterocromatina  5 se encuentra ADN de secuencia altamente repetida que al parecer no porta información para la síntesis de ARN. En cambio, la heterocromatina facultativa corresponde a uno de los cromosomas X de las hembras de mamíferos, el cual permanece condensado y genéticamente inactivo en las células somáticas. En la Fase S del ciclo celular se produce la replicación del ADN, un proceso que se realiza una única vez por ciclo celular y que permite duplicar la información genética que será repartida equitativamente a cada célula hija al final de la fase M. Cabe destacar que el proceso de replicación es semiconservativo, es decir que las dos hebras nucleotídicas con componen la molécula de ADN se separan durante el proceso y cada una sirve de molde para la síntesis de una hebra nueva que mantiene las condiciones de complementariedad y anti paralelismo. Para realizar esta síntesis la célula recurre a su reserva de nucleótidos, los cuales va introduciendo a las nuevas hebras respetando la complementaridad de la hebra molde. Las células que están en fase S en un momento particular, pueden ser detectadas utilizando la técnica de Radioautografía o Autoradiografía Algunas moléculas que participan en reacciones químicas dentro de la célula pueden ser marcadas, para determinar su localización y desplazamiento sobre secciones de tejido. La Radioautografía es una forma de marcación que implica el uso de isótopos radiactivos, que son átomos del mismo elemento a marcar, que tienen una mayor cantidad de neutrones que el átomo más común, por lo que puede emitir un tipo de radiación, que puede ser ,  o , de acuerdo a si es de menor o mayor energía, aquella liberada por el isótopo al transformarse en el átomo normal. Para detectar la ubicación y la concentración del compuesto radiactivo se utiliza gelatina fotográfica, debido a que los gránulos de bromuro de plata que contiene son reducidos por la energía radiactiva en forma similar a lo que hace la energía luminosa, transformándolos en finos gránulos de plata metálica que pueden visualizarse como pequeños puntos negros. Uno de los usos de la radioautografía, más utilizado en biología celular, es el empleo del nucleósido timidina marcado con el isótopo tritio, 3H, el cual es administrado a un material biológico vivo (cultivo celular, ratón, rata, etc). El nucleósido radiactivo queda disponible como parte del “pool” de moléculas necesarias para la síntesis de ADN, de manera que será incorporado por todas aquellas células, que al momento de la administración de la 3H-timidina, se encontraban en la fase S del ciclo celular. Luego de un tiempo, el material biológico se sacrifica, se procesa por técnica histológica y  6 se obtienen cortes de él. Cortes que son cubiertos con la emulsión fotográfica, de modo que la radiactividad de los núcleos que incorporaron la 3H-timidina, reducirá el bromuro de plata a plata metálica que quedará depositada como finos gránulos negros situados sobre los núcleos que emiten radiación. 2. OBJETIVOS. 2.1 Estudiar los componentes del núcleo y su dinámica en la fisiología nuclear (expresión génica). 2.2 Conocer las características de la cromatina y de los cromosomas 2.3 Comprender los aspectos estructurales y funcionales del nucléolo. 2.4 Describir y analizar algunos procesos moleculares y citológicos del ciclo celular 3. CUESTIONARIO. 3.1 Infórmese sobre algunos criterios de clasificación de la forma nuclear. 3.2 ¿Qué diferencias existe entre eucromatina y heterocromatina? 3.3 ¿Cuántos núcleos puede tener una célula eucariótica? 3.4 Justifique la presencia o ausencia de núcleo(s) en selectos tipos celulares. 3.5 ¿Qué funciones cumple el nucléolo dentro de la fisiología celular? 3.6 ¿Cuantos nucléolos puede llegar a tener una célula humana? 3.7 ¿Qué importancia tiene el método radioautográfico en el estudio del Ciclo Celular? 3.8 ¿Se puede aplicar la radioautografia a otros estudios del funcionamiento celular?  7 4. ACTIVIDADES. 4.1. Estructura nuclear. 4.1.1. Observe al microscopio óptico corte de hígado teñido con hematoxilina – eosina y describa el núcleo (forma, tamaño, posición y número) y sus componentes. Preparación: Propósito: Tinción: Aumento: Descripción: 2 Observe la ultraestructura de un núcleo en la microfotografía adjunta. Identifique en ella sus elementos constituyentes. Ej: envoltura nuclear, cromatina condensada y descondensada, complejo poro, lámina y nucléolo.  8 Membrana externa Espacio Retículo Membrana interna endoplásmico perinuclear liso Ribosomas Complejo poro Lámina Nucléolo Cromatina Retículo nuclear nuclear endoplásmico rugoso  9 4.3. Observe al microscopio un aplastado de la región meristemática de raíces de cebolla (Allium cepa L), las que han sido impregnadas con sales de plata, las cuales precipitan sobre los nucléolos. ¿El número de nucléolos es el mismo en todos los núcleos?. ¿Cómo lo interpreta? Infórmese sobre los factores que influyen en el número de nucléolos que puede desarrollar una célula, o el tamaño que ellos pueden alcanzar. Preparación: Propósito: Tinción: Aumento: Descripción: 4.4 Ciclo Celular: Periodo S. Duplicación del DNA. 4.4.1 Observe una radioautografía de tejido de lombriz de tierra teñido, además, con hematoxilina y eosina. El invertebrado, previamente, se inyectó con timidina tritiada, y después de una hora se sacrificó y se obtuvo nuestras de sus tejidos. Esquematice un sector de la preparación donde se observe células marcadas y no marcadas. - ¿En qué región de la célula se observa marca?. Fundamente. - ¿Qué significa la mayor, menor o nula cantidad de marca exhibidas por algunas células?. Clasifíquelas en algunas de las etapas del ciclo celular.  10 - ¿Hay distribución diferencial de células marcadas en el tejido?. ¿Qué interpretación da usted a esa distribución?. Preparación: Propósito: Tinción: Aumento: Descripción: 4.4.2. Complete el gráfico anexo, en donde 2c es la cantidad normal de ADN en un núcleo. 4c 3c 2c c G1 S G2 M Etapas del ciclo celular  11 5. CONCLUSIONES.