TEMA 03.- El núcleo A.S. PDF

TEMA 5.‐ 3 El Núcleo Estructura del núcleo Transporte selectivo desde y hacia el núcleo Organización interna del núcleo El nucleolo y otros subcompartimentos nucleares 1 Estructura del núcleo 2 ...

TEMA 5.‐ 3 El Núcleo Estructura del núcleo Transporte selectivo desde y hacia el núcleo Organización interna del núcleo El nucleolo y otros subcompartimentos nucleares 1 Estructura del núcleo 2  Estructura del núcleo Envuelta nuclear Eucromatina Poro nuclear Heterocromatina RE Membrana interna Poro nuclear Membrana externa Nucleolo 3 Estructura del núcleo 4  Estructura de la envuelta nuclear Funciones: Separa el contenido del núcleo y del citoplasma. Barrera selectiva Proporciona un armazón estructural al núcleo Estructura Membrana nuclear externa: se continúa con la membrana del retículo, es funcionalmente similar y posee ribosomas adheridos a su superficie citosólica. Su composición proteica es sin embargo diferente a la del RE. Espacio intermembrana. El espacio intermembrana y el lúmen del RE se comunican directamente Membrana nuclear interna: composición proteica específica del núcleo (Ej.‐ proteínas de unión a la lámina nuclear) Complejos de poro nuclear: canales que permiten el paso de pequeñas moléculas y macromoléculas de manera selectiva Lámina nuclear: lámina fibrosa (compuesta por laminas y otras proteínas asociadas) que da soporte estructural al núcleo 5  Estructura de la lamina nuclear Composición Laminas. Codificadas por 3 genes: lamina A, B y C Las laminas se ensamblan formando filamentos y se extienden formando una red laxa por la cara interna del núcleo. Se distinguen varios niveles de asociación: 4 1 2 3 6  Estructura de la lamina nuclear Asociación con la envuelta nuclear interna Facilitada por la adición postraduccional de lípidos a las laminas para que se inserten en la membrana Interacción con otras proteínas de la envuelta: emerina, proteínas SUN y receptor de lamina B (LBR) Interacción indirecta con el citoesqueleto a través del complejo SUN‐KASH Asociación con la cromatina A través de histonas H2A y H2B Interacción con otras proteínas nucleares implicadas en la síntesis de DNA, transcripción o modificación de la cromatina. Función desconocida. 7  Complejo de poro nuclear (NPC; Nuclear Pore Complex) Presentes en todas las células eucariotas La cantidad de poros varía con la actividad celular Pueden transportar más de 1000 macromoléculas/segundo en ambas direcciones. Composición y estructura: 500‐1000 proteínas denominadas nucleoporinas (al menos 30 diferentes). Cada nucleoporina está presente en múltiples copias. 1. Anclan el poro a la envuelta nuclear 2. Forman estructuras tipo anillo y estabilizan la curvatura del poro 3. Poro central + regiones polipeptídicas 1 intrínsecamente desordenadas que 2 forman fibrillas que “taponan el poro” bloqueando la difusión pasiva de macromoléculas. 3 8 La envuelta nuclear se desensambla durante la mitosis 9 Transporte activo desde y hacia el núcleo 10 Transporte nuclear a través del NPC Tráfico nuclear Entrada: Proteínas necesarias para la síntesis de DNA Reguladores de la transcripción Proteínas ribosomales Salida: Subunidades ribosomales rRNA, tRNA, mRNA Mecanismo de transporte Proteínas < 60kDa → difusión pasiva Resto de proteínas y macromoléculas → transporte activo mediado por receptor 11  Transporte nuclear a través del NPC Señales de localización nuclear (NLS). Importación Aseguran la selectividad del proceso de importe. Las proteínas que entran en el núcleo contienen una NLS. La secuencia NLS es una secuencia necesaria y suficiente para la entrada de las proteínas al núcleo No existe una única NLS. Secuencias cortas ricas en aa básicos (Lys, Arg) Las proteínas entran al núcleo plegadas Señales de exportación nuclear (NES) Señal necesaria para la salida de macromoléculas del núcleo 12  Receptores de transporte nuclear Interaccionan con una molécula o macromolécula que contiene algún tipo de señal de transporte nuclear para dirigirlas a través del NPC. 2 tipos de receptores: Importinas Exportinas Interaccionan con la molécula que van a transportar y con las nucleoporinas para dirigirlas mientras atraviesan el NPC Una vez en el citoplasma o en el núcleo, los receptores se disocian de sus moléculas 13  La GTPasa Ran impone la direccionalidad del transporte nuclear Ran GTPasas Necesarias para la importación y la exportación al núcleo de proteínas y macromoléculas Posee dos estados conformacionales dependiendo si se une a GTP o GDP 2 tipos de proteínas regulan la actividad de Ran GTPasa: Ran GAP (GTPase Activating Protein): induce la hidrólisis del GTP. Localización citosólica Ran GEF (Guanine Exchange Factor): promueve el intercambio de GDP por GTP. Localización nuclear (anclada a la cromatina) El gradiente de los dos estados conformacionales de Ran es imprescindible para que el transporte nuclear funcione en la dirección correcta 14 La GTPasa Ran impone la direccionalidad del transporte nuclear ¿Cómo media Ran GTPasa el transporte nuclear? translocas se unde Provoca la liberación de esa proteína que sale por el complejo del polo nuclear y se va 15  Regulación del transporte de moléculas con secuencias NLS y NES Algunas proteínas contienen secuencias tanto de importación nuclear como de exportación y se mueven constantemente dentro y fuera del núcleo. La entrada/salida del núcleo se puede controlar regulando las NLS y/o NES Ej.‐ NF‐AT (nuclear factor of activated T cells) NF‐AT 16  Regulación del transporte de moléculas con secuencias NLS y NES Regulación de la biosíntesis del colesterol SREBP (Sterol Response Element Binding Protein) SCAP (SREBP Cleavage Activation Protein) 17  Transporte de RNA rRNA Ensamblaje en el nucleolo de subunidades ribosómicas (asociación con proteínas ribosómicas) Transporte de cada subunidad por separado al citoplasma Señales de exportación nuclear presentes en las proteínas asociadas. Transporte dependiente de exportinas y RanGTPasas Precursores de tRNA y microRNA Transporte dependiente de exportinas y Ran GTPasas Las exportinas se unen directamente al RNA mRNA Transporte independiente de exportinas y Ran GTPasas Asociación con un complejo proteico exportador Una RNA helicasa en la cara citosólica del poro asegura la direccionalidad del transporte RNA pequeños nucleares y nucleolares (snRNA y snoRNA) Deben transportarse del núcleo al citosol donde se asocian con proteínas para formar RNPs (ribonucleoproteínas) funcionales y volver al núcleo para ejercer su función Transporte mixto Exporte: complejo proteico de exportación unido al extremo 5´del RNA Importe: NLS presentes en la parte proteica del RNP 18 Organización interna del núcleo 19  Características de los ácidos nucleicos DNA (ácido desoxiribonucleico) RNA (ácido ribonucleico) POLINUCLEÓTIDOS = polímeros de nucleótidos Bases púricas (purinas) Nucleótido o desoxinucleótido Base Ácido Fosfato fosfórico Azúcar Adenina (A) Guanina (G) Bases pirimidínicas (pirimidinas) Ribosa Desoxirribosa Citosina (C) Timina (T)‐sólo en DNA RNA DNA 20 Uracilo (U)‐sólo en RNA Polimerización de nucleótidos: estructura primaria del DNA Extremo 5´ Cadena polinucleotídica (DNA o RNA) 5´ 3´ Enlace fosfodiéster. Conecta el grupo 5´ 5´fosfato y el grupo 3´OH de nucleótidos adyacentes /U Enlace N‐glicosídico 3´ Extremo 3´ 21  Estructura secundaria del DNA: la doble hélice 1952: Rosalind Franklin (1920‐58) & Maurice Wilkins (1916‐2004) Difracción de rayos X de DNA. 1953: Francis Crick (1916‐2004) & James Watson (1928‐) Estructura química del DNA, postulando el modelo de la “doble hélice” a la vez que proponen un papel codificador de la información genética para esta molécula. 22  Estructura secundaria del DNA: la doble hélice Modelo de Watson y Crick (1953) El emparejamiento de bases es siempre A‐T, G‐ C Las dos cadenas permanecen unidas por puentes de H (enlace NO covalente) Dos cadenas de nucleótidos de orientaciones opuestas (anti‐paralelas) enrolladas a lo largo de un eje común Las bases quedan dispuestas hacia el interior de la hélice, los azúcares y grupos fosfato hacia el exterior 23 ¿Cómo se compacta el DNA en el núcleo de una célula humana? Cromatina: combinación de DNA asociada con proteínas (histonas y no histonas). La asociación del DNA con proteínas permite su empaquetamiento siendo el cromosoma el nivel mas sofisticado de empaquetamiento Niveles de compactación de la cromatina : 1.‐ Doble hélice 2.‐ Nucleosoma 3.‐ Solenoide 4.‐ Bucles 5.‐ Cromosoma 24  La organización de la cromatina en el núcleo es dinámica eucromatina heterocromatina nucleolo  Organización de la cromatina en interfase El DNA en proceso de transcripción no se une a la lámina nuclear Bajo contenido en genes Alto contenido en genes La posición de los genes cambia cuando se activa la transcripción. La cromatina que se encuentra compactada en cada loop Visualización de las regiones individual se descompacta ocupadas por cada uno de los cuando la célula necesita acceder cromosomas en un núcleo en a ese DNA. interfase 26 El nucleolo y agregados subnucleares 27  Estructura y funciones del nucleolo Regiones fundamentales del nucléolo: 1. Centro fibrilar: transcripción del pre‐rRNA (5,8S, 18S y 28S) 2. Componente firbilar denso: procesamiento de los rRNA 3. Componente granular: ensamblaje de las subunidades ribosomales El tamaño del nucléolo depende de la actividad metabólica de la célula, siendo los nucléolos más grandes en aquellas células con una alta actividad de síntesis de proteínas.  Ensamblaje de los ribosomas en el nucleolo Implica el ensamblaje del rRNA precursor con las proteínas ribosómicas y el rRNA 5s Función global del nucléolo en el ensamblaje de ribonucleoproteínas 29  Maquinaria de traducción: los ribosomas Los ribosomas son la maquinaria macromolecular que dirige la síntesis de proteínas Subunidad grande. Centro Peptidil‐transferasa, responsable de la formación del enlace peptídico Subunidad pequeña. Centro decodificador, donde los tRNAs interaccionan con el mRNA Ribosomas procariotas Ribosomas eucariotas Unidad que mide la velocidad de sedimentación: Svedberg (S) dependiendo de la densidad, se quedara en la zona de medio, para equilibrar la densidad 30  Otros subcompartimentos nucleares Gránulos de intercromatina Cuerpo de Cajal Gránulos de intercromatina: diseminados por todo el núcleo. Contienen RNPs y varias enzimas implicadas en el procesamiento de mRNA Cuerpo de Cajal Cuerpos de Cajal: “orgánulos” esféricos nucleares presentes en células en alta proliferación (tumorales) o metabólicamente activas con alta tasa transcripcional (neuronas). Implicados en la maduración tardía de los snRNPs y snoRNPs. Su número varía entre 1‐ Fibrillarin (Component of several snoRNP). Presente en nucleolo y cuerpos de Cajal 5/núcleo, variando a lo largo del ciclo celular y Interchromatin granule clusters entre los diferentes tipos celulares. DNA 31 Funciones Nucleares 32  Características de la doble hélice de DNA 1º nivel de compactación del DNA bases Azúcar‐fosfato Interior hidrofóbico: Interacciones de apilamiento, van der Waals, entre los pares de bases Exterior hidrofílico: Esqueletos azúcar‐fosfato de ambas cadenas, que interaccionan con el medio acuoso circundante Carga negativa: grupos fosfato Estabilidad: Fuerzas de unión por enlaces de H, interacciones con el agua y interacción entre los pares de bases apilados (interacciones de apilamiento) Dos surcos determinados por la geometría del pb Accesibilidad de proteínas a las bases a través de los surcos 33  2º nivel de compactación del DNA: NUCLEOSOMA “Nucleosomes are the building blocks of chromosomes”. Reduce la longitud lineal del DNA aproximadamente 10,000 veces. Histonas: son las proteínas mas abundantes de la cromatina. Pequeñas proteínas de carga positiva neta (Arg, Lys). Tipos de Histonas: Función: ‐ Empaquetamiento del DNA: ‐ Core: H2A, H2B, H3 y H4 ‐ Control de la expresión génica modificando la ‐ Linkers: H1 y H5 estructura de la cromatina 34  2º nivel de compactación del DNA: NUCLEOSOMA Organización estructural del nucleosoma (1997) 2 vueltas de la molécula de DNA (~200 bp) alrededor de un octámero de histonas (x2 H2A, H2B, H3, H4). 35  2º nivel de compactación del DNA: NUCLEOSOMA Histonas: son las proteínas mas abundantes de la cromatina. Pequeñas proteínas de carga positiva neta (Arg, Lys). N‐terminal: susceptible de sufrir modificaciones covalentes → control de la estructura de la cromatina y función 36  3er nivel de compactación del DNA: SOLENOIDE Solenoide: enrollamiento de 6 nucleosomas alrededor de un hexámero de H1. Los nucleosomas se orientan perpendicularmente con respecto al eje de la fibra con la histona H1 distribuida internamente. Grado de compactación del DNA en Interfase. Solenoide (30nm) Nucleosomas (10nm) 37 4º y 5º nivel de compactación del DNA: BUCLES y CROMOSOMAS Bucles: bucles de fibras de 30nm, cada uno fijado en su base por proteínas. Promedio: 20,000‐100,000 bp con aprox. 300 nm de diámetro. Los bucles se empaquetan, pliegan y se enrollan helicoidalmente lo que produce a su vez la estructura que aparece en metafase: cromátidas individuales de alrededor de 700 nm de ancho. Empaquetamiento ADN 38