Estructura y función del núcleo y los ribosomas de la célula. Cómo trabajan en conjunto para producir proteínas.

Introducción

Imagina que tienes una información extremadamente valiosa. Imaginemos que se trata de un plano. De hecho, no es solo un plano para una casa o un auto, ni siquiera para un avión de combate ultra secreto. Es el plano para un organismo entero –tú– y no solo especifica cómo construirte, sino que también proporciona información que le permite a cada célula de tu cuerpo mantener su funcionamiento en todo momento.
¿Suena importante, verdad? Probablemente querrías mantener esa valiosa información en un lugar seguro, quizá en una bóveda protegida donde puedas vigilarla. De hecho, eso es exactamente lo que las células eucariontes hacen con su material genético, lo guardan en un depósito rodeado de membrana llamada núcleo.
El ADN eucariota nunca deja el núcleo, sino que se transcribe (copia) en moléculas de ARN que pueden salir de él. En el citosol, algunos ARN se asocian con estructuras llamadas ribosomas y dirigen la síntesis de proteínas. (Otros ARN tienen otras funciones en la célula, ya sea como componentes estructurales del ribosoma o en el control de la actividad génica). Aquí veremos con más detalle la estructura del núcleo y los ribosomas.
La mayoría de las células tienen un solo núcleo, pero algunos tipos celulares son la excepción. Por ejemplo, las células del músculo esquelético que conforman un músculo del bíceps o del cuadríceps, son multinucleadas (tienen varios núcleos).
¿Cómo obtuvieron todos esos núcleos? Durante el desarrollo, varias células precursoras se fusionaron entre ellas para formar una sola célula muscular. Cada una contribuyó con un núcleo, por lo que la célula final tiene varios de ellos.

El núcleo

El núcleo (en plural núcleos) alberga el material genético de la célula, el ADN, y es también el lugar donde se producen los ribosomas, las máquinas celulares que sintetizan proteínas. Dentro del núcleo, la cromatina (el ADN envuelto en proteínas que se describe más adelante) es almacenada en una sustancia gelatinosa llamada nucleoplasma.
La envoltura nuclear rodea al nucleoplasma y está compuesta de dos capas de membrana: una externa y otra interna. Cada una de estas membranas tiene dos capas de fosfolípidos organizadas con sus colas apuntando hacia el centro (formando una bicapa de fosfolípidos). Existe un pequeño espacio entre las dos capas de la envoltura nuclear, el cual está conectado de manera directa con otro orgánulo membranoso, el retículo endoplásmico.
Los poros nucleares son pequeños canales que atraviesan la envoltura nuclear y permiten la entrada y salida de sustancias. Cada poro esta recubierto por un conjunto de proteínas, llamado complejo de poro nuclear, que controla qué moléculas pueden entrar o salir.
Si miras una microscopía del núcleo, notarás, según el tipo de tinción que se haya utilizado para visualizar la célula, que hay una mancha oscura dentro de él. Esta región oscura es el nucléolo y es el sitio donde se ensamblan los ribosomas nuevos.
Diagrama de las partes del núcleo de una célula eucariota.
Crédito de la imagen: OpenStax Biología
¿Cómo se produce un ribosoma? Algunos cromosomas tienen secciones de ADN que codifican para ARN ribosomal, un tipo estructural de ARN que se combina con proteínas para crear un ribosoma. En el nucléolo, el ARN ribosomal nuevo se une con proteínas para formar las subunidades del ribosoma. Las unidades recién hechas son transportadas a través de los poros nucleares hacia el citoplasma, donde pueden hacer su trabajo.
Algunos tipos de células tienen más de un nucléolo dentro del núcleo. Por ejemplo, algunas células de ratón tienen hasta 66 nucléolos1^1. Los procariontes, que carecen de núcleo, tampoco tienen nucléolos y sus ribosomas se ensamblan en el citosol.
En el cáncer, las células se dividen de manera excesiva y descontrolada, produciendo un tumor. Se ha observado un aumento en el tamaño y la actividad del nucléolo en muchos tumores cancerosos, y los nucléolos grandes en células tumorales se correlacionan con un peor pronóstico (un cáncer más agresivo y difícil de erradicar). El mayor tamaño de los nucléolos de las células cancerosas podría ayudar a mantener su rápida tasa de división2,3^{2,3}.

Cromosomas y ADN

Ahora que ya tenemos una idea de la estructura del núcleo, veamos con más detalle la información genética que guarda: el ADN. La mayoría del ADN de un organismo está organizado en uno o más cromosomas, cada uno de los cuales es una cadena muy larga o un aro de ADN. Un solo cromosoma puede tener muchos genes diferentes.
En los procariontes, el ADN normalmente está organizado en un solo cromosoma circular (un aro). En cambio, en los eucariontes, los cromosomas son estructuras lineales (cadenas). Cada especie eucariota tiene un número específico de cromosomas en los núcleos de las células de su cuerpo. Por ejemplo, una típica célula del cuerpo humano tiene 4646 cromosmas, mientras que la de una mosca de la fruta tiene 88.
Los cromosomas solo son visibles como estructuras distintivas cuando la célula está lista para dividirse. Cuando la célula se encuentra en las fases de crecimiento y mantenimiento de su ciclo de vida, los cromosomas parecen más bien un montón de hilos enredados. En esta forma, el ADN está accesible para las enzimas que lo transcriben a ARN, lo que permite que se use la información genética que contiene (se exprese).
Ya sea en su forma suelta o compacta, las cadenas de ADN de los cromosomas están unidas a proteínas estructurales, entre ellas una familia de proteínas llamadas histonas (ve la imagen siguiente). Estas proteínas asociadas al ADN lo organizan y compactan para que pueda caber en el núcleo, y también ayudan a determinar qué genes están activos o inactivos. El complejo formado por el ADN y sus proteínas estructurales de soporte se denomina cromatina. Aprende más acerca del ADN, la cromatina y los cromosomas en el artículo sobre ADN y cromosomas.
Izquierda: imagen de un cromosoma, que muestra cómo está compuesto de ADN enrollado alrededor de las histonas y luego dispuesto en bucles y otras estructuras de orden superior. Derecha: micrografía de cromosomas coloreados artificialmente y reorganizados.
Crédito de la imagen: OpenStax Biología. La imagen a la derecha es una modificación de una obra del NIH; datos de escala de Matt Russell
Para darte una idea de lo importante que es empaquetar el ADN, piensa que el ADN de una célula humana típica mediría alrededor de 22 metros de largo si pudiera extenderse en una línea recta. Esos 22 metros de ADN entran en un pequeño núcleo cuyo diámetro es de apenas 0.0060.006 mm. ¡Eso es una proeza "geométricamente equivalente a meter 4040 km (2424 millas) de un hilo extremadamente fino en una pelota de tenis"!4^4.

Ribosomas

Como se mencionó anteriormente, los ribosomas son las máquinas moleculares responsables de la síntesis de proteínas. Un ribosoma está conformado por ARN y proteínas; cada ribosoma consiste de dos complejos separados, conocidos como subunidades grande y pequeña. La subnunidad grande se encuentra encima de la pequeña, con una cadena de ARN comprimida entre ambas. (Un ribosoma se parece un poco a una hamburguesa con un bollo grande arriba y un trozo de tocino saliendo de cada lado).
En los eucariontes, los ribosomas obtienen sus órdenes para sintetizar proteínas del núcleo, donde se transcriben segmentos del ADN (genes) para producir ARN mensajero (ARNm). Un ARNm viaja hacia el ribosoma y este usa la información del transcrito para sintetizar una proteína con una secuencia de aminoácidos específica. A este proceso se le conoce como traducción. Los procariontes carecen de núcleo, por lo que sus ARNm se transcriben en el citoplasma y pueden ser traducidos de manera inmediata por los ribosomas.
Imagen de un ribosoma con las subunidades pequeña y grande, con un ARNm unido y una cadena de polipéptido en producción. Se muestra una molécula de ARNt que se une al ARNm y coloca en posición el aminoácido apropiado para su incorporación a la cadena.
Crédito de la imagen: OpenStax Biología
Los ribosomas eucariontes pueden estar libres, es decir, que flotan en el citoplasma, o adheridos al retículo endoplásmico o a la parte exterior de la envoltura nuclear. (En el primer diagrama de este artículo, los puntos rojos representan a los ribosomas adheridos; el retículo endoplásmico con ribosomas adheridos se conoce como retículo endoplásmico rugoso).
Debido a que la síntesis de proteínas es una función esencial de todas las células, los ribosomas se encuentran en prácticamente cualquier tipo de célula de los organismos multicelulares, así como en los procariontes como las bacterias. Sin embargo, las células eucariontes que se especializan en la producción de proteínas tienen números particularmente grandes de ribosomas. Por ejemplo, el páncreas es responsable de producir y secretar grandes cantidades de enzimas digestivas, por lo que las células pancreáticas que hacen estas enzimas tienen un número inusualmente elevado de ribosomas.
Dato curioso final: como un testimonio a la importancia que tiene el ribosoma, se otorgó el premio Nobel de química de 2009 a tres investigadores que mapearon su estructura y movimientos hasta el nivel de sus átomos individuales por medio de una técnica llamada cristalografía de rayos X5^5.

Créditos:

Este artículo es un derivado modificado de “Eukaryotic cells (Células eucariontes),” escrito de OpenStax College, Biología(CC BY 3.0). Descarga gratis el artículo original en http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9,85:18/Biology.
El artículo modificado está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

Referencias citadas:

  1. Shea, J. R. and Leblond, C. P. (2005). Number of nucleoli in various cell types of the mouse (Número de nucléolos en varios tipos de células de ratón). Journal of Morphology, 119(4), 425-433. http://dx.doi.org/10.1002/jmor.1051190404.
  2. Derenzini, M., Montanaro, L. y Treré, D. (2008). What the nucleolus says to a tumour pathologist (Lo que le dicen los nucléolos a un patólogo de tumores). Histopathology, 54(6), 753-762. http://dx.doi.org/10.1111/j.1365-2559.2008.03168.x.
  3. Montanaro, L., Treré, D. y Derenzini, M. (2008). Nucleolus, ribosomes, and cancer (Nucléolo, ribosomas y cáncer). Am. J. Pathol., 173(2), 301-310. http://dx.doi.org/10.2353/ajpath.2008.070752.
  4. Alberts, B. Johnson, A., Lewis, J., Raff, M. Roberts, K. y Walter, P. (2002). Chromosomal DNA and its packaging in the chromatin fiber (El ADN cromosómico y su empaquetado en fibras de cromatina). En Molecular biology of the cell (Biología molecular de la célula) (4a ed.). Nueva York, NY: Garland Science. Tomado de http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26834/.
  5. The Nobel prize in chemistry 2009 - Press release (El premio Nobel de química 2009, comunicado de prensa). (2014). En Nobelprize.org. Tomado de http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2009/press.html.

Referencias complementarias:

Chromosome (Cromosoma). (29 de julio, 2015). Tomado de Wikipedia el 10 de agosto, 2015: https://en.wikipedia.org/wiki/Chromosome.
Cooper, G. M. and Husman, R. E. (2004). Protein sorting and transport (Separación y transporte de proteínas). En The cell: a molecular approach (3a ed., págs. 355-97). Washington, D.C.: ASM Press.
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