1. Características generales del núcleo

Orgánulo membranoso característico de las células eucariotas que encierra el material genético (ADN) y lo separa del resto de componentes del citoplasma. Permite procesos de compartimentalización del material genético, así como la síntesis y el procesamiento del ARN. Interviene en el desarrollo y división celular y en el control de la organización, la diferenciación y la especialización.

Número

La mayoría de las células eucariotas presentan un solo núcleo, pero algunas, como ciertas células hepáticas y algunos protistas, pueden presentar más de uno: sincitios (proceden de la fusión de varias células mononucleadas) o células multinucleadas que se originan por endomitosis sucesivas.

Forma

Tiene morfología variable, aunque predomina la forma esférica u ovalada.

Localización

Generalmente se localiza en el centro de la célula; en muchas células vegetales suele situarse en la periferia.

Tamaño del núcleo

El tamaño del núcleo es relativamente constante en una célula determinada, pero depende de la función de cada célula y de su estado fisiológico.

2. Estructura y composición del núcleo

La estructura y composición del núcleo depende del ciclo celular. Se distingue el núcleo interfásico y el núcleo mitótico.

2.1 Núcleo interfásico

Se compone de: envoltura nuclear, cromatina, nucleolo y nucleoplasma.

Envoltura nuclear

Está compuesta por una doble membrana (membrana externa, que se continúa con la membrana del retículo endoplásmico rugoso, y membrana interna), separadas por un espacio perinuclear de aproximadamente 20–40 nm.

Los poros nucleares son complejos proteicos con una estructura octogonal formada por múltiples subunidades. Se localizan en la envoltura nuclear y permiten el transporte e intercambio de grandes moléculas entre el núcleo y el citoplasma. Además, existen proteínas nucleares, como las importinas y exportinas, que median el transporte via receptores desde el núcleo al citoplasma y viceversa.

La lámina nuclear se encuentra adyacente a la membrana nuclear interna y forma una red proteica que da soporte a la cromatina, regula la envoltura nuclear y contribuye a la organización nuclear.

Cromatina

La cromatina está compuesta por ADN y proteínas histonas (proteínas básicas).

Estructura

La unidad básica de la cromatina es el nucleosoma. La cromatina presenta las siguientes estructuras:

• Fibra elemental de ~10 nm: cada fibra está formada por complejos nucleosomales, cada uno constituido por un octámero de histonas (H2A, H2B, H3 y H4) alrededor del cual se enrollan ~2 vueltas de ADN (~146 pares de bases).
• Los nucleosomas están unidos por ADN internucleosomal o espaciador (~54 pb), de modo que cada nucleosoma con su espaciador ocupa ~200 pb.
• La histona H1 se asocia al complejo nucleosomal y al ADN espaciador; ayuda al plegamiento helicoidal de la fibra elemental para formar la fibra de 30 nm o solenoide.

Las histonas son proteínas de baja masa molecular con una elevada proporción de aminoácidos básicos (lisina y arginina). Hay cinco tipos principales: H2A, H2B, H3, H4 (forman el octámero nucleosomal) y H1 (enlace).

Las fibras complejas se pliegan para formar bucles radiales (~300 nm), que a su vez se enrollan y compactan en estructuras de mayor nivel (por ejemplo la fibra de ~700 nm) para formar cromosomas metafásicos.

Tipos de heterocromatina:

• Heterocromatina constitutiva: condensada durante todo el ciclo celular; contiene ADN redundante y no se transcribe normalmente.
• Heterocromatina facultativa: su condensación depende del estado de desarrollo y puede inactivar conjuntos de genes durante la diferenciación celular.

Nucleolo

El nucleolo es una estructura esférica cuya función principal es la síntesis y el ensamblaje de las subunidades ribosómicas. Está compuesto por proteínas y ácidos nucleicos (ADN y ARN). En el nucleolo se transcriben los genes ribosomales, se ensamblan ARN y proteínas ribosómicas para formar las subunidades ribosómicas y, posteriormente, dichas subunidades (grande y pequeña) salen al citoplasma.

Nucleoplasma

También llamado carioplasma, es el medio interno acuoso que contiene proteínas, principalmente enzimas relacionadas con el metabolismo del ADN y del ARN. Es frecuente la presencia de una trama de soporte (lámina nuclear) que sustenta la cromatina. En el nucleoplasma se produce la replicación del ADN nuclear y la síntesis de moléculas de ARN.

2.2 Núcleo mitótico

En el núcleo mitótico la cromatina alcanza su mayor grado de compactación y se forman los cromosomas.

El número y tamaño de los cromosomas depende de la especie: haploides (n cromosomas), diploides (dos copias de cada cromosoma, 2n) y poliploides (más de dos copias).

Estructura de los cromosomas

Los cromosomas representan el grado más elevado de empaquetamiento del ADN y la cromatina en la célula. Cada cromosoma está constituido por dos cromátidas hermanas unidas por el centrómero. En los cromosomas metafásicos, la organización incluye dominios en forma de bucles radiales altamente compactados.

Elementos cromosómicos:

• Centrómero: también denominado constricción primaria; incluye el cinetocoro, estructura esencial para la unión de microtúbulos.
• Telómeros: extremos de las cromátidas que evitan la pérdida de información genética.
• Satélites: regiones esféricas separadas por constricciones secundarias; intervienen en la organización del nucleolo durante la telofase.

Cariotipo: conjunto de rasgos característicos de los cromosomas de una especie (número, tamaño, forma, posibles alteraciones, etc.), que representa la dotación cromosómica de un individuo.

1. El ciclo celular

Periodo de crecimiento, desarrollo y división que tiene lugar durante la vida de una célula. Se divide en dos etapas: división e interfase.

División

Proceso por el cual una célula se divide en dos o más células hijas. Consta de dos procesos: mitosis (división nuclear) y citocinesis (división del citoplasma).

Interfase

Periodo que transcurre entre dos divisiones sucesivas. Se compone de fase G1, fase S (síntesis) y fase G2.

Fase G1

Corresponde al final de la última división y al comienzo de la fase S. Se llevan a cabo procesos de biosíntesis de proteínas y material celular, además de la reparación del ADN. Algunos tipos celulares permanecen en fase G0 (cuando una célula no se divide).

Fase S (síntesis)

Síntesis de histonas y replicación del ADN.

Fase G2

Preparación para la división: se realizan biosíntesis de moléculas y el ADN ya duplicado comienza a condensarse, de modo que los cromosomas se hacen visibles.

1.1 Control del ciclo celular

La progresión del ciclo celular está regulada por una maquinaria enzimática y puntos de control:

• Regulación enzimática: punto de restricción entre G1 y S regulado por proteínas cíclicas (ciclinas) y quinasas dependientes de ciclinas (CDK). La unión ciclina-CDK activa la actividad quinasa y permite la progresión del ciclo.
• Factores de crecimiento: estimulan la entrada en fase S y la progresión del ciclo.
• Otros factores: duración del ciclo influida por tamaño celular, temperatura, edad, entre otros.

Apoptosis o muerte celular programada: mecanismo por el que células dañadas o envejecidas son eliminadas para mantener el funcionamiento del organismo. La apoptosis implica una serie de reacciones que llevan a la destrucción ordenada de las estructuras celulares; las células apoptóticas suelen ser eliminadas por fagocitosis. Fallos en la apoptosis pueden producir patologías autoinmunes, degeneración de tejidos, cáncer, etc.

2. División mitótica

La división mitótica es el proceso por el cual una célula eucariota se divide y da lugar a dos células hijas con la misma dotación genética que la célula madre.

2.1 Mitosis

Se produce la división del núcleo. La información genética previamente replicada se reparte entre los dos núcleos hijos, para lo cual es imprescindible la acción de los microtúbulos del citoesqueleto. Existen dos modalidades:

• Mitosis abierta: desaparece la membrana nuclear.
• Mitosis cerrada: no desaparece la membrana nuclear (ej. algunos hongos y protistas).

Se distinguen las fases: profase, prometafase, metafase, anafase y telofase, seguidas de la citocinesis (división del citoplasma).

Profase

Es el final de la interfase. Se produce la duplicación del par de centriolos y la reorganización del citoesqueleto iniciada en G2. Las cromátidas están unidas por el centrómero. Cambios observables:

• Condensación de la cromatina, de modo que los cromosomas se van haciendo visibles.
• Migración de los cromosomas hacia la periferia nuclear.
• Desaparición progresiva del nucleolo.
• Comienzo del huso mitótico (cada par de centriolos polimeriza microtúbulos polares).
• Desaparición de la membrana nuclear (en mitosis abierta).

Prometafase

Unión de los microtúbulos cinetocóricos a los cinetocoros de los cromosomas. Cada cromátida de cada cromosoma queda conectada, a través de microtúbulos, a uno de los polos del huso.

Metafase

Los cromosomas se disponen en el plano ecuatorial del huso mitótico; las cromátidas hermanas de cada cromosoma están orientadas hacia polos opuestos.

El huso mitótico está constituido por microtúbulos polares y microtúbulos cinetocóricos.

Anafase

Separación de las cromátidas hermanas (que pasan a constituir cromosomas independientes) y migración hacia polos opuestos por acortamiento de los microtúbulos cinetocóricos. Los microtúbulos polares se alargan y comienza a depositarse material denso en el ecuador del huso.

Telofase

Fase final de la mitosis caracterizada por:

• Los cromosomas hijos alcanzan los polos.
• Desaparición progresiva del huso mitótico.
• Descondensación de los cromosomas.
• Reformación de la envoltura nuclear y reaparición del nucleolo.
• Formación de los núcleos hijos.

2.2 Citocinesis

Se produce la división del citoplasma, que se inicia al final de la telofase. Se reparten los orgánulos y el contenido citoplasmático. En la zona ecuatorial se forma el surco de división:

• Células animales: la formación del surco implica la contracción de un anillo contráctil de actina y miosina.
• Células vegetales: se forma un tabique o fragmoplasto a partir de vesículas del aparato de Golgi que se fusionan y se integran en la pared celular, originando la nueva pared divisoria.

3. División meiótica

La división meiótica es el proceso por el cual un núcleo diploide da lugar a cuatro núcleos haploides. En individuos diploides es necesaria para la formación de gametos. Consta de dos divisiones sucesivas:

• Primera división meiótica o división reduccional: emparejamiento y separación de cromosomas homólogos.
• Segunda división meiótica: reparto de cromátidas hermanas.

3.1 Primera división meiótica (división reduccional)

Consta de cinco fases; es la más larga y compleja:

Profase I (fase más duradera y compleja) y sus subfases:

• Preleptoteno: se produce la duplicación del ADN (fase S). Los cromosomas no son todavía visibles.
• Leptoteno: los cromosomas homólogos inician la condensación y se asocian a la membrana nuclear a través de placas de unión; las cromátidas de cada cromosoma quedan claramente definidas.
• Zigoteno: los cromosomas homólogos se aproximan y en la zona de contacto se forma el complejo sinaptonémico. Cada pareja de cromosomas forma un bivalente (también llamado tétrada, que contiene cuatro cromátidas).
• Paquiteno: se produce el entrecruzamiento (crossing-over) entre cromátidas no hermanas a través de nódulos de recombinación; este proceso implica roturas y reparaciones de la doble hélice que permiten el intercambio génico.
• Diploteno: los cromosomas homólogos permanecen unidos por los quiasmas (sitios de entrecruzamiento); desaparece el complejo sinaptonémico.
• Diacinesis: los cromosomas alcanzan su máximo grado de empaquetamiento; los quiasmas se terminalizan y comienza a desaparecer la membrana nuclear y el nucleolo.

Prometafase I

Se completa la desaparición de la membrana nuclear y del nucleolo. Los bivalentes están totalmente condensados y orientados; los microtúbulos cinetocóricos se unen a los cinetocoros.

Metafase I: los bivalentes se disponen en el plano ecuatorial.

Anafase I: separación de los bivalentes; cada cromosoma del par homólogo (con sus dos cromátidas) migra a un polo de la célula.

Telofase I: formación de dos núcleos hijos con dotación cromosómica n. Reaparecen el nucleolo y la membrana nuclear; se produce citocinesis sin una fase S intermedia.

En la meiosis I los microtúbulos separan cromosomas homólogos, no cromátidas hermanas. Al final de la meiosis I se obtienen dos núcleos hijos n con cromosomas distintos a los de la célula madre.

3.2 Segunda división meiótica

Cada núcleo hijo resultante de la meiosis I contiene uno de los cromosomas de cada par de homólogos. La meiosis II es equivalente a una división mitótica: se separan las cromátidas hermanas, dando lugar a cuatro células haploides.

Fases: profase II, prometafase II, metafase II, anafase II y telofase II.

Diferencias entre mitosis y meiosis

Mitosis:

• Resultado: 1 célula diploide (2n) → 2 células diploides (2n).
• Reparto equitativo e idéntico de la información genética (genera clones).
• Función: crecimiento, desarrollo y reparación de tejidos.

Meiosis:

• Resultado: 1 célula diploide (2n) → 4 células haploides (n).
• Reducción cromosómica y recombinación genética.
• Reestructuración de la información genética (crea nuevos genotipos), aumentando la variabilidad genética y la posibilidad de adaptación.
• Función: generación de gametos para la reproducción sexual.

4. La meiosis y la reproducción sexual

Organismos con reproducción asexual se desarrollan por mitosis; en ellos la variabilidad genética y la capacidad de adaptación evolutiva son limitadas.

Organismos con reproducción sexual generan gametos haploides por meiosis. La fusión de gametos (fecundación) genera un cigoto diploide con una combinación genética distinta a la de los progenitores (variabilidad genética), debida al reparto diferencial de cromosomas durante la meiosis I y al intercambio genético en la profase I.

5. Ciclos biológicos

La meiosis y la reproducción sexual pueden integrarse en distintos ciclos biológicos del organismo:

• Ciclo diplonte: el individuo es diploide, excepto los gametos que son haploides; la mayor parte del ciclo biológico es diploide.
• Ciclo haplonte: el individuo es haploide, excepto el cigoto que es diploide; la mayor parte del ciclo biológico es haploide.
• Ciclo haplodiplonte: alternancia de generaciones haploides y diploides. La meiosis origina esporas haploides que dan lugar a un individuo haploide; la formación de gametos y la fecundación originan un cigoto diploide.