miércoles, 15 de febrero de 2017

El núcleo y el transporte en su interior



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El núcleo está separado del citoplasma por una doble membrana que forma la envoltura nuclear. Al igual que la membrana plasmática que rodea las células, cada membrana nuclear consiste en una bicapa fosfolipídica y diversas proteínas asociadas. En realidad, la doble membrana es una sola membrana que se dobla sobre sí misma. Es decir, la doble membrana es continua.

Nucleo celular y biologia

El transporte de macromoléculas fuera del núcleo y el transporte de todas las proteínas nucleares traducidas en el citoplasma hacia el núcleo ocurre a través de los poros nucleares en un proceso que difiere fundamentalmente del transporte de moléculas pequeñas e iones a través de otras membranas celulares.

En una célula, el tráfico de proteínas puede tener lugar por dos vías. La vía que siguen las proteínas que se sintetizan por completo en el citosol. Estas proteínas tienen una señal (péptido señal) que permite su movimiento hacia un determinado orgánulo, posteriormente a su síntesis (mitocondrias, cloroplastos, peroxisomas o núcleo). Si no tienen péptido señal se quedan en el citosol. Las vías 3, 4, 5 y 6 presentan grandes diferencias entre sí.

Y la vía que siguen las proteínas que en cuanto comienza su síntesis los ribosomas que las están traduciendo se asocian al RE. Las proteínas sintetizadas según esta vía son las que van a formar parte del propio retículo, del aparato de Golgi, de los lisosomas, de la membrana plasmática y de la membrana de los orgánulos mencionados. Las proteínas que siguen esta vía también son las que posteriormente se pueden exportar.

- El poro nuclear


Numerosos poros perforan la envoltura nuclear en todas las células eucariontes (3.000 por término medio). Cada poro nuclear está formado por una estructura elaborada denominada complejo del poro nuclear (NPC), el cual es inmenso para los estándares moleculares (~125 millones de daltons en los vertebrados, o unas 16 veces más grande que un ribosoma). Cada complejo de poro nuclear constituye, probablemente, uno de los mayores agrupamientos proteicos en una célula.

El NPC está constituido por múltiples copias de unas 30 proteínas diferentes denominadas nucleoporinas. Cada poro nuclear tiene unos 145 nm de diámetro y 80 nm de profundidad en vertebrados. Por lo tanto, es evidente pensar que supera el diámetro de una doble capa lipídica (2 x 4 – 5 nm = 8 – 10 nm φ) lo cual nos indica que los poros nucleares sobresalen por fuera y por dentro de la doble bicapa.

Las fotografías electrónicas de los complejos del poro nuclear revelan una estructura aproximadamente octogonal inmersa en la envoltura de la cual se extienden ocho filamentos de ~100 nm de largo hacia el nucleoplasma. Los extremos distales de estos filamentos están unidos por el anillo terminal y forman una estructura denominada cesta o jaula nuclear.

A modo general, existen tres tipos de nucleoporinas: transmembranas (GP210 y POM121), estructurales (forman los anillos del poro nuclear) y filamentosas (hacia el citoplasma y hacia el interior del núcleo, éstas últimas forman la cesta nuclear). La mayoría de las nucleoporinas filamentosas tienen en común que en su secuencia aminoacídica poseen muchas repeticiones de glicina (G) y fenilalanina (F) (hidrofóbicos), por eso se les suele denominar nucleoporinas FG.

Cuando durante la división celular se desorganiza el núcleo hay algunas proteínas del poro nuclear que permanecen juntas. Entonces, el posterior ensamblaje de cada NPC es más rápido. Esto se denomina estructura modular, cada poro nuclear está constituido por varios módulos, lo cual hace más fácil el ensamblaje.

Todas las proteínas que entran y salen del núcleo tienen que interaccionar con las anteriormente mencionadas nucleoporinas filamentosas.

Todas las proteínas que están en el interior del núcleo se sintetizan en el citosol. Además, las proteínas que están en el interior del núcleo entran al mismo en su estructura nativa, totalmente plegadas. Hablamos pues de la importación de las proteínas al núcleo. En cambio, las proteínas que van a otros orgánulos, como las proteínas que van a las mitocondrias o cloroplastos, aunque también se sintetizan en el citosol tienen que desplegarse para poder entrar dentro del orgánulo en cuestión. Hablaremos entonces de translocación de proteínas.

Diferenciaremos, pues, entre importación y translocación. A través de cada poro nuclear pueden difundir libremente iones, pequeños metabolitos y proteínas globulares de hasta unos 40 kDa. Fisiológicamente, los grandes complejos proteicos sí pueden difundir hacia dentro/fuera del núcleo libremente, pero esto no ocurre.

Esto es así porque existe una fuerte regulación, los grandes complejos proteicos son transportados selectivamente por proteínas transportadoras solubles capaces de interactuar con ciertas nucleoporinas (transporte activo regulado).

- Las importinas


Todas las proteínas halladas en el núcleo son sintetizadas en el citoplasma y se transportan hacia el núcleo a través de complejos de poro nuclear. Estas proteínas contienen una señal de localización nuclear (NLS) que dirige su transporte selectivo hacia el núcleo.

Esta señal de localización nuclear se localiza en el extremo C – terminal (o muy cerca del mismo) y está compuesta por los siguientes aminoácidos: Pro – Lys – Lys – Lys – Arg – Lys – Val (naturaleza básica). No obstante, esta secuencia es la primera que se describió y existen otras que son químicamente diferentes. Por ejemplo, encontramos NLS hidrófobas. Por lo tanto, hay variedad en cuanto al tipo de secuencia que conduce a las proteínas al núcleo.


+ Tipo de nucleoporinas


Existen tres tipos distintos de nucleoporinas:

. Nucleoporinas estructurales

Forman paredes del cilindro que constituye el poro.

. Nucleoporinas transmembrana

Son las únicas proteínas que interrumpen la continuidad de la doble membrana nuclear. Las más importantes son GP210 y POM121. Son las únicas proteínas del complejo del poro nuclear que se unen a la bicapa.

. Nucleoporinas controladoras del tránsito (filamentosas)

Se caracterizan por tener repeticiones de aminoácidos muy hidrofóbicos (Fenilalanina y Glicina = FG). La más importante es la NUP358.

- Transporte al interior del núcleo


Durante la investigación en el transporte al núcleo, un sistema celular permeabilizado con digitonina proveyó un experimento in vitro para analizar los componentes citosólicos solubles necesarios para la incorporación nuclear. Utilizando este sistema de experimentación se purificaron 4 proteínas esenciales para el transporte: Ran, factor de transporte nuclear 2 (NTF2), importina α e importina β.

La Ran es una proteína G soluble y monomérica que no asociada a ninguna membrana que tiene dos conformaciones, una cuando forma un complejo con el GTP y una alternativa cuando el GTP se hidroliza a GDP. Las importina alfa y beta forman un heterodímero, el cual actúa como receptor de incorporación (importación) nuclear.

La subunidad α se une a una NLS básica en una proteína “carga” que va ser transportada al núcleo, y la subunidad β interactúa con una clase de nucleoporinas denominada nucleoporinas FG.

Las importinas son proteínas que reconocen “algo” (NSL) en un lugar y lo transportan a otro, por ello también reciben el nombre de lanzaderas. Hace poco se descubrió que varios homólogos de las importinas β participan en la incorporación de proteínas con otras clases de NLS. Estas importinas interactúan directamente con sus NLS afines sin necesidad de una proteína adaptadora como la importina α.

+ Proceso de transporte


La importina que está libre en el citoplasma forma complejo con su NLS, lo que se conoce como “carga”. Esta carga se transporta por el canal NPC a medida que la importina se une transitoriamente a repeticiones FG individuales sucesivas en las nucleoporinas FG que revisten el canal.

Se cree que las repeticiones FG actúan como “escalones” a medida que el complejo carga se difunde desde una nucleoporina FG a otra en su propio camino a través del canal mediante un proceso que no requiere un aporte directo de energía de la hidrólisis de ATP u otro mecanismo.

Se cree también que las repeticiones FG hidrófobas se presentan en regiones de cadenas polipeptídicas hidrófilas extendidas que llenan el canal transportador central. Se propuso que las cadenas extendidas forman un entramado de cadenas hidrófilas asociadas a través de interacciones hidrófobas entre las repeticiones FG.

Cuando esta carga alcanza el nucleoplasma, la importina se una al complejo Ran·GTP, provocando un cambio de forma en la importina, lo que disminuye su afinidad por la NLS y liberando la carga en el nucleoplasma.

La importina unida al Ran·GTP vuelve fuera a través del NPC, de nuevo gracias a las repeticiones FG. Una vez fuera, de vuelta en el citoplasma, la Ran interactúa con una proteína GAP específica, la cual forma parte de los filamentos citoplasmáticos NPC.

Esto estimula a la proteína Ran, quien hidroliza el GTP, adoptando una conformación con baja afinidad por la importina, liberando la importina hacia el citoplasma, donde puede participar en otro ciclo de incorporación.

La Ran vuelve al núcleo a través del NTF2, un dímero que se une específicamente al complejo Ran·GDP y que se une las repeticiones FG. Como resultado, el complejo NTF2 – Ran·GDP se mueve por el poro nuclear a través de las FG hasta el núcleo.

Cuando este complejo llega al núcleo, se une a un factor de intercambio de nucleótido de guanina (Ran·GEF) que hace que la Ran se separe del GDP unido y se vuelva a unir el GTP. El cambio conformacional que ocurre en la Ran baja su afinidad por la NTF2, quedando libre de nuevo la Ran·GTP en el núcleo.

Las proteínas GEF (también llamada RCC1) y GAP posibilitan que Ran·GTP esté más concentrada en el nucleoplasma que en el citosol y que la importina esté más concentrada en el citosol que en el nucleoplasma, respectivamente.

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Artículo redactado por Pablo Rodríguez Ortíz, estudiante de Biología en la Universidad de Málaga.