Con frecuencia se compara el cerebro a una computadora central, que guarda información en forma de memorias y que con ella organiza todas nuestras actividades. Lo mismo puede decirse del núcleo de la célula, que se encuentra ubicado en el centro de la misma. Igual que una computadora, o que un cerebro, el núcleo está constantemente enviando complicadas órdenes basadas en el almacenamiento de la información. Desde allí nacen las órdenes para todo lo que tiene que hacer la célula: dividirse, ordenar la formación de una proteína, fabricar algún producto, madurar, envejecer, e incluso morirse. Ellas emanan de la enorme información genética que almacena en su interior.

El núcleo es un saco membranoso que guarda la información en una larga molécula llamada ácido desoxirribonucleico. Trozos de ella constituyen los genes. Además el núcleo contiene una compleja maquinaria necesaria para mantener, reparar, replicar y leer las unidades (los genes), minimizando así los errores. En el centro del núcleo se encuentra una pequeña estructura llamada "nucléolo", dedicado a la producción de ribosomas, que son futuras fabricas de proteínas de las células (Figura 1). Es en este lugar donde nacen los "ribosomas", que posteriormente son transportados al citoplasma, para que allí fabriquen las proteínas que ordenan los genes.


El núcleo hace la diferencia

Existen células más primitivas que no tienen núcleo (células "procarióticas"), que son propias de los seres unicelulares, como son las bacterias. Las células de los organismos multicelulares, en cambio, tienen núcleo (salvo los glóbulos rojos), y se han llamado células "eucarióticas". El núcleo de estas últimas tiene una envoltura, que no sólo la limita del citoplasma (citosoma), sino que además controla el flujo de sustancias que entran y salen de él. Su envoltura al mismo tiempo, impide que el DNA se enrede en las fibras proteicas que contiene el citoplasma.

La envoltura del núcleo consta de dos membranas. La cara externa (membrana externa), se continua con el retículo endoplásmico rugoso del citoplasma, que corresponde a una red de túneles a través de los cuales los materiales son repartidos por todo el citoplasma. La cara interna de la membrana (membrana interna) mantiene su forma por una resistente red proteica, "la lámina nuclear", que sostiene esta envoltura y une a los guardadores del DNA, que se llaman "cromosomas". Cuando las células se dividen para formar dos nuevas células, las membranas nucleares y la lámina nuclear, se separan en segmentos para permitir la formación de una serie de fibras. Estas guían a los cromosomas que se han duplicado hacia las dos nuevas células. Cuando la división celular se ha completado, la membrana nuclear se vuelve a formar en cada una de las nuevas células.

Al igual que en una antigua ciudad amurallada, la entrada y salida del núcleo está controlada por varios "portones" que son muy selectivos. Ellos son los "poros nucleares". La membrana del núcleo de una célula promedio de un mamífero, cuenta aproximadamente con 3000 poros. Estos aumentan sustancialmente durante el proceso de síntesis proteica, con el objeto de adaptarse al incremento del tráfico de entrada y salida del núcleo, lo que ocurre durante este proceso.

Cada poro está taponado por una estructura conocida como "complejo nuclear poroso". Investigaciones de los últimos años, han permitido configurar esta elaborada estructura (fig.3). Imágenes tomadas con el microscopio electrónico muestran que el complejo del poro nuclear consiste de un "tapón de hoyo", a través del cual viajan las moléculas envueltas por una "capa" proteica. Pegados a la capa, existen largos filamentos que sobresalen dentro del núcleo y del citoplasma. Las sustancias pasan a través del interior del tapón de hoyo, que es esencialmente un canal acuoso, que se puede expandir masivamente para permitir el total doblamiento y ensamblaje de moléculas como proteínas, que pasan a través de él. Moléculas pequeñas, solubles en agua pasan fácilmente a través del tapón de hoyo.

Los poros nucleares sólo dejan pasar al interior del núcleo, a moléculas largas que están adheridas a una corta secuencia proteica, llamada "señal de localización nuclear" (SLN). La SLN se une a un receptor específico en el poro, que calza como una llave calza en su cerradura. Si el receptor reconoce al SLN, la sustancia puede pasar a través del poro. Se ha demostrado experimentalmente que proteínas que en condiciones normales nunca entran al núcleo, pueden hacerlo si están adheridas a un SLN (muchos virus usan un SLN en su envoltura proteica para lograr entrar al núcleo).

Menos se conoce de cómo los productos son exportados desde el núcleo al citoplasma. Como se podría esperar, el poro nuclear solamente deja salir moléculas que están unidas a una corta secuencia de proteínas llamadas "señal de exportación nuclear" (SEN). Estas exportaciones moleculares son principalmente sub-unidades de ribosomas y órdenes nucleares que van al resto de la célula, las que están estructuradas en el RNA mensajero (mRNA). Cada molécula del mRNA, ha sido transcrita desde el DNA y lleva la instrucción para servir de templado en la fabricación de una proteína (El código genético).

Antes de observar como trabaja el núcleo, es válido preguntarse por qué debe existir un núcleo. Esta pregunta la podemos contestar comparando una célula nucleada (eucariota), con una célula simple, sin núcleo (procariota). A primera vista parecería que la presencia del núcleo no haría a la célula más exitosa. Las células procariotas en la Tierra son mucho más comunes que las eucariotas y pueden colonizar ambientes que son imposibles para las frágiles células eucariticas. Tal es el caso de las emanaciones sulfurosas de los fondos marinos, donde son capaces de vivir sólo algunos tipos de células procariotas, a pesar de existir allí una elevada temperatura. Por otra parte, las células procariotas también se reproducen más rápidamente que las eucariotas, adaptándose en poco tiempo a exigentes cambios ambientales. Así por ejemplo, la bacteria que causa la tuberculosis, o la que causa la neumonía, rápidamente (en cosa de semanas) puede desarrollar resistencia a las drogas antibióticas.

Sin embargo, si se considera que hace dos mil millones de años, un puñado de células eucariotas fueron capaces de evolucionar y llegar a constituir organismos tan diversos como animales, plantas, hongos, tenemos entonces que aceptar que la presencia del núcleo otorga ventajas, que las células sin él nunca podrán alcanzar. Las células eucariotas pueden asumir roles complejos y especializados, lo que las procariotas no pueden, como por ejemplo transmitir estímulos nerviosos, o agruparse para formar un animal multicelular, que puede explorar el ambiente, cosa que no le es posible a una célula simple sin núcleo. Incluso, aun cuando no se puedan desplazar, como en el caso de un árbol, sus células se pueden especializar. Las células de las hojas sirven para captar la energía solar, mientras que otras en sus raíces pueden absorber agua y nutrientes.

Para alcanzar tal complejidad, sólo es posible con un núcleo. El le permite almacenar una enorme cantidad de información genética, miles de veces mayor que la que puede almacenar una bacteria. Más aún, el núcleo provee la maquinaria necesaria para copiar con gran acuciosidad, innumerables cantidades de datos genéticos, necesarios para transmitirlos de una generación a otra, como también la maquinaria necesaria para controlar la actividad de miles de genes, o para reparar a éstos cuando se dañan. Todas estas funciones son necesarias para poder desarrollar la complejidad de un organismo multicelular. También ha sido importante el núcleo para permitir la evolución de células grandes. Las células eucariotas son entre mil y diez mil veces más grandes que las procariotas. Como son de gran tamaño, su citoplasma requiere de un esqueleto muy bien estructurado que le mantenga su forma (citoesqueleto). En él se podría enredar el material genético si éste no estuviera protegido por la membrana nuclear.

En el interior del núcleo, como en el arca de la alianza, está la molécula clave. Ella es el DNA, el que guarda la información genética, que es necesaria para producir cada una de las proteínas que forman el organismo. El DNA se asemeja a una escalera en espiral. Los peldaños de la escalera están formados por las llamadas bases y los lados de la escalera están formados por grupos alternados de azúcar y fosfato (ver figura 2). Hay cuatro bases en el DNA: adenina, citocina, guanina y timina (A,C,G, y T). Cada peldaño a su vez está formado por dos bases unidas, llamadas "base par" y siempre la adenina se une con la timina y la citosina con la guanina. La información genética se logra mediante la secuencia de estas bases.

Una determinada unidad de información genética se llama gene. Cada gene codifica para una proteína específica y tiene una longitud de miles de pares de bases. El núcleo de las células humanas contiene 3 mil millones de pares de bases, contenidos en 46 cromosomas. El total de ellas se llama "genoma", que si se pudiera extraer de cada cromosoma, estirar y unir, mediría aproximadamente dos metros.


Atados compactos de DNA

Pero ¿cómo puede un pequeño núcleo, que mide una centésima de milímetro, contener tal cantidad de DNA? La respuesta está en la asociación del DNA con proteínas de empaquetamiento, llamadas histonas, que se unen formando un complejo DNA-proteína, llamado "cromatina". Las proteínas histonas ayudan a organizar y envolver el DNA en atados compactos. Las hebras de DNA se enrollan alrededor de grupos de histonas para formar "nucleosomas", en la misma forma que un hilo se enrolla alrededor de una bobina (figura 3). De este modo los nucleosomas se enrollan en las fibras de cromatina y a su vez se enrollan formando lazos. Enzimas cercanas pueden liberar cualquier lazo de cromatina que se enrede, y a su vez regulan el grado de enrollado del DNA.

Esta organización de multinivel, no solamente compacta el DNA, sino que lo hace en una forma que permite que los genes permanezcan accesibles a muchas de las enzimas que reparan, replican y copian el DNA. Las células procariotas no tienen necesidad de esta sofisticada tecnología de empaquetaje del DNA, ya que ellas tienen sólo una minúscula cantidad de DNA, que en promedio es mil veces menor que la que contiene una célula eucariota. Para ellas les basta llevar el DNA en una hebra simple o en un círculo.

Durante la división celular, las fibras de cromatina se hacen más cortas y se engordan, para evitar enredarse. Cuando la célula no se está dividiendo, algunas regiones del cromosoma se observan como muy densas, y se conocen con el nombre de "heterocromatinas". Otras regiones, donde la cromatina está empaquetada más suelta, se conocen como "eucromatinas". Los genes dentro de la heterocromatina están inactivos, porque ellos están unidos en forma muy apretada, lo que los hace inaccesibles a enzimas y otras proteínas. Algunos genes permanecen unidos en la heterocromatina durante toda la vida de la célula, apiñados como libros en desuso que se guardan en cajas, almacenados en un ático. Así por ejemplo, las células nerviosas que nunca se dividen, no tienen necesidad de activar los genes que controlan este proceso, y por lo tanto permanecen empaquetados y silenciosos en la heterocromatina.

Como durante la división celular los cromosomas se acortan y se engruesan y se ponen más densos, se hacen perfectamente visibles, siendo posible observarlos con un microscopio de luz. En esta situación pueden teñirse y fotografiarse. Una vez teñidos con el colorante fluorescente "quinacrina", aparecen diferentes bandas dibujadas sobre los cromosomas. Estas "bandas Q" varían entre especies y entre cromosomas de la misma especie, por lo que ellas son usadas para identificar y comparar cromosomas. Los genetistas usan las bandas Q, para identificar anormalidades en los cromosomas, tales como las "translocaciones", que suceden cuando un cromosoma intercambia un trozo con otro cromosoma. Las translocaciones son frecuentes en las células cancerosas.

Durante la división celular, cada cromosoma humano está formado por dos trozos, conocidos como "cromatidos", unidos en un área estrecha que se llama "centromero". Los centromeros consisten esencialmente de secuencias repetitivas de DNA y juegan un rol clave en el movimiento del cromosoma durante el proceso de división de la célula. El extremo del brazo de cada cromosoma posee una extensión del DNA que se ha llamado "telomero" (La oveja Dolly y sus telómeros). Ellos, al igual que los centromeros, están también constituidos por una secuencia repetitiva de DNA. Los telomeros protegen a los cromosomas de posibles daños, previniendo que sus extremos se fusionen unos con otros. Muchos creen que éstos tienen un rol en el envejecimiento celular, ya que se van acortando cada vez que se divide la célula. De este modo, cada vez que la célula se divide, éstos se hacen más cortos, hasta que llega un momento en que los cromosomas no pueden continuar dividiéndose. Las células troncales (stem) que necesitan dividirse muchas veces, como son las que dan origen a los óvulos, espermios, y células sanguíneas, poseen una enzima llamada "telomerasa", cuya función es reconstruir los telomeros que se han acortado, para permitirles de este modo que continúen dividiéndose. Las células cancerosas también poseen telomerasa, por lo que pueden dividirse indefinidamente.


Expresión de los genes

Fabricación de proteínas

Los genes tienen los códigos necesarios para la estructura de cada una de las proteínas que necesita el organismo. Estas últimas son fabricadas en el citoplasma de la célula. Desde el núcleo se transfieren pequeños trozos de información genética que migran hacia el citoplasma. Esta información, en forma de un código, es la que forma y transporta el RNA mensajero (mRNA).

"La transcripción" es el proceso mediante el cual la información genética es copiada desde el DNA al mRNA. Cuando el mRNA deja el núcleo, se dirige en el citoplasma, hacia el lugar donde están las fábricas de proteínas (ribosomas). Allí el mensaje es recibido y de acuerdo a él se ensambla una proteína. Este proceso se llama "translación". El mRNA se asemeja a una sola hebra del RNA, con la diferencia que donde estaba la base timina, ésta se reemplaza por otra, llamada uracilo (U), y que además el azúcar ribosa reemplaza a la desoxirribosa. El proceso de la copia de la información desde el DNA al mRNA lo realiza una enzima llamada "RNA polimerasa", con la ayuda de "factores generales de transcripción (FGTs)". Estas últimas son proteínas ayudadoras, pero cuyo rol en la transcripción aún no está muy claro.

El proceso de la transcripción se inicia con la formación de un complejo formado por FGT y las enzimas RNA polímeras, que se unen en torno a una región específica del DNA, llamada "promotor", el cual dentro de la molécula de éste, se encuentra cerca del gene que va a ser transcrito. La región en que sucede todo esto frecuentemente se la llama caja TATA, porque contiene una serie de bases TATAAA, o algo similar. De este modo, uniéndose a una región específica del promotor, se asegura que la transcripción comenzará en el lugar correcto. Esto es muy importante, ya que la secuencia de tres bases es la que codifica una unidad de la proteína (un aminoácido), de modo que si la transcripción comienza una o dos bases antes o después, la información que lleve el mRNA va a ser diferente. Es decir, las tres bases van a significar otro aminoácido que no es el que se necesita para esa proteína. Tan pronto como la RNA polimerasa reconoce al promotor correcto, el sistema se pone en acción y va leyendo el código del DNA, creando así una molécula de RNA que es "complementaria" a la del DNA, lo que es como si se tomara un negativo de una fotografía. Esto lo logra enhebrando unidades de RNA (bases) que encajan con las bases opuestas de la hebra del DNA. Es entonces cuando el uracilo (U) se une a la adenina y la guanina se une con la citosina.

Antes de que el mRNA esté listo para dejar el núcleo, es cortado y pegado por enzimas, para formar una hebra definitiva de mRNA, quedando finalmente con un tamaño correspondiente a la mitad de su tamaño original (fig. 4). Este proceso de corte y pegado, se ha denominado "splicing" (corte) y es exclusivo de las células con núcleo (Fig. 4).

En ocasiones un solo gen puede a veces ser dividido en varias formas diferentes, para producir así una variedad de proteínas diferentes. Así por ejemplo, dependiendo de cómo se divide el mRNA, ciertos anticuerpos pueden unirse a membranas, o simplemente flotar libres. Los segmentos del gene que van a ser expresados, se llaman "exones", mientras que los trozos que le han sido cortados quedan dentro del núcleo y se llaman "intrones". Estos términos son fáciles de recordar: los extrones se expresan y los intrones son los cortes que quedan dentro del núcleo y que no se expresan.

Muchos biólogos piensan que fue la existencia del núcleo la que permitió la evolución del proceso de "splicing". En las células procariotas, la transcripción y traducción de un solo gene ocurre simultáneamente. En ellas, tan pronto como una cadena de mRNA es lo suficientemente larga, comienza la traducción del código a la proteína. En las células eucariotas en cambio, los dos procesos están físicamente separados gracias a la membrana celular. Es posible que la envoltura nuclear haya permitido que el "splicing" evolucione, creando una demora entre la transcripción y la traducción, durante el cual pudo éste llevarse a cabo.


El versátil RNA

Construyendo un ribosoma

Además de actuar como patrón, la versátil molécula de RNA lleva a cabo otras cruciales funciones necesarias para el funcionamiento celular. Es así como los genes codifican también otros dos tipos de RNAs, además del mRNA; uno es el "RNA de transferencia" (tRNA), y el otro el "RNA ribosomal" (rRNA), los que colaboran con el mRNA para fabricar proteínas. Ambos son transcritos desde los genes, en la misma forma del mRNA, para lo que tienen que utilizar diferentes versiones de la enzima RNA polimerasa y FGTs. En todo caso, una vez que el tRNA ha sido transcrito, éste se dobla en una estructura de trébol y es transportado al citoplasma, donde es posible la traducción del mRNA en proteína.

El rRNA es el ingrediente clave de los ribosomas y lejos, es el más común RNA que existe en la célula. Como la célula necesita que se construyan varios miles de ribosomas, ciertas regiones de ellos consisten simplemente en genes de rRNA que se repiten iguales cientos de veces. Estos verdaderos claustros de genes rRNA están en grupos como parches, en el corazón del núcleo, en el sitio llamado nucléolo (ver fig. 1). Es allí donde los ribosomas se ensamblan. Algunos investigadores piensan que cuando el nucléolo va quedando depletado de ribosomas, sería un signo que la célula se estaría envejeciendo.

Cada ribosoma es una unidad constituida de RNA y proteína. Cada uno está hecho de cuatro tipos de RNA ribosomal, de diferentes tamaños. Tres de los cuatro son producidos en el mismo nucleolo, mientras que el cuarto es producido por genes provenientes de otro lugar, que se agregan en la última etapa. La primera etapa en la formación del ribosoma es la transcripción de los genes rRNA. Este proceso parece que ocurre en forma continua, como en una verdadera línea de ensamblaje. Luego, al reciente RNA transcrito, se le agregan grupos químicos (esta modificación química después de la transcripción, es única del rRNA). Su objetivo es desconocido, pero tal vez ello pueda ayudar a plegar la molécula en su forma definitiva, protegiendo así al RNA de enzimas, o tal vez permitir que se una a proteínas. En la etapa final de ensamblaje, se transportan dentro del nucléolo el cuarto rRNA y las proteínas ribosomales. Finalmente, guiado por proteínas ayudadoras, y otras moléculas pequeñas de RNA ("pequeño RNA nuclear"), se juntan todos los ingredientes, para formar dos unidades esféricas, una mayor que la otra, siendo el conjunto transportado al citoplasma. Una vez allí, estas dos unidades se juntan, dando su forma típica de mono de nieve.


Trabajo para el futuro

Si se observa al microscopio electrónico el núcleo de una célula, en el momento que ésta no se está dividiendo, el cuadro es desconcertante, para decir lo menos: se ven como senderos sombríos que contienen grupos de cromatina y nucléolos en forma de gotas irregulares. Este cuadro borroso es hoy el mundo secreto que los investigadores están tratando de descifrar.

El "Proyecto del Genoma Humano", una alianza internacional de gobiernos y laboratorios sin fines de lucro, tiene por objeto identificar la secuencia de 3 mil millones de pares de bases, lo que deberá estar concluido en el año 2003. En el futuro se podrá conocer la estructura de todos los genes. También está en la meta de los investigadores el llegar a retardar el envejecimiento, y piensan que ello se podría lograr, actuando y reparando el nucléolo depletado, activando la telomerasa, e impidiendo que se agreguen nuevas mutaciones del DNA. ¡Una larga tarea para el futuro!

Una particular línea de investigación, muy atractiva y que compromete al núcleo, es la clonación terapéutica, que incluye la tecnología que se empleó para clonar a la oveja Dolly. Pero ahora la clonación terapéutica se ha orientado al cultivo de "células stem" (células troncales). Ellas, al diferenciarse dan origen a otros tipos de células del organismo, y ello se orienta para llegar a producir tejidos específicos, o incluso órganos de reemplazo (Fabricar órganos para trasplante)(Células Totipotenciales). Con el objeto de prevenir el rechazo del organismo, las células stem utilizadas deben ser genéticamente idénticas al tejido del paciente. Esto se puede lograr extrayendo el núcleo de una célula somática (célula no germinal) del paciente, para luego transferirlo a un óvulo, al que a su vez se le ha extraído su núcleo. Más tarde, este óvulo con el núcleo del donante puede desarrollarse como un embrión. Después de algunas semanas, éste ya está produciendo células stem, que pueden utilizarse para producir tejidos u órganos que van a ser genéticamente idénticos al del paciente. La tecnología está recién comenzando, pero ya sus primeros resultados son muy alentadores. Así se podría satisfacer la creciente demanda de hígados, riñones u otros órganos, que en la actualidad está insatisfecha.

En la medida que los investigadores vayan conociendo mejor el funcionamiento del núcleo, van a descifrar los misterios de cómo lo hace éste en el desarrollo de plantas y animales. Sus implicancias abren un nuevo mundo de variadas posibilidades.



Patricia Davis
New Scientist.
Inside Science, Nº 122, Julio 1999.
(Traducción libre)