El Núcleo Celular
El núcleo corresponde a una estructura propia de las células eucariontes, que almacena en su interior al material genético. Lo vamos a encontrar tanto en las células vegetales como en las animales. En el caso de las células animales, se ubica más al centro, y en las células vegetales hacia la periferia, ya que es desplazado por la vacuola central.
Con el avance de la microscopía electrónica se descubrió a cabalidad la estructura del núcleo. Es así como se aprecia la envoltura nuclear o carioteca, compuesta por una doble membrana: la externa y la interna. Esta doble membrana está interrumpida en los lugares en que ambas se funden y forman los poros nucleares, que pueden ocupar hasta el 20% del área superficial. ¿Qué importancia tiene la presencia de poros en la envoltura nuclear? Permite el transporte de materiales entre el núcleo y el citoplasma.
En el interior del núcleo se encuentra una matriz de características coloidales denominada cariolinfa, compuesta principalmente por agua, nutrientes y material genético.
Sin duda que los componentes esenciales del núcleo corresponden a las moléculas que contienen la información genética: la cromatina, asociación entre proteínas y ADN, y el nucléolo, estructura nuclear dinámica que participa en la síntesis de los ribosomas.
ADN: Unidad de Material Genético
Esta molécula constituye el principal material genético de los seres vivos. Contiene la información necesaria para la conformación y funcionamiento de los organismos gracias a su capacidad de expresión. Dentro de la estructura del ADN, las bases nitrogenadas son las que codifican la información genética, ya que es su secuencia la “descifrada” por los ribosomas y “convertida” en moléculas químicas.
El ADN se define químicamente como un polímero de monómeros. Cada monómero se denomina nucleótido, el que a su vez está compuesto por un grupo fosfato (P), un azúcar desoxirribosa (D) y una base nitrogenada, que puede ser una de estas cuatro posibilidades: adenina (A), timina (T), citosina (C) y guanina (G). La base nitrogenada que forma parte del nucleótido de la imagen lateral es adenina.
Tanto el grupo fosfato como la base nitrogenada están unidos a la desoxirribosa, que corresponde a una pentosa, azúcar de 5 carbonos. El grupo fosfato de un nucleótido se une a la pentosa de otro nucleótido, formando una cadena. El ADN es una molécula que está compuesta por dos cadenas de nucleótidos que se unen entre ellas a través de bases nitrogenadas complementarias: A con T y C con G. Esta doble hebra se pliega y adquiere su forma helicoidal característica.
Organización del Material Genético
El ADN no se encuentra aislado en el interior del núcleo, sino que está estrechamente ligado a proteínas, llamadas histonas, que le permiten condensarse y empaquetarse en estructuras conocidas como cromosomas. Gracias a este nivel de compactación, durante la división celular el material genético se podrá repartir de manera equitativa en las células resultantes. Ahora bien, su nivel de empaquetamiento no es una condición estática, ya que el material genético cambia su organización según el estado celular en que se encuentre, es decir, depende de si la célula se va a dividir o no.
- La molécula de ADN se une a las histonas y forma los nucleosomas. Un nucleosoma contiene ocho moléculas de histonas asociadas, que se encuentran en el centro, y 146 pares de bases de ADN que las rodean (10 nm). Este enrollamiento disminuye en 6 veces la longitud del ADN.
- Los nucleosomas se empaquetan en espiral y forman una estructura de un diámetro de 30 nm. Esta corresponde a una espiralización de primer grado.
- Esta fibra experimenta una segunda condensación, también en forma de espiral, espiralización de segundo grado, con un diámetro de 300 nm.
- En el momento de la división celular se produce una “superespiralización”, en la que se conforman los cromosomas, máxima condensación del material genético.
La fibra de cromatina presenta una estructura plegada con distintos grados de “compactación”, lo que permite la condensación del ADN cuando la célula se va a dividir.
Replicación del ADN
La transmisión de información implica que el ADN es capaz de duplicarse de manera de obtener dos moléculas iguales a partir de la molécula inicial. Este proceso se llama replicación.
Luego del descubrimiento de la estructura del ADN, en 1957, dos biólogos moleculares americanos, Matthew Stanley Meselson y Frank Stahl demostraron que este se replica de una manera semiconservativa, es decir que la nueva cadena se sintetiza utilizando una de las hebras preexistentes como molde. Las moléculas de ADN “hijas” están formadas por una cadena nueva y una original que sirve como molde. Con nitrógeno 15 (un isótopo radiactivo), ya que el nitrógeno es necesario para la síntesis de las bases que componen el ADN, y usando sucesivas generaciones de bacterias Escherichia coli, estos científicos mostraron que cuando el ADN se duplica, cada una de sus cadenas pasa a las células hijas sin cambiar y actúan de molde o patrón para formar una segunda hebra y completar así las dos doble cadenas.
Para que esto ocurra, la célula debe “abrir” la doble cadena de ADN en una secuencia específica denominada origen de replicación (en bacterias) o secuencia de replicación autónoma (en eucariotas) y copiar cada cadena.
En la replicación participan varias enzimas. Las ADN polimerasas sintetizan una nueva cadena de ADN. Para esto utilizan como molde una de las hebras y un segmento corto de ADN, al que se le agregan los nuevos nucleótidos. Este segmento funciona como cebador (primer, en inglés). La ADN polimerasa agrega nucleótidos al extremo 3’ de la cadena en crecimiento.
La ADN polimerasa copia la cadena molde con alta fidelidad. Sin embargo, introduce en promedio un error cada 107 nucleótidos incorporados. Tiene, además, la capacidad de corregir sus propios errores, ya que puede degradar ADN que acaba de sintetizar.
Otras enzimas que participan en este proceso son:
- La ADN primasa (que sintetiza el primer de ARN)
- La ADN ligasa (que une extremos 5’ con 3’ que hayan quedado luego de la síntesis)
- La ADN helicasa y las ADN topoisomerasas ADN (que evitan que el ADN se “enrede” en el proceso)
- Las proteínas de unión al ADN (facilitan la apertura de la doble hebra).