Núcleo esférico o en forma de óvalo sirve como los centros de control de las células eucariotas, ya que contienen material genético y regulan el metabolismo celular.
Envoltura Nuclear
Es una membrana doble concéntrica que encierra núcleo celular. Entre estas membranas es un espacio perinuclear de 20-40 nm de ancho que es continuo con el lumen del retículo endoplasmático. La membrana externa conecta al retículo endoplasmático rugoso y al citoesqueleto. También es un sitio donde los ribosomas traducen ARN. La membrana interna lisa carece de ribosomas, pero está revestida con lámina nuclear, una red de proteínas fibrilares.
Una barrera natural selectiva es creada por la envoltura nuclear. La replicación del ADN y la transcripción del ARN ocurren dentro del núcleo, mientras que la traducción de proteínas está restringida al citoplasma. Esta separación asegura actividades celulares ordenadas y minimiza daños al material genético. Además, la barrera también regula el intercambio de material entre el núcleo y el citoplasma.
Las pequeñas moléculas no polares y solubles en lípidos atraviesan fácilmente la doble membrana. Las sustancias no hidrofóbicas viajan a través de miles de poros nucleares ubicados en la superficie nuclear de la célula. Estos poros son grandes complejos de proteínas cuyo diámetro es aproximadamente 100 nm, y están compuestos por unas 30 proteínas diferentes. Penetran toda la doble membrana. Desde una vista de arriba hacia abajo, se parecen mucho a crisantemos.
Algunas pequeñas moléculas hidrofílicas, como iones y sustancias polares, se transportan pasivamente a través de los canales hidrofílicos en los poros nucleares. Ciertas macromoléculas biológicas se intercambian por transporte activo. Sus superficies tienen secuencias específicas de aminoácidos llamadas señales de localización nuclear (NLS). Las fibras que crecen de los poros agarran las NLS y tiran de las macromoléculas hacia el pasaje. Durante el transporte activo bidireccional, la proteína en el poro cambia de conformación, se consume GTP y la NLS se descarta. La ADN y la ARN polimerasa son guiadas hacia el núcleo desde el citoplasma. Las subunidades ribosómicas y el ARNm se liberan en el citoplasma. El ARNm no cortado y taponado no puede pasar a través del poro nuclear. Esto sugiere que es el paso final de control de calidad en la síntesis y procesamiento del ARNm. Notablemente, algunas moléculas que inherentemente carecen de una secuencia de señal pueden cruzar libremente el núcleo después de agregar una NLS artificialmente.
Cromatina y material genético
Los componentes principales de la cromatina son las histonas y el ADN de doble cadena. Además, contienen varias proteínas no histonas involucradas en la regulación de la expresión génica, la replicación y la reparación. Las histonas fueron descubiertas en células rojas de sangre aviar por el bioquímico alemán Albrecht Kossel en 1884. Contienen muchos aminoácidos básicos, particularmente lisina y arginina, lo que les da una naturaleza básica o carga positiva. Atraen moléculas de ADN cargadas negativamente a través de fuerzas electrostáticas. Las histonas son tan abundantes en la cromatina como el ADN. Hay cinco tipos: H1, H2A, H2B, H3 y H4. Los últimos cuatro forman un octámero que se envuelve estrechamente 147 pares de bases para formar un nucleosoma. El espacio entre cada nucleosoma varía de unos pocos a 80 pares de bases. La estructura de rosario acorta el ADN a un tercio de su longitud original. Se acorta nuevamente en la estructura secundaria porque los nucleosomas se agrupan con la ayuda de las histonas H1. El material genético se divide en varias partes que parecen mezclarse aleatoriamente como espaguetis. Sin embargo, la tinción con fluorescencia muestra que prefieren posiciones específicas. Durante la división celular, pueden ser reconocidos por un microscopio óptico porque la cromatina se condensa en cromosomas cortos en forma de barra.
Sin mecanismos de acortamiento, la longitud del ADN podría alcanzar varios metros. Es obviamente imposible que quepa en un núcleo de solo unos pocos micrómetros. Las histonas también regulan la expresión génica. Cuando los nucleosomas están estrechamente empaquetados, ciertas proteínas relacionadas con la transcripción encuentran difícil trabajar. Los genes activamente transcritos generalmente se encuentran en regiones ligeramente empaquetadas. La metilación o acetilación es una estrategia común para los eucariotas para modificar histonas para regular la compactación de la cromatina.
Nucleolo y matriz nuclear
Un núcleo tiene uno o más nucleolos esféricos. Son las partes más prominentes y pueden distinguirse fácilmente bajo un microscopio óptico después de la tinción. El ARNr se transcribe aquí y se ensambla con proteínas en subunidades grandes y pequeñas. Luego, estas subunidades se transportan al citoplasma para ensamblarse en ribosomas completos en el ARNm. Esta es la razón por la cual las células con alta actividad metabólica tienen nucleolos más grandes.
La matriz nuclear en forma de red son fibras de proteínas y se adhiere a la lámina nuclear. Una de sus principales tareas es evitar que el núcleo colapse. Las enzimas asociadas al material genético están ancladas aquí, y se mueven a lo largo de la matriz nuclear bajo la guía de proteínas motoras. Es algo similar al citoesqueleto.