Organización estructural y funciones del nucléolo. Núcleo celular: funciones y estructura Formación del nucléolo

nucleolo– una formación esférica (de 1 a 5 micrones de diámetro), presente en casi todas las células vivas de los organismos eucariotas. En el núcleo son visibles uno o varios cuerpos generalmente redondos que refractan fuertemente la luz: este es el nucléolo o nucléolo. El nucléolo percibe bien los tintes básicos y se encuentra entre la cromatina. La basofilia nucleolar está determinada por el hecho de que los nucléolos son ricos en ARN. El nucléolo, la estructura más densa del núcleo, es un derivado del cromosoma, uno de sus loci con mayor concentración y actividad de síntesis de ARN en interfase. La formación de nucléolos y su número están asociados con la actividad y el número de ciertas secciones de cromosomas, organizadores nucleolares, que se encuentran principalmente en las zonas de constricciones secundarias; no es una estructura u orgánulo independiente. En los seres humanos, estas regiones se encuentran en los pares de cromosomas 13, 14, 15, 21 y 22.

La función de los nucléolos es la síntesis de ARNr y la formación de subunidades ribosómicas.

El nucléolo tiene una estructura heterogénea: al microscopio óptico se puede ver su organización fibrosa fina. Un microscopio electrónico revela dos componentes principales: granular y fibrilar. El diámetro de los gránulos es de aproximadamente 15 a 20 nm, el espesor de las fibrillas es de 6 a 8 nm. Los gránulos son las subunidades en maduración de los ribosomas.

Componente granular Se localiza en la parte periférica del nucleolo y es un conjunto de subunidades ribosómicas.

Componente fibrilar se localiza en la parte central del nucléolo y representa hebras de ribonucleoproteínas de precursores de ribosomas.

La ultraestructura de los nucléolos depende de la actividad de la síntesis de ARN: a un alto nivel de síntesis de ARNr, se detecta una gran cantidad de gránulos en el nucléolo; cuando se detiene la síntesis, la cantidad de gránulos disminuye y los nucléolos se convierten en densos cuerpos fibrilares de un carácter basófilo.

La participación de los nucléolos en la síntesis de proteínas citoplasmáticas se puede representar de la siguiente manera:

¿Dibujo? – ESQUEMA DE SÍNTESIS DE RIBOSOMAS EN CÉLULAS EUCARIÓTICAS

Esquema de síntesis de ribosomas en células eucariotas.
1. Síntesis de ARNm de proteínas ribosómicas mediante ARN polimerasa II. 2. Exportación de ARNm desde el núcleo. 3. Reconocimiento de ARNm por el ribosoma y 4. Síntesis de proteínas ribosómicas. 5. Síntesis del precursor de ARNr (45S - precursor) por la ARN polimerasa I. 6. Síntesis de ARNr 5S por la ARN polimerasa III. 7. Ensamblaje de una partícula de ribonucleoproteína grande, que incluye un precursor 45S, proteínas ribosomales importadas del citoplasma, así como proteínas nucleolares especiales y ARN que participan en la maduración de las subpartículas ribosómicas. 8. Unión del ARNr 5S, corte del precursor y separación de la subunidad ribosómica pequeña. 9. Maduración de la subpartícula grande, liberación de proteínas nucleolares y ARN. 10. Liberación de subpartículas ribosómicas del núcleo. 11. Involucrarlos en la transmisión.

Microfotografías del nucleolo (según microscopía electrónica)

¿Dibujo? – Micrografía electrónica de un núcleo con nucléolo

1- Componente fibrilar; 2- componente granular; 3- heterocromatina perinucleolar; 4-carioplasma; Membrana de 5 núcleos.

¿Dibujo? – ARN en el citoplasma y nucléolos de las células de las glándulas submandibulares.

Coloración según Brush, X400

1 – citoplasma; 2 – nucléolos. Ambas estructuras son ricas en ARN (principalmente debido al ARNr, libre o como parte de ribosomas) y, por lo tanto, cuando se tiñen según Brachet, se vuelven carmesí.

nucleolo (nucleolo)- una parte integral del núcleo celular, que es un cuerpo ópticamente denso que refracta fuertemente la luz. En la citología moderna (ver), el nucléolo se reconoce como el sitio de síntesis y acumulación de todo el ARN ribosómico (ARNr), excepto el ARN 5S (ver Ribosomas).

El nucléolo fue descrito por primera vez en 1838-1839 por M. Schleiden en células vegetales y por T. Schwann en células animales.

El número de nucléolos, su tamaño y forma varían según el tipo de célula. Los nucléolos más comunes tienen forma esférica. Los nucléolos son capaces de fusionarse entre sí, por lo que el núcleo puede contener varios nucléolos pequeños, uno grande o varios nucléolos de diferentes tamaños. En células con bajos niveles de síntesis de proteínas, los nucléolos son pequeños o no visibles. La activación de la síntesis de proteínas se asocia con un aumento en el volumen total de nucléolos. En muchos casos, el volumen total de nucléolos también se correlaciona con el número de conjuntos de cromosomas de la célula (ver Conjunto de cromosomas).

El nucleolo no tiene capa y está rodeado por una capa de cromatina condensada (ver), la llamada heterocromatina perinucleolar o perinucleolar. Mediante métodos citoquímicos, se detectan ARN y proteínas, ácidas y básicas, en los nucléolos. Las proteínas nucleolares incluyen enzimas implicadas en la síntesis de ARN ribosomal. Al teñir preparaciones, los nucléolos suelen teñirse con un tinte básico. En los huevos de algunos gusanos, moluscos y artrópodos hay nucléolos complejos (anfinucleoles), que constan de dos partes, una de las cuales está teñida con un tinte básico y la otra (el cuerpo proteico) con un tinte ácido. Cuando cesa la síntesis de ARNr al comienzo de la mitosis (ver), los nucléolos desaparecen (con la excepción del nucléolo de algunos protozoos), y cuando la síntesis de ARNr se restablece en la telofase de la mitosis, se forman nuevamente en secciones de cromosomas (ver). llamados organizadores nucleolares. En las células humanas, los organizadores nucleolares se localizan en la región de constricciones secundarias de los brazos cortos de los cromosomas 13, 14, 15, 21 y 22. Durante la síntesis activa de proteínas por parte de la célula, los organizadores nucleolares suelen reduplicarse y su número alcanza varios cientos. copias. En los ovocitos de animales (por ejemplo, los anfibios), dichas copias pueden desprenderse de los cromosomas y formar múltiples nucléolos marginales de los ovocitos.

Los organizadores nucleolares consisten en bloques repetidos de secuencias de ADN transcritas, incluidos los genes 5.8S-RNA, 28S-RNA y 18S-rRNA, separados por dos regiones de rRNA no codificantes. Las secuencias de ADN transcritas se alternan con secuencias no transcritas (espaciadores). La síntesis o transcripción de ARNr (ver) se lleva a cabo mediante una enzima especial: la ARN polimerasa I. Inicialmente, se sintetizan moléculas gigantes de ARN 45S; durante la maduración (procesamiento), los tres tipos de ARNr se forman a partir de estas moléculas con la ayuda de enzimas especiales; este proceso ocurre en varias etapas. El exceso de regiones de 45S-RNA que no forman parte del rRNA se desintegran en el núcleo y los rRNA maduros se transportan al citoplasma, donde las moléculas de 5.8S-rRNA y 28S-rRNA, junto con la molécula de 5S-rRNA, se sintetizan en el núcleo exterior. el nucléolo y proteínas adicionales forman una unidad grande de ribosomas, y la molécula de ARNr 18S es parte de su subunidad pequeña. Según los conceptos modernos, las NK pR y sus precursores están presentes en el núcleo en todas las etapas de procesamiento en forma de complejos con proteínas: ribonucleoproteínas. La unión de las proteínas a la molécula 45 S-RNA se produce a medida que se sintetiza, de modo que cuando se completa la síntesis, la molécula ya es una ribonucleoproteína.

La ultraestructura del nucleolo refleja las sucesivas etapas de la síntesis de ARNr en las plantillas de los organizadores nucleolares. En los patrones de difracción de electrones, en los nucléolos se distinguen un componente fibrilar (nucleolonema), un componente granular y una matriz amorfa (Fig.). El nucleolonema es una estructura filamentosa de 150 a 200 nm de espesor; Consiste en gránulos con un diámetro de aproximadamente 15 nm y fibrillas sueltas con un espesor de 4-8 nm. En secciones del nucleolonema, se ven áreas relativamente claras, los llamados centros fibrilares. Se supone que estos centros están formados por regiones no transcritas del ADN de los organizadores nucleolares, que forman complejos con proteínas argentofílicas. Los centros fibrilares están rodeados por bucles de cadenas de ADN transcritas con ribonucleoproteínas de ARN 45S sintetizadas en ellos. Al parecer, estos últimos se revelan en los patrones de difracción de electrones en forma de fibrillas.

El componente granular del nucléolo contiene gránulos de ribonucleoproteína, que son diversos productos del procesamiento del ARNr. Entre ellos, a veces es posible distinguir gránulos oscuros del precursor de la ribonucleoproteína 28S-pRNA (32S-pRNA) y granos más claros que contienen 28S-pRNA maduro. La matriz amorfa del nucleolo prácticamente no se diferencia del jugo nuclear (ver Núcleo celular).

Por tanto, el nucléolo es una estructura dinámica y constantemente renovada. Esta es la zona del núcleo celular donde se sintetiza y madura el ARNr y desde donde se transporta al citoplasma.

Las vías de liberación de ribonucleoproteínas del nucléolo al citoplasma no se han estudiado suficientemente. Se cree que pasan a través de los porosomas de la membrana nuclear (ver Núcleo celular) o a través de áreas de su destrucción local. Las conexiones entre el nucleolo y la membrana nuclear en diferentes tipos de células se producen tanto en forma de contactos directos como a través de canales formados como resultado de la invaginación de la membrana nuclear. A través de conexiones similares se produce también el intercambio de sustancias entre los nucléolos y el citoplasma.

En procesos patológicos, se observan varios cambios en los nucléolos. Por lo tanto, con la malignidad de las células, se observa un aumento en el número y tamaño de los nucléolos, con procesos distróficos pronunciados en la célula, la llamada segregación de nucléolos. Durante la segregación se produce una redistribución de componentes granulares y fibrilares. Con una segregación pronunciada de los nucléolos, el nucleolonema puede desaparecer y se forman zonas oscuras y claras en el componente granular, las llamadas tapas. Estos cambios estructurales reflejan alteraciones en la síntesis, maduración y transporte intranucleolar del ARNr.

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Nucleolo (nucleolo, plasmosoma)- una formación densa detectada en los núcleos en interfase de las células eucariotas, que se forma en ciertos loci cromosómicos (organizador nucleolar). El nucleolo es un derivado del cromosoma, uno de sus loci, que funciona activamente en interfase. Una célula suele contener de 1 a 2 células, a veces más de 2. La función principal de las células es la síntesis de ribosomas; contiene factores implicados en la transcripción de genes ribosomales, el procesamiento de pre-ARNr y el ensamblaje de partículas preribosomales. Algunas proteínas celulares son multifuncionales y participan en otros procesos de la célula, como la apoptosis, la regulación del ciclo celular, etc.

El nucleolo es una estructura altamente organizada dentro del núcleo. El nucléolo contiene grandes bucles de ADN que contienen genes de ARNp, que son transcritos por la ARN polimerasa I a una velocidad inusualmente alta. Estos bucles se denominan "organizadores nucleolares".

A diferencia de los orgánulos citoplasmáticos, el nucléolo no tiene una membrana que rodee su contenido. Parece estar formado por precursores ribosómicos inmaduros unidos específicamente entre sí de una manera desconocida. (Fig. nucleolo) El tamaño del nucleolo refleja el grado de su actividad funcional, que varía ampliamente en diferentes células y puede cambiar en una célula individual.

En el nucléolo se produce la transcripción de genes ribosómicos, el procesamiento de precursores de ARNr y el ensamblaje de partículas prerribosómicas a partir de proteínas ribosómicas y ARNr. Los mecanismos de formación del nucléolo no están claros. Según una hipótesis, el nucléolo se considera un complejo de nucleoproteína que aparece espontáneamente como resultado de la asociación de complejos de proteína reguladora y ácido nucleico que surgen al repetir secuencias de ADNr durante su transcripción. De hecho, los genes de ARNr humanos están organizados en 250 secuencias repetidas en tándem de 44 kb de longitud. cada uno, que junto con las proteínas asociadas a ellos forman el núcleo del nucléolo. Se llena de otros componentes durante el procesamiento del ARNr y el ensamblaje de subunidades ribosómicas.

Morfológicamente, se distinguen tres zonas principales en el nucléolo: un centro fibrilar rodeado por densas regiones fibrilares y granulares.

En una micrografía electrónica del nucléolo se pueden distinguir estas tres zonas discretas:

1) un componente de color débil que contiene ADN de la región del organizador nucleolar del cromosoma,

2) un componente fibrilar denso, que consta de muchas fibrillas de ribonucleoproteína delgadas (5 nm), que son transcripciones de ARN y

3) componente granular, que incluye partículas con un diámetro de 15 nm, que representan los precursores más maduros de las partículas ribosómicas.

Utilizando anticuerpos específicos y sondas de hibridación, se estableció que los genes de ARNr, la ARN polimerasa I, el factor de transcripción UBF y la topoisomerasa I se localizan en el centro fibrilar del nucléolo. Se cree que el centro fibrilar del nucléolo es el sitio de ensamblaje de complejos de nucleoproteínas reguladoras necesarios para la transcripción de genes de ARNr. El componente fibrilar denso que rodea el centro del nucléolo está representado por cadenas en crecimiento de precursores de ARNr y proteínas asociadas involucradas en el procesamiento. En la región granular del nucleolo se encuentran ARNr 28S y 18S maduros, ARN parcialmente procesado y productos del ensamblaje de subpartículas ribosómicas. Los intermedios del ensamblaje de ribosomas están representados por partículas con un diámetro de 15 a 20 nm. La transferencia de subpartículas prerribosómicas al citoplasma aparentemente está asegurada por proteínas específicas que se desplazan desde el nucléolo a la envoltura nuclear. Debido a la jerarquía en la organización estructural y funcional del nucléolo en forma de compartimentos separados morfológicamente distinguibles, a menudo se utiliza como modelo para la compartimentación funcional de la síntesis de ARNm, su procesamiento y exportación al citoplasma.

La estructura espacial "altamente ordenada" observada del nucléolo puede ser simplemente una consecuencia del funcionamiento de una gran cantidad de genes de ARNr organizados en repeticiones en tándem, que se acompaña de la acumulación de transcritos de ARN polimerasa I y sus productos de procesamiento en las proximidades de genes que trabajan activamente. La estructura del nucléolo es dinámica y su ubicación espacial y características estructurales dependen de la localización intranuclear y el nivel de actividad de los genes de ARNr correspondientes.

Incluso el genoma de la levadura contiene ~200 genes de ARNr repetidos en tándem. Sin embargo, no todos los genes son funcionalmente idénticos: sólo la mitad de las secuencias de ADNr se transcriben y sólo ~20% de las regiones de origen de replicación disponibles participan en su reproducción. La transferencia de genes a la región del ADNr suele ir acompañada de su represión, que se cree que es una consecuencia del funcionamiento del mecanismo de supresión de la recombinación homóloga en regiones genómicas que contienen repeticiones en tándem. La alteración mutacional de este mecanismo se acompaña de la formación de cientos de ADNr circulares extracromosómicos, que se distribuyen de manera desigual entre las células hijas durante la mitosis. La acumulación de ADNr extracromosómico por las células maternas conduce a una disminución en la capacidad de las células para dividirse. A este fenómeno se le ha denominado "envejecimiento celular". Además, el nucléolo puede regular la entrada de las células en la meiosis, así como la actividad de la Cdc 14 fosfatasa, que controla el paso de la telofase de la mitosis. Se obtuvo evidencia de que las secuencias repetidas de ADNr del nucleolo sirven como sitio de ensamblaje del complejo proteico regulador RENT (regulador del silenciamiento nucleolar y la salida de la telofase), que incluye una fosfatasa y otras tres proteínas que desempeñan las funciones reguladoras del nucleolo.

Las transcripciones de ARNr 45S primero forman grandes complejos que se unen a una gran cantidad de proteínas diferentes importadas del citoplasma, donde se sintetizan todas las proteínas celulares. La mayoría de las 70 cadenas polipeptídicas diferentes que forman el ribosoma, así como el ARNr 5S, se activan en esta etapa.

También se necesitan otras moléculas para que el proceso de ensamblaje se desarrolle correctamente. Por ejemplo, el nucléolo contiene otras proteínas de unión a ARN, así como ciertas pequeñas partículas de ribonucleoproteína (incluida U3-snRNP) que se cree que catalizan el ensamblaje de ribosomas. Estos componentes permanecen en el nucléolo y las subunidades ribosómicas se transportan en forma terminada al citoplasma. Un componente particularmente destacado del nucléolo es la nucleolina, una proteína bien estudiada que está presente en grandes cantidades y parece unirse sólo a transcritos de ARN ribosómico. La nucleolina se tiñe con plata de una forma especial. Esta tinción caracteriza todo el nucleolo en su conjunto.

Durante el procesamiento del ARN 45S, este complejo de ribonucleoproteína gigante pierde gradualmente algunas proteínas y secuencias de ARN y luego se escinde específicamente, formando precursores independientes de las subunidades ribosómicas grandes y pequeñas.

30 minutos después de la introducción de un marcador radiactivo, las primeras subunidades ribosómicas pequeñas maduras que contienen ARNr 18S marcado abandonan el nucléolo y aparecen en el citoplasma.

El ensamblaje de subunidades ribosómicas grandes que contienen 28S-RNA, 5.8S-RNA y 5S-RNA requiere un poco más de tiempo (aproximadamente 1 hora), por lo que en el nucléolo se acumulan muchas más subunidades grandes sin terminar que pequeñas.

Las etapas finales de la maduración de los ribosomas ocurren sólo después de la liberación de las subunidades ribosómicas del núcleo al citoplasma. Esto logra el aislamiento de ribosomas funcionales a partir de transcripciones nucleares inmaduras.

Existen evidencias que indican la participación del nucléolo en la regulación del ciclo celular.

nucleolo es un derivado del cromosoma, uno de sus loci, que funciona activamente en interfase. El nucleolo celular es el lugar de formación del ARN ribosómico y los ribosomas, en los que se produce la síntesis de cadenas polipeptídicas. En las células procarióticas, la formación de ribosomas no está asociada con el aislamiento de un lugar especial en forma de nucléolo, pero, a pesar de la ausencia de nucléolos en estas células, el proceso de síntesis de ribosomas en sí es en muchos aspectos similar.

Los nucléolos contienen varios tipos de proteínas:

• fosfoproteínas ácidas,
• Principales proteínas de naturaleza no histona.

La concentración de ARN en el nucléolo puede ser de 2 a 8 veces mayor que en el núcleo y de 1 a 3 veces mayor que en el citoplasma. ARN nucleolar Es un precursor del ARN citoplasmático. Dado que entre el 70 y el 90% del ARN citoplasmático es ribosómico, entonces El nucleolo es el sitio de síntesis del ARN ribosómico (ARNr).

ARN nucleolar

En el cistrón del gen ribosomal, inicialmente se sintetiza una molécula gigante: un precursor con un coeficiente de sedimentación de 45 S (peso molecular 4,5 · 106), que luego se divide en dos partes, dando lugar a ARNr 18S y 28 S. En este caso, se destruye aproximadamente la mitad de la molécula inicialmente sintetizada. De los nucléolos se aislaron partículas heterogéneas de ribonucleoproteínas con diferentes coeficientes de sedimentación de 40 S a 80 S y superiores, que son ribonucleoproteínas, las precursoras de las subunidades ribosómicas. A partir del ARN 45 S, la proteína se asocia con el ARNr y primero se forman precursores de ribosomas pesados ​​(aproximadamente 80 S y 90 S) y luego subunidades ribosómicas (60 S y 40 S).

ADN nuclear

El contenido de ADN en los nucléolos aislados es del 5 al 12% del peso seco y del 6 al 17% del ADN total del núcleo. El ADN del organizador nucleolar es el mismo ADN en el que se produce la síntesis de ARN nucleolar, es decir, ARN ribosómico. Con base en el análisis de la saturación del ADN durante la hibridación con ARNr, se concluye que Los cistrones responsables de la síntesis de ARNr están ubicados de forma compacta y, posiblemente, se presentan en forma de una región policistrónica que forma parte del organizador nucleolar.. En el nucléolo, en el ADN de la constricción secundaria se localizan numerosos genes idénticos para la síntesis de ARNr. La síntesis se produce mediante la formación de un enorme precursor y su posterior transformación (maduración) en moléculas de ARN más cortas para las subunidades grandes y pequeñas de los ribosomas.

Ultraestructura de nucléolos

Se observa una estructura fibrosa o reticular de los nucléolos, encerrados en una masa difusa más o menos densa.

parte fibrosa– nucleolonema, parte difusa y homogénea– una sustancia amorfa o una parte amorfa. Ambas áreas del nucléolo son negativas. En algunas células, las hebras individuales de nucleolemas se fusionan y los nucléolos pueden ser completamente homogéneos.

Principales componentes estructurales del nucléolo.:

• gránulos densos con un diámetro de aproximadamente 150 A,
• fibrillas delgadas con un espesor de 40 - 80 A.

En muchos casos, el componente fibrilar se agrupa en una zona central densa (núcleo), desprovista de gránulos, y los gránulos ocupan la zona periférica del nucléolo. Entre los gránulos de esta zona siempre se observan fibrillas sueltas con un espesor de 40 a 80 A. En algunos casos no se observa ninguna estructuración adicional en esta zona granular. Pero a menudo esta zona está representada estructuras filamentosas aisladas alrededor de 1500 - 2000 A de espesor, formado por gránulos y fibrillas sueltas. La parte fibrilar del nucleolo no siempre se recoge en una zona central compacta.

La ultraestructura de los nucléolos depende sobre la actividad de síntesis de ARN: a un alto nivel de síntesis de ARNr, se detecta una gran cantidad de gránulos en el nucléolo; cuando se detiene la síntesis, la cantidad de gránulos disminuye, los nucléolos se convierten en densos cuerpos fibrilares.