En el interior de la célula, el núcleo

Nuestro conocimiento actual del papel del núcleo en la vida de la célula comenzó con algunas observaciones microscópicas tempranas. Unas de las más importantes fue hecha hace más de 100 años por un embriólogo alemán, Oscar Hertwig (1849-1922), quien estaba observando los óvulos y el esperma de erizos de mar. Los erizos de mar producen óvulos y espermatozoides en gran cantidad. Los óvulos son relativamente grandes y, por lo tanto, fáciles de observar. Estos gametos se fecundan en el agua, a diferencia de los vertebrados terrestres como nosotros, en los que la fecundación es interna. Observando los óvulos bajo su microscopio, Hertwig vio que sólo se requería un único espermatozoide para que se produjera la fecundación.

Más aún, cuando el espermatozoide penetraba en el gameto femenino, ambos núcleos se fusionaban. Esta observación, confirmada por otros científicos y en otros tipos de organismos, fue importante para establecer el hecho de que el núcleo es el portador de la información hereditaria. En el caso de la especie humana, por ejemplo, la única parte del espermatozoide que es retenida en el interior del óvulo es el núcleo.

Otra pista de la importancia del núcleo se obtuvo como resultado de las observaciones del citólogo alemán Walter flemming (1843-1905), también hace casi 100 años. Flemming observó “la danza de los cromosomas”, es decir, los procesos de duplicación, alineación y separación de las cromátides que ocurren cuando se dividen las células eucariontes, y reconstruyó cuidadosamente la secuencia de estos acontecimientos. El hecho de que Hertwig y Flemming hicieran sus observaciones más o menos en la misma época no fue producto de la casualidad, ya que en ese entonces acababan de incorporarse enormes mejoras en los microscopios ópticos y en las técnicas de microscopia.

Desde la época de Flemming se diseñaron y realizaron varios experimentos para investigar el papel del núcleo celular. En un experimento simple, se eliminó por microcirugía el núcleo de un organismo unicelular eucarionte -una ameba-. La ameba dejó de dividirse y en pocos días murió. Sin embargo, al implantar un núcleo de otra ameba dentro de las 24 horas siguientes a la eliminación del núcleo original, la célula era capaz de sobrevivir y de dividirse normalmente.

En los primeros años de la década de 1930, el citólogo alemán Joachim Hämmerling (1901-1980) estudió las funciones del núcleo y del citoplasma en forma comparada, aprovechando ciertas propiedades inusuales del alga marina Acetabularia. El cuerpo de Acetabularia está formado por una única célula gigante de 2 a 5 centímetros de altura. Los individuos poseen un “sombrero”, un pedicelo y un “pie”, que constituyen porciones diferenciadas de la célula única. El núcleo de la célula está contenido en la porción del “pie”. Si se elimina el sombrero, la célula rapidamente genera uno nuevo. Diferentes especies de Acetabularia tienen distintos tipos de sombrero. Acetabularia mediterranea, por ejemplo, tiene un sombrero compacto con forma de sombrilla y Acetabularia crenulata tiene un sombrero con estructuras con forma de pétalo.

Hämmerling interpretó estos resultados como indicio de que ciertas sustancias determinantes del sombrero son producidas bajo la dirección del núcleo. Estas sustancias se acumulan en el citoplasma, y ésta es la razón por la que el sombrero formado poco después del trasplante nuclear era de tipo intermedio. Sin embargo, en el momento en que se formó el segundo sombrero se habían agotado ya las sustancias determinantes de la forma de sombrero, presentes en el citoplasma antes del trasplante, de modo que la forma de éste estaba por completo bajo el control del nuevo núcleo.

Podemos ver, por los experimentos, que el núcleo desempeña dos funciones fundamentales para la célula. En primer lugar, lleva la información hereditaria que determina si un tipo particular de célula se desarrollará en (o será parte de) un paramecio, un roble o un ser humano, sino en aquel que se asemeje al padre o padres de ese organismo único particular. Cada vez que la célula se divide, esta información pasa a las dos nuevas células. En segundo lugar, según indicó el trabajo de Hämmerling, el núcleo ejerce una influencia continua sobre las actividades de la célula, asegurando que las moléculas complejas que ella requiere se sinteticen en la cantidad y el tipo necesarios.

El núcleo es la estructura típica de la célula eucarionte, que habría surgido en el curso de la historia evolutiva por invaginación de la membrana celular de organismos procariontes. En el núcleo de las células eucariontes se encuentran las moléculas que contienen la información hereditaria -las moléculas de DNA-. En su interior también se sintetiza RNA y se producen procesos clave relacionados con la regulación de la expresión genética. Es una estructura frecuentemente esférica y voluminosa en relación con el tamaño total de la célula: tiene alrededor de 5 um de diámetro y suele ocupar aproximadamente un 10% del volumen celular. Está rodeado por una envoltura nuclear, constituida por dos membranas concéntricas, cada una de las cuales es un bicapa lipídica. Estas dos membranas están separadas por un espacio perinuclear de unos 20 a 40 nanómetros pero, a intervalos frecuentes, las membranas están perforadas y forman pequeños poros nucleares por donde circulan materiales entre el núcleo y el citoplasma. Cada poro está constituido por una estructura discoidal con más de 100 moléculas de proteína, que se conoce como el complejo del poro nuclear. Estos poros permiten la difusión pasiva (es decir, sin gasto de energía) de moléculas solubles pequeñas; en cambio, las moléculas grandes como las proteínas se movilizan según señales específicas hacia adentro o afuera del núcleo, por medio de transporte activo (con gasto de energía) y con cambios en la conformación del complejo del poro. También por este complejo pasan hacia el citoplasma las partículas de ribonucleoproteínas (formadas por RNA y proteínas).

En las células eucariontes, el material genético -DNA- es lineal y está fuertemente unido a cierto tipo de proteínas llamadas histonas, y también a proteínas no histónicas. Cada molécula de DNA con sus proteínas histónicas y no histónicas constituyen un cromosoma. Los cromosomas se encuentran en el núcleo y cuando una célula no se está dividiendo, forman una maraña de hilos delgados, la cromatina, en la que los cromosomas individuales son indistinguibles. Cuando la célula se divide, la cromatina se condensa y los cromosomas se hacen visibles como entidades independientes. El cuerpo más conspicuo dentro del núcleo es el nucléolo; en él se construyen las subunidades de los ribosomas. Pueden encontrarse uno o dos nucléolos por núcleo. Visto con el microscopio electrónico, el nucléolo aparece como un conjunto de delicados gránulos y fibras diminutas. Estos gránulos y fibras están constituidos por filamentos de cromatina, RNA ribosómico está siendo sintetizado y partículas de ribosomas inmaduros que se forman con el RNA sintetizado y las proteínas que llegan desde el citoplasma. Los nucléolos pueden variar en tamaño de acuerdo con la actividad sintética de la célula.