14.1. El nucleolo: visión general
El nucleolo es la estructura más prominente del núcleo interfásico al microscopio óptico. Se tiñe de forma diferente al resto del núcleo y es visible sin técnicas especiales. Es el lugar donde se produce la síntesis del ARN ribosómico (ARNr) y el ensamblaje de las subunidades ribosomales.
Una célula puede tener entre 1 y 10 nucleolos según su actividad biosintética. Las células con alta demanda de síntesis proteica tienen nucleolos grandes y numerosos. Está formado por ARNr y proteínas ribosomales, pero no tiene membrana propia: es una condensación funcional delimitada por su propia actividad transcripcional.
Estructura nuclear sin membrana propia, formada por ADN ribosómico, ARNr en síntesis y proteínas ribosomales. Función principal: síntesis del ARNr y ensamblaje de las subunidades ribosomales que se exportarán al citoplasma.
14.2. Estructura del nucleolo
Al microscopio electrónico de transmisión el nucleolo muestra tres regiones morfológicamente distintas, cada una con una función específica en la biogénesis ribosomal:
14.2.1. Centro fibrilar
El centro fibrilar aparece como una zona de granulado muy fino y claro en el interior del nucleolo. Contiene el ADN organizador del nucleolo, los genes que codifican el ARNr (genes rDNA). Es la región donde se almacena la plantilla para la transcripción del ARNr pero donde la transcripción aún no ha comenzado o es muy baja.
14.2.2. Parte fibrilar
La parte fibrilar rodea al centro fibrilar y aparece como una zona de granulado muy fino pero más denso. Es la región de transcripción activa del ARNr: aquí la ARN polimerasa I sintetiza los transcritos primarios de ARNr a partir del ADN organizador del nucleolo. Los transcritos recién sintetizados se procesan en esta región: se eliminan los espaciadores internos y se generan los ARNr maduros.
14.2.3. Parte granular
La parte granular es la región más externa del nucleolo y aparece como un granulado más grueso. Es la zona de ensamblaje: aquí los ARNr maduros se complejan con las proteínas ribosomales importadas del citoplasma, formando las subunidades ribosomales inmaduras (pre-40S y pre-60S) que posteriormente se exportarán al citoplasma a través de los complejos de poro.
La organización del nucleolo refleja el flujo de producción ribosomal:
ADN en el centro fibrilar → transcripción en la parte fibrilar → ensamblaje en la parte granular → exportación al citoplasma.
14.3. Variación del nucleolo en el ciclo celular
El nucleolo tiene un comportamiento cíclico ligado al ciclo celular:
- En la profase de la mitosis, la transcripción del ARNr se detiene y el nucleolo disminuye progresivamente hasta desaparecer. Los genes organizadores del nucleolo quedan silenciados y el ADN ribosómico se compacta con el resto de la cromatina al condensarse los cromosomas.
- Durante la metafase y anafase no existe nucleolo. Los cromosomas están condensados y la transcripción está globalmente silenciada.
- En la telofase, al descondensarse los cromosomas, los genes organizadores del nucleolo se reactivan y comienza de nuevo la transcripción del ARNr. Aparecen inicialmente múltiples nucleolos pequeños (hasta 10) asociados a los distintos cromosomas acrocéntricos que contienen los genes rDNA. Estos nucleolos aumentan de tamaño y se fusionan progresivamente hasta formar 1, 2 o 3 nucleolos de gran tamaño en la célula hija en interfase.
14.4. El ribosoma: estructura general
El ribosoma es una partícula ribonucleoproteica de pequeño tamaño (~15-20 nm) presente en todas las células (procariotas y eucariotas) en la que tiene lugar la síntesis de proteínas (traducción). Fueron descubiertos por George Palade en 1953 mediante microscopía electrónica, lo que le valió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1974.
14.4.1. Subunidades y coeficientes de sedimentación
El ribosoma está formado por dos subunidades de distinto tamaño que se mantienen disociadas en el citoplasma y se asocian únicamente cuando deben traducir un ARNm:
- La subunidad pequeña (40S) en eucariotas. Contiene el ARNr 18S y ~33 proteínas. Es responsable del posicionamiento del ARNm y de los ARNt para que la lectura del código genético ocurra sin errores.
- La subunidad grande (60S) en eucariotas. Contiene los ARNr 28S, 5.8S y 5S, y ~49 proteínas. Cataliza la formación del enlace peptídico entre los aminoácidos.
El ribosoma completo tiene un coeficiente de sedimentación de 80S.
Los coeficientes de sedimentación (unidades Svedberg, S) no son aditivos — el ribosoma completo es 80S, no 100S (40S + 60S). Esto se debe a que la forma y densidad del complejo ensamblado difieren de la suma de sus partes.
Los ribosomas procariotas son más pequeños: subunidad pequeña 30S, subunidad grande 50S, ribosoma completo 70S. Esta diferencia de tamaño es la base de la acción selectiva de muchos antibióticos que inhiben la síntesis proteica bacteriana sin afectar a los ribosomas eucariotas (estreptomicina, tetraciclinas, eritromicina).
| Característica | Procariotas | Eucariotas |
|---|---|---|
| Ribosoma completo | 70S | 80S |
| Subunidad pequeña | 30S — ARNr 16S + ~21 proteínas | 40S — ARNr 18S + ~33 proteínas |
| Subunidad grande | 50S — ARNr 23S + 5S + ~31 proteínas | 60S — ARNr 28S + 5.8S + 5S + ~49 proteínas |
| Velocidad de síntesis | ~20 aminoácidos/segundo | ~2 aminoácidos/segundo |
| Localización | Citoplasma | Citoplasma, RE rugoso, mitocondrias, cloroplastos |
| Sensibilidad a antibióticos | Sí — estreptomicina, tetraciclinas, eritromicina | No (selectividad terapéutica) |
14.4.2. Composición química
El ribosoma es una estructura muy hidratada (70% agua). El 30% restante en peso seco está compuesto por:
- ARNr: ~60% del peso seco. El componente funcional principal.
- Proteínas: ~40% del peso seco. Función principalmente estructural.
La función catalítica del ribosoma (la formación del enlace peptídico) depende fundamentalmente del ARNr, no de las proteínas. El ribosoma es en esencia una ribozima, un enzima de ARN. Las proteínas ribosomales sirven principalmente para estabilizar y posicionar correctamente los ARNr.
14.4.3. Sitios de unión a ARN
El ribosoma posee cuatro sitios funcionales de unión a ARN:
- Sitio de unión al ARNm: en la subunidad pequeña. Es donde el ARNm se posiciona para ser leído en dirección 5’→3′.
- Sitio A (aminoacil): recibe el nuevo aminoacil-ARNt que porta el aminoácido que se va a incorporar a la cadena.
- Sitio P (peptidil): sostiene el ARNt unido a la cadena polipeptídica en crecimiento. Aquí se cataliza la formación del enlace peptídico.
- Sitio E (salida o exit): por donde sale el ARNt ya desaminoacilado (vacío) tras ceder su aminoácido a la cadena.
Los sitios A y P están muy próximos entre sí. Esto garantiza que cuando los ARNt se unan y desplacen, lo hagan exactamente la distancia de un codón (tres bases), asegurando la fidelidad de la lectura.
14.5. Localización y tipos de ribosomas
14.5.1. Ribosomas libres vs. unidos al RE
En las células eucariotas existen dos poblaciones de ribosomas funcionalmente equivalentes:
- Ribosomas libres: dispersos en el citoplasma, frecuentemente agrupados en polirribosomas. Sintetizan proteínas destinadas al citoplasma, núcleo, mitocondrias y peroxisomas.
- Ribosomas unidos al RE rugoso: adheridos a la membrana del retículo endoplásmico en su cara citosólica, dando el aspecto rugoso característico. Sintetizan proteínas destinadas a secreción, membrana plasmática, lisosomas y el propio RE.
Los ribosomas son todos estructuralmente idénticos. La diferencia de localización no depende del ribosoma sino de la proteína que está sintetizando. Si la proteína contiene un péptido señal (secuencia N-terminal de ~16-30 aminoácidos hidrofóbicos), el complejo ribosoma-ARNm-cadena naciente es reconocido por la partícula de reconocimiento de señal (SRP) y dirigido al RE rugoso. Si no hay péptido señal, la síntesis continúa en el citoplasma.
14.5.2. Polirribosomas
Un polirribosoma o polisoma es un conjunto de 5-10 ribosomas que leen simultáneamente el mismo ARNm, desplazándose a lo largo de él en dirección 5’→3′. Cada ribosoma del polisoma está en una etapa diferente de la traducción y produce una copia de la misma proteína.
Los polirribosomas aumentan la eficiencia de la traducción. En ellos, un solo ARNm puede producir múltiples copias de la proteína simultáneamente. Los ribosomas eucariotas incorporan aproximadamente 2 aminoácidos por segundo; los procariotas, ~20 aminoácidos por segundo.
14.5.3. Ribosomas en mitocondrias y cloroplastos
Las mitocondrias y los cloroplastos tienen sus propios ribosomas, similares a los procariotas (70S), lo que evidencia de su origen endosimbiótico. Los ribosomas mitocondriales humanos son 55S (subunidades 28S y 39S).
14.6. Biogénesis ribosomal
14.6.1. Los genes del ARNr
Los eucariotas tienen cuatro tipos de ARNr:
- ARNr 18S: componente de la subunidad 40S.
- ARNr 5.8S: componente de la subunidad 60S.
- ARNr 28S: componente principal de la subunidad 60S.
- ARNr 5S: componente de la subunidad 60S.
| ARNr | Subunidad ribosomal | ARN polimerasa | Localización génica |
|---|---|---|---|
| ARNr 18S | Subunidad pequeña (40S) | ARN polimerasa I | Cromosomas acrocéntricos 13, 14, 15, 21 y 22 (brazos cortos) · ~200 copias |
| ARNr 5.8S | Subunidad grande (60S) | ARN polimerasa I | Cromosomas acrocéntricos 13, 14, 15, 21 y 22 (brazos cortos) · cotranscrito con 18S y 28S |
| ARNr 28S | Subunidad grande (60S) | ARN polimerasa I | Cromosomas acrocéntricos 13, 14, 15, 21 y 22 (brazos cortos) · cotranscrito con 18S y 5.8S |
| ARNr 5S | Subunidad grande (60S) | ARN polimerasa III | Cromosoma 1 (brazo largo, región 1q42.13) · fuera del nucleolo |
Los genes que codifican el ARNr 5.8S, 18S y 28S están agrupados y se transcriben conjuntamente como un único transcrito precursor por la ARN polimerasa I. Este precursor único garantiza que los tres ARNr se produzcan en cantidades equimolares. Estos genes están en los brazos cortos de los cromosomas acrocéntricos 13, 14, 15, 21 y 22 y están muy repetidos (~200 copias por haploide). La alta demanda de ribosomas exige una producción masiva y continua de ARNr.
El gen del ARNr 5S es diferente: está fuera del nucleolo, en el brazo largo del cromosoma 1 (región 1q42.13), y es transcrito por la ARN polimerasa III. El ARNr 5S se transporta al nucleolo para ensamblarse con los demás.
14.6.2. Proceso de biogénesis en eucariotas
La biogénesis ribosomal en eucariotas sigue estos pasos:
- En el nucleolo, la ARN polimerasa I transcribe los genes rDNA produciendo un transcrito precursor largo (~45S) que contiene las secuencias de los ARNr 18S, 5.8S y 28S separadas por espaciadores. Este transcrito se procesa mediante cortes endonucleolíticos que eliminan los espaciadores y generan los ARNr maduros.
- Simultáneamente, las proteínas ribosomales son sintetizadas por ribosomas citoplásmicos e importadas al núcleo mediante señales NLS y carioferinas.
- En la parte granular del nucleolo, los ARNr maduros se van asociando progresivamente con las proteínas ribosomales formando partículas pre-ribosomales inmaduras.
- Las subunidades pre-40S y pre-60S se exportan al citoplasma por separado a través de los complejos de poro. En el citoplasma completan su maduración final.
- Las dos subunidades permanecen disociadas en el citoplasma hasta que se unen a un ARNm para iniciar la traducción. Al finalizar la traducción (codón STOP), las subunidades se separan de nuevo y quedan disponibles para nuevos ciclos.
El mecanismo de la traducción y el papel de los factores de iniciación, elongación y liberación se desarrollan en bioquímica y biología molecular, en el tema de síntesis y traducción de proteínas.
