El transporte citoplasmático nuclear es un intercambio de material entre el núcleo celular y el citoplasma de la célula, que se lleva a cabo a través de los poros nucleares . El transporte citoplasmático nuclear se puede dividir en dos categorías: transporte activo , que requiere energía, así como proteínas receptoras especiales y factores de transporte, y transporte pasivo , que procede por simple difusión de moléculas a través del canal del poro nuclear.
Las moléculas pequeñas ( iones , metabolitos , mononucleótidos , etc.) son capaces de moverse pasivamente entre el citoplasma y el núcleo debido a la difusión [1] . La conductividad de los poros nucleares para moléculas de diferentes tamaños es diferente: una proteína que pesa menos de 15 kDa penetra en el núcleo más rápido que una proteína que pesa más de 30 kDa. Las moléculas de proteína que pesan más de 40 kDa, aparentemente, no pueden pasar pasivamente a través de los poros nucleares. Sin embargo, incluso las proteínas pequeñas que realizan funciones en el núcleo, como las histonas , en la mayoría de los casos se transportan allí en combinación con proteínas transportadoras, en lugar de hacerlo de forma pasiva [2] .
Las moléculas mucho más grandes y los complejos supramoleculares completos pueden pasar por transporte activo a través de los poros nucleares. Por lo tanto, las subpartículas ribosómicas que pesan varios megadaltons se transportan desde el núcleo hasta el citoplasma a través de poros nucleares y no hay razón para suponer que el proceso de transporte va acompañado de un desensamblaje parcial de estas subpartículas. Los sistemas de transporte activo proporcionan todo el intercambio macromolecular entre el núcleo y el citoplasma. Las moléculas de ARN sintetizadas en el núcleo ingresan al citoplasma a través de los poros y las proteínas involucradas en el metabolismo nuclear ingresan al núcleo. Además, algunas proteínas deben entrar en el núcleo de forma constitutiva (por ejemplo, las histonas ), mientras que otras responden a determinados estímulos (por ejemplo, los factores de transcripción ).
La pequeña GTPasa Ran, que pertenece a la familia de las GTPasas tipo Ras y sirve para acoplar el transporte con la hidrólisis de GTP , juega un papel central en el transporte activo nuclear-citoplasmático de proteínas , lo que hace que el proceso sea irreversible (suministra energía). Ran puede acomplejarse con GTP o con GDP . Al igual que otras GTPasas similares a Ras, Ran consta de un pequeño dominio G y contiene dos bucles de superficie, interruptor-I y interruptor-II, que cambian de conformación según el nucleótido unido [2] . El acto real de hidrólisis de GTP se lleva a cabo directamente por Ran. El factor de intercambio de nucleótidos ( G TPase E xchange Factor , GEF) para Ran, la proteína de unión a la cromatina RCC1, se localiza exclusivamente en el núcleo, y los activadores de la actividad GTPasa (Ing. G TPase Activation Protein , GAP) RanGAP1 y algunos otros Las proteínas están exclusivamente en el citoplasma. Esta localización asimétrica conduce a la formación de un gradiente: la forma de Ran unida a GTP se localiza predominantemente en el núcleo, mientras que, por el contrario, la forma unida a GDP se encuentra en el citoplasma. Ran se utiliza para suministrar energía a los procesos de importación y exportación de varios sustratos, y el esquema completo se denomina ciclo Ran (inglés, ciclo Ran). Las etapas clave del ciclo de Ran son la hidrólisis de GTP en el citoplasma y el intercambio de GDP por GTP en el núcleo.
Las proteínas nucleares contienen secuencias de aminoácidos especiales que son responsables de su localización en el núcleo: señales de localización nuclear ( N uclear Localization Signal , NLS ) . Las señales de localización nuclear son los sitios de reconocimiento de la molécula por factores de transporte: transportinas (carioferinas), que transfieren la proteína sustrato al núcleo. Uno de los primeros en ser descubierto fue la llamada señal de localización nuclear clásica o básica (cNLS). Es uno o dos grupos de residuos de aminoácidos cargados positivamente ( arginina y lisina ) y es reconocido por las carioferinas-α [1] . La translocación de proteínas al núcleo, a diferencia de la translocación a las mitocondrias y el retículo endoplásmico , no se acompaña de la escisión de esta secuencia señal ni del despliegue de la cadena polipeptídica. Además de la unión al sustrato, las transportinas y sus complejos pueden anclarse en el poro nuclear y unirse a Ran.
Consideremos el mecanismo de entrada de sustrato en el núcleo utilizando el ejemplo de la importación de proteínas que contienen NLS. La primera etapa del transporte es el reconocimiento del sustrato por las transportinas, en este caso, por un complejo de importinas-α / β (las transportinas involucradas en el transporte al núcleo se llaman importinas, y desde el núcleo, exportinas ). Luego, el complejo formado se ancla en las proteínas del poro nuclear desde el lado citoplásmico y se traslada a través del canal al núcleo, donde Ran-GTP se une a él, lo que provoca la disociación del complejo y la liberación de la carga. Después de eso, las importinas en el complejo con Ran-GTP se envían de regreso al citoplasma, donde Ran hidroliza GTP bajo la acción de RanGAP1 (GTP => GDP + PO 4 3- ). El complejo Ran-GDP-importin α/β es inestable y se disocia. Ran-GDP se transporta de regreso al núcleo a través de su propio transportador, la proteína dimérica NTF2. En el núcleo, bajo la acción de la proteína RanGEF, el GDP en el centro activo de Ran es reemplazado por GTP y así se cierra el ciclo.
Consideremos ahora el mecanismo de exportación desde el núcleo usando el ejemplo de proteínas que contienen señales de exportación nuclear ( N uclear Export Signal , NES). Estas secuencias señal se caracterizan por un alto contenido de aminoácidos hidrofóbicos. La primera etapa del transporte aquí es también la recepción del sustrato por la exportina específica Crm1 (inglés, C cromosoma R egion Maintenance ) y la formación del complejo. La principal diferencia entre los mecanismos de exportación es el hecho de que, en el caso de la exportación, el complejo de translocación, además del sustrato y Crm1, también incluye Ran-GTP, es decir, la conjugación con el ciclo Ran ocurre en la etapa de translocación, y no en la etapa de reimportación del receptor. Después de pasar a través del poro nuclear hacia el citoplasma, Ran escinde el GTP, el complejo pierde su estabilidad y se disocia, liberando la carga.