Il nucleo è il centro di comando centrale di una cellula eucariotica, immagazzina materiale genetico e orchestra l'attività cellulare. Nei procarioti, l'informazione genetica è dispersa nel citoplasma, mentre molte cellule eucariotiche, come i globuli rossi, sono anucleate. Tuttavia, la stragrande maggioranza delle cellule umane contiene uno o più nuclei che controllano la funzione cellulare.
Essendo un organello chiave, il nucleo è racchiuso da una doppia membrana nota come involucro nucleare. Questo involucro è composto da doppi strati lipidici simili a quelli che circondano altri organelli e la cellula stessa. L'involucro salvaguarda il nucleo regolando allo stesso tempo il traffico attraverso numerosi pori nucleari. Le piccole molecole (acqua, ioni, RNA, ATP) passano liberamente, mentre le proteine e i complessi più grandi attraversano i pori attraverso il trasporto attivo.
All'interno, la cromatina, un complesso di DNA e proteine istoniche, riempie il nucleo. Negli esseri umani, la cromatina è organizzata in 46 cromosomi, ciascuno costituito da un lungo filamento di DNA avvolto attorno agli ottameri di istoni per formare nucleosomi. Questi nucleosomi si avvolgono in strutture di ordine superiore, condensando infine il DNA per adattarsi al nucleo.
Il nucleolo, una sottostruttura densa, è il sito della sintesi dell'RNA ribosomiale e dell'assemblaggio dei ribosomi. Il suo aspetto scuro al microscopio riflette il suo alto contenuto ribosomiale.
Il DNA è costituito da nucleotidi, ciascuno comprendente uno zucchero desossiribosio, un gruppo fosfato e una base azotata (adenina, citosina, guanina, timina). Quattro basi si accoppiano in modo complementare – A con T, C con G – formando la classica struttura a doppia elica. Un singolo genoma umano contiene circa 6 piedi di DNA quando viene allungato, ma questo viene condensato attraverso l'impacchettamento della cromatina.
La cromatina esiste in due stati:eterocromatina, compattata e trascrizionalmente inattiva, ed eucromatina, poco compattata e trascritta attivamente. Questa organizzazione dinamica regola l'accessibilità dei geni.
La trascrizione – il primo passo nel dogma centrale – avviene nel nucleo. L'RNA polimerasi si lega alle sequenze del promotore, svolge la doppia elica del DNA e sintetizza l'RNA messaggero (mRNA) da un filamento complementare. L'mRNA risultante trasporta l'uracile invece della timina e sostituisce lo zucchero con il ribosio.
Dopo la trascrizione, il pre‑mRNA subisce lo splicing per rimuovere gli introni, lasciando solo gli esoni. L'mRNA maturo esce dal nucleo, viaggia verso un ribosoma nel citoplasma e viene tradotto in una catena polipeptidica.
Sebbene gli errori di trascrizione siano rari, possono portare a mutazioni. Ciononostante, la fedeltà dei meccanismi di replicazione e riparazione del DNA preserva l'integrità genomica.
La mitosi è un processo in cinque fasi (profase, prometafase, metafase, anafase, telofase) che garantisce un'accurata segregazione cromosomica. Durante la profase i cromosomi si condensano e il nucleolo svanisce. Nella prometafase, l'involucro nucleare si smonta, consentendo ai microtubuli del fuso di attaccarsi ai cinetocori.
La rottura dell'involucro è guidata da eventi di fosforilazione e defosforilazione mediati da chinasi, mentre le lamine, proteine dei filamenti intermedi, vengono depolimerizzate. La mitosi chiusa, osservata in organismi come il lievito, mantiene l'involucro durante la divisione.
La telofase prevede la riformazione degli involucri nucleari attorno a ciascuna serie di cromosomi, seguita dalla citocinesi, che divide il citoplasma e completa la divisione cellulare.
La comprensione di questi processi sottolinea il ruolo vitale del nucleo nel mantenimento della funzione e della fedeltà cellulare durante tutto il ciclo di vita.
