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Resumen de biología (Cooper)
Capitulo 1 – Visión global de las células e investigación celular
Microscopia
MO: limite de resolución: 0,2 micrometros
-De campo luminoso: cel teñidas muertas
-De contraste de fase y de interferencia-contraste diferencial: cel vivas → una es video potenciada: mov de organelas marcados
-De fluorescencia: para ver moléculas, ej. Proteínas vivas o muertas. Tinción fluorescente con proteínas GFP que se pega a la diana
-FRAP: para medir la tasa de mov de las proteínas.
-FRET: se ve la interacción de 2 proteínas en una celula.
-Confocal: mas detallada q la de fluorescencia
-de exitación multifotónica: se ven células vivas tridimensionales con laser.
ME: limite de resolución: 0,004 nanometros
-MET: tintes positivos o negativos
-Tomografía electrónica: 3d a partir de 2d
-Sombreado de metal: superficies de estructuras subcelulares o macromoléculas. Imagen 3D por sombreado
(Kriofractura: separación por congelación con un bisturí para ver elementos de la membrana)
-MEB: imágenes 3D limite de resolución: 10 nanometros. SOLO células enteras (superficie). Para endocitosis y exocitosis, cilios y
flagelos
Separacion/fraccionamiento subcelular
-Centrifugación diferencial: aislar organelas
1. Para hacer la centrifugación hay que romper la membrana plasmática y RE: por licuación, sonicación, detergente,
reducción, shock osmótico (ponerlo en agua)
2. Ultracentrifugacion: las estructuras se van sedimentando (decantando) según el peso. Lo primero q decanta (lo mas
pesado) son el nucleo y cél enteras que quedaron sin romper. Lo segundo que decantan son mitocondrias, cloroplastos,
lisosomas y peroxisomas. Lo tercero que decanta son fragmentos de membrana plasmática y de RE. Lo ultimo que
decanta son ribosomas y citosol
Pelet: lo que cae. Sobrenadante: lo que queda arriba.
-Centrifugacion en gradiente de densidad: separa organelas de similar tamaño. Ej. sacarosa
-Centrifugación de equilibrio: separar compuestos subcelulares en función de su migración en un gradiente de densidad.
Shock de baja osmolaridad: para membrana de mitocondrias
Cultivos
Proteomica: análisis de las proteínas
-Proteoma: identificación y cuantificación, interacción y localizacion de las proteínas
-Metodos para identificar proteínas:
Electroforesis en gel bidimensional: separación de proteínas a gran escala (proteínas mas abundantes).
1 electroforesis: se establece un gradiente de pH y se separan según su carga
2 electroforesis: se separan por tamaño molecular
3. se tiñe el gel para verlas
4. se las extrae del gel y se las identifica en una base de datos por espectrometría de masas
-Metodos para localizar proteínas: fraccionamiento celular + marcar con GFP y miras con microscopio de fluorescencia
-Metodos para la interacción de proteínas: se aíslan proteínas de forman suaves para q sigan formando parte del complejo y se
hace una espectometria de masas.
Capítulo 5 – Organización y secuenciación de los genomas celulares
COMPLEJIDAD DE LOS GENOMAS DE EUCARIOTAS
Intrones y exones
Secuencias espaciadoras: Algunos ADN no codificantes en eucariotas representan largas secuencias de ADN que residen entre
genes
Exones: secuencias codificantes
Intrones: secuencias no codificantes. No son universales. Casi todos los genes de las histonas, por ejemplo, carecen de intrones.
La presencia o ausencia de intrones no es por tanto una distinción absoluta entre los genes procariotas y eucariotas. Muchos
intrones codifican ARN funcionales, como las pequeñas moléculas de ARN nucleolar que intervienen en el procesamiento del
ARN ribosómico y los microARN que actúan como reguladores destacados de la expresión génica en las células eucariotas. De
igual modo, los intrones contienen secuencias reguladoras que controlan la transcripción y el procesamiento del ARNm.
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Secuencias de ADN repetitivas
Las hebras desnaturalizadas de ADN hibridan unas con otras (se reasocian), volviendo a formar moléculas de doble hebra.
3 Clases de secuencias repetitivas:
- Repetición de secuencias sencillas: repeticiones en tándem de hasta miles de copias de secuencias cortas. Los ADN de secuencia
sencilla no se transcriben y no proporcionan información genética funcional.
- Otras secuencias repetitivas: de ADN se encuentran dispersas a través del genoma en lugar de agrupadas en repeticiones en
tándem. 2 clases de estas secuencias:
o SINE: corta, no codifica proteínas, su función es desconocida
o LINE: se transcriben y al menos algunos de ellos codifican para proteínas, pero al igual que los SINE, no poseen función
conocida.
Estas dos secuencias son retrotransposones: su transposición esta mediada por la transcripción inversa. Un ARN copia
de una secuencia SINE o LINE es convertido en ADN por la transcriptasa inversa en el interior celular, y la nueva copia de
ADN se integra en un nuevo punto del genoma.
- Elementos semejantes a retrovirus: se mueven dentro del genoma por transcripción inversa.
- Transposones de ADN: se mueven por el genoma siendo copiados y reinsertados como secuencias de ADN en lugar de moverse
mediante transcripción inversa.
Duplicación génica y pseudogenes
En algunos casos, múltiples copias de genes son necesarias para producir ARN o proteínas.
Familia génica: miembros concretos de un grupo de genes relacionados que pueden ser transcritos en diferentes tejidos o en
diferentes etapas del desarrollo.
Pseudogenes: genes que han sido desactivados por mutación. Tales copias no serán funcionales, reliquias evolutivas con ninguna
contribución genética funcional
Pseudogén procesado: copia génica inactiva, resultado de la duplicación de un gen por transcripción inversa
CROMOSOMAS Y CROMATINA
El ADN de las células eucariotas se encuentra organizado de forma diferente al de las células procariotas.
ADN procarita: Los genomas contienen cromosomas únicos, y en moléculas de ADN circulares.
ADN eucariota: Los genomas están compuestos por múltiples cromosomas, cada uno de los cuales contiene una molécula de
ADN linear. El ADN de las células eucariotas está fuertemente unido a unas pequeñas proteínas básicas (histonas) que
empaquetan el ADN de manera ordenada en el núcleo de la célula.
- ADN mitocondrial: varias copias de ADN circular
Cromatina
ADN eucariótico + proteínas: cromatina (doble de proteína que de ADN)
Nucleosomas: unidad básica estructural de la cromatina. Unidades que se repiten cada 200 pares de bases. H2alfa, H2beta, H3, H4
+ H1 que pega el ADN a los H
Histonas: proteínas que forman los nucleosomas. Contienen aminoácidaos básicos (arginina y lisina).
Existen 5 tipos importantes de histonas: H1, H2A, H2B, H3 y H4
Nucleasas: degradan ADN. Solo puede atacar en lugares separados por aprox 200 pares de bases (porque los nucleosomas están
protegidos por proteínas
Una digestión más extensa de la cromatina con la nucleasa micrococal producía partículas llamadas partículas centrales o cores
del nucleosomas
La H1, se encuentra unida al ADN cuando entra en una partícula central o core del nucleosoma. Esto forma una subunidad de
cromatina llamada cromatosoma
Centrómeros
Centrómero: son secuencias específicas de ADN a las que se unen numerosas proteínas de unión, formando una estructura
llamada:
Cinetocoro: Asegura la correcta distribución de los cromosomas duplicados a las células hijas durante la mitosis.
Cromatina centromérica posee una estructura única. Contiene H3 centromérica (CenH3 o CENP-A)
El principal determinante de la identidad y la función de los centrómeros sería la estructura de la cromatina en lugar de una
secuencia específica de ADN
Herencia epigenética: transferencia de información no basada en la secuencia del ADN de una célula parental a su descendencia.
Telómeros
Telómeros: Secuencias específicas en las terminaciones cromosómicas normales. Las secuencias de las repeticiones de los
telómeros en humanos y en otros mamíferos es TTAGGG. Estas secuencias se repiten. Las secuencias repetidas del ADN
telomérico de algunos organismos forman bucles al final de los cromosomas y se une a un complejo proteico que protege a los
extremos del cromosoma frente a su degradación.
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Telomerasa: emplea actividad de transcriptasa inversa para duplicar el ADN telomérico a partir de ARN ya que las terminaciones
de los cromosomas lineales no pueden ser replicadas por la ADN polimerasa en condiciones normales.
El mantenimiento de los telómeros parece ser un factor importantes a la hora de determinar las expectativas de vida y la
capacidad reproductiva de las células. La actividad de la telomerasa está regulada en las células en división para mantener los
telómeros a su longitud normal. La mayoría de las células somáticas no poseen niveles suficientemente elevados de telomerasa
para mantener la longitud de sus telómeros durante un número indefinido de divisiones celulares. Como consecuencia, los
telómeros gradualmente se acortan a medida que las células envejecen, y este acortamiento finalmente desencadena la muerte
celular o senescencia. Las células cancerosas expresan niveles anormalmente elevados de telomerasa, lo que les permite
continuar dividiéndose indefinidamente.
SECUENCIAS DE LOS GENOMAS COMPLETOS
Genoma humano
El genoma humano se distribuye a lo largo de 24 cromosomas (22 autosomas y 2 cromosomas sexuales).
Hibridación de fluorescencia in situ o FISH: método empleado con frecuencia para localizar genes. Sondas marcadas con
colorantes fluorescentes a los cromosomas
Capítulo 6 – Replicación, mantenimiento y reorganización del ADN genómico
REPLICACIÓN DEL ADN
Proceso semiconservativo
ADN polimerasas
ADN polimerasa: cataliza la unión de los desoxirribonucleosidos 5´-trifosfato (dNTP) para formar la cadena de ADN en
crecimiento. Lee de 3´a 5´y sintetiza de 5´a 3´(chequear)
En procariotas: ADN pol III: replica el ADN.
En eucariotas: hay 3 ADN pol (α δ ε) para la replicación del ADN nuclear
-En mitoconrias: ADN pol γ: replica el ADN mitocondrial
Las ADN pol pueden añadir un nuevo desoxirribonucleótido solo a una hebra cebadora ya existente que se encuentra unida
mediante puentes de hidrógeno a una hebra molde; no son capaces de iniciar la síntesis de ADN de novo mediante la catálisis de
la polimerización de dNTP libres. En este sentido, las ADN pol difieren de las ARN pol, que pueden iniciar la síntesis de una nueva
hebra de ARN en ausencia de un cebador.
Horquilla de replicación
Horquillas de replicación: hay una por cada hebra (2x molec de ADN): regiones de la síntesis activa de ADN.
Hebras sintetizadas:
-Conductora: se sintetiza de manera continua en la dirección de la replicación del ADN
-Tardía: se forma a partir de pequeñas piezas discontinuas de ADN (fragmentos de Okazaki) que se sintetizan al revés con
respecto al movimiento de la horquilla de replicación. Cebadores: fragmentos cortos de ARN sintetizadas por la primasa (la
síntesis puede iniciarse de novo). Los fragmentos de Okazaki se sintetizan mediante la extensión de estos iniciadores de ARN por
la ADN pol. Para formar una hebra tardía contínua de ADN, los iniciadores de ARN deben eliminarse de los fragmentos de Okazaki
y ser sustituidos con ADN.
- En procariotas, los cebadores de ARN son eliminados mediante la acción de la ADN Pol I (exonucleasa).
- En células eucariotas, los cebadores de ARN son eliminados por la acción combinada de la ARNasa H. Los huecos
resultantes son rellenados por la pol δ
y los fragmentos de ADN son unidos mediante la ADN ligasa, generando una
hebra tardía intacta.
Helicasas: enzimas que catalizan el desenrollamiento del ADN parental, emparejadas con la hidrólisis de ATP. Proteínas de unión
al ADN monocatenario (una sola hebra): estabilizan la hebra molde de ADN desenrollada, manteniéndola en un estado de hebra
única extendida para que sea copiada por la pol.
Topoisomerasas: corrige el superenrrollamiento que realiza la horquilla. Función de nucleasa y ligasa
- Topoisomerasas del tipo I: rompen solo una hebra de ADN
- Topoisomerasas del tipo II: introducen roturas simultáneas en ambas hebras.
> En procariotas, también es necesaria para separar las nuevas moléculas replicadas de ADN circular que
aparecen entrelazadas las unas con las otras.
> En eucariotas, parece estar involucrada en la condensación mitótica de los cromosomas. Es necesaria para la
separación de las cromátidas hijas durante la mitosis, sugiriendo que desempeña una función de
desenrollamiento de los lazos de nueva replicación del ADN en los cromosomas de eucariotas.
Fidelidad de replicación
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ADN pol aumenta la fidelidad de la replicación:
-Ayudando a seleccionar la base correcta para la inserción en el nuevo ADN sintetizado.
-Doble lectura de la ADN pol. Participan las ADN pol replicativas (pol eucariotas δ , ε y pol III de E. Coli) poseen actividad
exonucleasa que puede hidrolizar el ADN en la dirección 3´a 5.
Orígenes e iniciación de la replicación
Origen de replicación: secuencia única en la cual comienza la replicación del ADN procariota y eucariota
Proteína iniciadora: se une a secuencias específicas del ADN dentro del origen. Ésta comienza desenrollando el origen del ADN y
recluta a las otras proteínas implicadas en la síntesis del ADN.
La helicasa junto con proteínas de unión al ADN monocatenario continúan desenrollando y presentando al ADN molde, y la
primasa inicia la síntesis de las hebras conductoras. Se forman dos horquillas de replicación que se mueven en sentidos opuestos
a lo largo del cromosoma circular de E. Coli.
REPARACIÓN DEL ADN
Inversión directa del ADN dañado
Proceso de fotorreactivación: se forman dímeros de pirimidina que resultan de la exposición a los rayos UV. Se unen las
pirimidinas adyacentes en la misma hebra de ADN están unidas. La formación de dichos dímeros distorsiona la estructura de la
cadena de ADN y bloquea la transcripción o replicación al pasar por el daño, de manera que su reparación está relacionada con la
capacidad de las células para sobrevivir a la radiación. (Los humanos carecemos de este tipo de reparación)
Reparación al daño producido por la reacción entre agentes alquilantes y el ADN: Los agentes alquilantes son compuestos
reactivos que son capaces de transferir grupos metilo y etilo a una base de ADN, modificando por tanto químicamente la base. Un
tipo de daño particularmente importante es la metilación de la guanina en posición O, debido a que el producto, O-metilguanina,
forma pares de bases complementarias con timina en lugar de citosina. Esta lesión puede ser reparada por O-metilguanina
metiltransferasa que transfiere el grupo metilo desde la O-metilguanina al sitio activo de un residuo de cisteína. Por tanto se
elimina la modificación química mutagénica potencial y se restaura la guanina original.
Reparación por escisión
El ADN dañado es reconocido y eliminado, como bases independientes o como nucleótidos. El espacio vacío generado se rellena
con la síntesis de una nueva hebra de ADN, utilizando la hebra complementaria no dañada como molde. Hay tres tipos de
reparación por escisión:
o Reparación por escisión de base: reconoce solo formas específicas de bases dañadas. Ej: La reparación de una ADN que
contiene uracilo. El uracilo puede surgir en el ADN por dos mecanismos 1.se incorpora ocasionalmente en el lugar de una
timina durante la síntesis del ADN 2.se puede formar en el ADN por la desaminación de una citosina. La escisión del
uracilo en el ADN está catalizada por la ADN glicosilasa. El resultado de la acción de la ADN glicosilasa es la formación de
un sistema apirimidínico o apurínico (llamado AP) en el ADN. Estos sitios son reparados por la AP endonucleasa, que
rompe de forma adyacente al sitio AP. La desoxirribosa restante por tanto se elimina y el espacio de una sola base
resultante es rellenado por la ADN polimerasa y ligasa
o Reparación por escisión de nucleótidos: las bases son eliminadas como parte de un oligonucleótido que contiene la
lesión. Reconoce a una gran variedad de bases dañadas que distorsionan a la molécula de ADN, incluyendo dímeros de
pirimidina inducidos por UV y grupos voluminosos añadidos a las bases de ADN como resultado de la reacción de muchos
carcinógenos con el ADN.
o Reparación del desapareamiento: reconoce a las bases no complementarias que se incorporan durante la replicación del
ADN. Muchas de estas bases no complementarias se eliminan por la actividad de la doble lectura de la ADN pol. Las que
se pierden son el objetivo de una corrección posterior por parte del sistema de reparación no complementaria. Si se
encuentra una no-complementariedad, las enzimas de este sistema de reparación son capaces de identificar y escindir la
base no complementaria específicamente de la hebra de ADN recién replicada, permitiendo que se corrija el error y la
secuencia original sea reemplazada.
La reparación no complementaria se inicia con la proteína MutS, que reconoce la no-complementariedad y forma un
complejo con otras dos proteínas llamadas MutL y MutH. La endonucleasa MutH rompe la hebra de ADN sin metilar en la
secuencia GATC. MutL y MutS actúan después juntas con una exonucleasa y una helicasa para escindir el ADN entre la
brecha de hebra y la no-complementariedad, dejando un espacio que lo rellenarán la ADN pol y la ligasa.
Síntesis de ADN translesión
Si estos sistemas fallasen, la célula posee mecanismos alternativos para tratar el ADN dañado en la horquilla de replicación. Las
células también poseen varias ADN pol especializadas capaces de replicar a través de un punto de ADN dañado.
Síntesis de ADN translesión: la célula puede cuentear la lesión del ADN en la horquilla de replicación, que puede ser corregido tras
completar la replicación.
Reparación de roturas de doble hebra
Reparación recombinatoria: unen de nuevo las hebras rotas.
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Capítulo 7 – Síntesis y maduración del ARN
OPERON (procariotas)
Operon: 3 genes: Z (beta-galactosidasa: rompe la unión de lactosa generando galactosa y glucosa) Y (permeasa: carrier de la
lactosa) A (transacetilasa)
Inducible: operon lac primero control negativo y después positivo
Reprimible: triptófano (trp) 5 genes: participan en una via anabólica
Capítulo 8 – Síntesis de proteínas, procesamiento y regulación
Capítulo 9 – Núcleo
ENVUELTA NUCLEAR Y TRÁFICO ENTRE EL NÚCLEO Y EL CITOPLASMA
Estructura de la envuelta nuclear
Envuelta nuclear: dos membranas nucleares + lámina nuclear en su cara interna + complejos de poros nucleares
Membranas nucleares: bicapa fosfolipídica permeable solo a pequeñas moléculas apolares. Se unen a los CPN.
Membrana nuclear externa: se continúa con la membrana del RE por lo que hay una comunicación directa entre el espacio
intermembrana y el lumen del RE. Además la membrana nuclear externa es funcionalmente similar a la del RE y también posee
ribosomas adheridos a su superficie citoplasmática.
Membrana nuclear interna: tiene proteínas únicas que son específicas para el núcleo, como aquellas que unen la matriz nuclear
de láminas.
Lámina nuclear: subyacente a la membrana interna, es una red fibrosa que proporciona soporte estructural al nucleo. Compuesta
de proteínas fibrosas denominadas lamininas (forman filamentos intermedios) junto a algunas proteínas asociadas. La lamina
interacciona con proteínas de la membrana interna como la emerina y el receptor de laminina B. También se une a la cromatina a
través de las histonas H2A y H2B además de a otras proteínas cromatínicas.
Complejo del poro nuclear (CPN)
Únicos canales a través de los cuales pueden viajar pequeñas moléculas polares, iones y macromoléculas (proteínas y ARN) entre
el núcleo y el citoplasma.
La mayoría de las proteínas y ARN atraviesan el poro central del complejo del poro nuclear mediante un proceso activo, en el que
las proteínas y los ARN adecuados son reconocidos y transportados selectivamente en una dirección específica.
Filamentos de proteínas se extienden desde el anillo citoplasmático y nuclear, formándose una estructura característica en forma
de cesta en el lado nuclear.
Transporte selectivo de proteínas desde y hacia el núcleo
Señales de localización nuclear: secuencias de aminoácidos específicos con los cuales se etiquetan los elementos para salir y
entrar del nucleo que son reconocido por los:
Receptores de transporte nuclear: dirigen la translocación de elementos a través del CPN. El movimiento de macromoléculas a
través del poro nuclear se controla por una proteína denominada Ran, cuya conformación y actividad están reguladas por la unión
y la hidrólisis de GTP. Ran regula el movimiento a través del poro nuclear controlando la actividad de los receptores de transporte
nuclear:
o Importinas: transportadoras de proteínas al nucleo. El complejo importina/proteína de transporte se une a continuación
a proteínas presentes en los filamentos citoplasmáticos del complejo del poro nuclear y se produce el transporte
mediante la unión secuencial a proteínas específicas del poro nuclear. En este proceso destacan las proteínas de
nucleoporina (proteínas FG), que revisten el canal central. En la cara nuclear del complejo del poro, el complejo de
proteínas de transporte/importina se separa por la unión de Ran/GTP. Esto produce un cambio conformacional en la
importina que desplaza a la proteína de transporte y la libera en el núcleo. En el citoplasma el GTP es hidrolizado a GDP.
Esto libera a la importina de modo que puede unirse a una nueva proteína transportadora.
o Exportinas: Las proteínas se etiquetan para ser exportadas del nucleo mediante una secuencia de aminoácidos
específica, llamada señal de exportación nuclear. Son reconocidas por receptores en el interior del núcleo exportinas.
Muchas exportinas pertenecen a una familia de receptores de transporte nuclear denominados carioferinas.
Forman complejos estables con sus proteínas diana y con Ran/GTP en el interior del nucleo.
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Una vez que se ha producido el transporte al lado citosólico de la envuelta nuclear, la hidrólisis de GTP y la liberación de
Ran/GDP provoca la disociación de la proteína diana, que es liberada en el citoplasma. Las exportinas se reciclan.
Regulación del transporte de proteínas al nucleo
-Por asociacion con proteínas citoplasmáticas que enmascaran las señales de localización nuclear.
-Por forsforilación
Transporte de ARN (fede dice leer del cbc)
Los ARN son transportados a través de la envuelta nuclear como complejos ribonucleoproteína (RNP).
-Los ARNm son exportados por un complejo de dos proteínas, una de las cuales parece ser independiente de Ran.
-Los ARNr se asocian en primer lugar con proteínas ribosómicas y con proteínas específicas del procesamiento de ARN en el
nucléolo. Las subunidades 60S y 40S son transportadas de manera independiente al citoplasma a través de un mecanismo en el
que interviene la carioferina Crm1
-Los ARNt son exportados del núcleo por acción de exportina-t y exportina5
-Los ARNsn: exportación: Crm1 y otras proteínas que se unen a las caperuzas de 7-metilguanosina del extremo 5´participan.
Importacion: las secuencias presentes en las proteínas RNPsn
Organización interna del núcleo
Matriz laxa de lamininas nucleares (cél animales): se extiende desde la lámina nuclear hacia el interior del nucleo.
Forma puntos de unión para la cromatina y organizan otras proteínas en cuerpos nucleares.
Complejos dependientes de laminina: formados por otras proteínas nucleares. Estos complejos forman cuerpos nucleares que
poseen papeles en la reparación del ADN, la organización de la cromatina, la regulación génica y la transducción de la señal.
Cromosomas y estructura de orden superior de la cromatina
-Cada cromosoma ocupa un lugar determinado en el interior nuclear.
-Los genes que se transcriben activamente parece que se localizan en la periferia, próximos a unos canales que separan los
cromosomas.
-Algunas células poseen sus centrómeros y telómeros agrupados en polos opuestos, mientras que otras poseen sus cromosomas
organizados radialmente.
-La cromatina del compartimiento nuclear se reorganiza durante el proceso de diferenciación celular de manera coordinada con
los cambios de la expresión génica.
-Al igual que el ADN en los cromosomas metafásicos, la cromatina de los núcleos interfásicos parece que está organizada en
dominios en forma de bucle.
a los núcleos hijos.
Heterocromatina: permanece muy condensada y es transcripcionalmente inactiva
- Heterocromatina constitutiva: formada por secuencias de ADN que nunca se transcriben, como las secuencias
satélite localizadas en los centrómeros de los cromosomas.
- Heterocromatina facultativa: contiene secuencias que no se transcriben en la célula observada, pero sí se
transcriben en otros tipos celulares.
Eucromatina: esta descondensada y distribuida por todo el núcleo.
Nucléolo y procesamiento del ARNr
Nucléolo: sitio donde tiene lugar la transcripción, el procesamiento del ARNr, y el ensamblaje de los ribosomas.
Transcripción y procesamiento del ARNr
Cada región de organización nuclear contiene un grupo de genes de ARNr repetidos en tándem y que están separados entre sí
por regiones de ADN espaciador que no se transcribe. Estos genes son transcritos activamente por la ARN pol I
Ensamblaje de ribosomas
Los genes que codifican para las proteínas ribosómicas se transcriben fuera del nucléolo por la ARN pol II, originando ARNm que
son traducidos en los ribosomas citoplasmáticos. Las proteínas ribosómicas se transportan posteriormente desde el citoplasma al
nucléolo, donde se ensamblan con los ARNr para formar partículas prerribosómicas. Aunque los genes para el ARNr 5S también
se transcriben fuera del nucléolo, en este caso por la ARN pol III, se ensamblan igualmente en el interior del nucléolo para formar
las partículas prerribosómicas
Capítulo 10 – Distribución y transporte de proteínas (RE, Golgi y lisosomas)
RETÍCULO ENDOPLÁSMICO
El RE es una red de túbulos y sacos (cisternas) rodeados de membrana que se extiende desde la membrana nuclear por todo el
citoplasma. El RE rugosos, que esta cubierto por ribosomas en sus superficie externa, y el RE de transición, de donde parten
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vesículas hacia el aparato de Golgi, funcionan ambos en el procesamiento de las proteínas. El RE liso no está asociado con los
ribosomas y está implicado en el metabolismo de los lípidos, en lugar de en el de las proteínas.
RE y secreción de proteínas
Proteínas secretadas, la vía secretora: RE rugoso → Golgi → Vesículas de secreción-exterior de la célula.
Las proteínas de la membrana plasmática y las lisosómicas también migran desde el RE rugoso hasta el Golgi y posteriormente a
sus destinos finales. Otras proteínas pasan por las etapas iniciales de la vía secretora pero posteriormente son retenidas y su
actividad tiene lugar en el RE o en el aparto de Golgi.
-REG: Las proteínas detinadas a ser secretadas o a incorporarse en el RE, aparato de Golgi, lisososmas, o membrana plasmáticas
-Ribosomas libres: Las proteínas destinadas a permanecer en el citosol o que se van a incorporar al núcleo, a las mitocondrias,
cloroplastos o peroxisomas
Marcaje de las proteínas para dirigirse al RE
o Translocación cotraduccional: las proteínas son translocadas al RE durante su síntesis en los ribosomas unidos a la
membrana:
A medida que salen las proteínas del ribosoma, las:
Secuencias señal (secuencias de aminoácidos de la cadena polipeptídica que estan siendo sintetizadas que determinan
que los ribosomas se unan con la membrana del RE) son reconocidas y unidas a una:
Partícula de reconocimiento de la señal (ARNsrp) (constituída por 6 polipéptidos y 1 ARN citoplasmático pequeño
(ARNsrp) ).
La PRS se une tanto al ribosoma como a la secuencia señal, inhibiendo la traducción y dirigiendo todo el complejo (PRS,
ribosoma, y la cadena polipeptídica en crecimiento) al RE mediante la unión del receptor de la PRS en la membrana del
RE.
La unión al receptor libera a la PRS. El ribosoma se une a un complejo de translocación de proteínas en la membrana del
RE y la secuencia señal es insertada en un canal de la membrana o translocón (constituido por 3 proteínas
transmembrana, denominadas proteínas Sec61).
Todo el proceso está coordinado con hidrólisis de GTP a GDP.
Se transfiere la cadena polipeptídica en crecimiento a través del traslocón conforme continúa la traducción.
La peptidasa señal escinde la secuencia señal y el polipéptido es liberado en la luz del RE.
o Translocación postraduccional: estas proteínas son sintetizadas en ribosomas citosólicos libres y su incorporación
postraduccional al RE no requiere una PRS. En su lugar, sus secuencias señal son reconocidas por proteínas receptoras
diferentes (el complejo Sec62/63) asociadas con el traslocón en la membrana del RE. Se requieren las chaperonas
citosólicas Hsp70 en el interior del RE (denominada BiP) necesarias para permitir que la cadena polipeptídica atraviese el
canal hasta el interior del RE.
Inserción de las proteínas en la membrana del RE
Las proteínas cuyo destino es ser secretadas o residir en la luz del RE, aparato de Golgi, o lisosomas son translocadas a través de
la membrana y liberadas en la luz del RE. Las proteínas destinadas a incorporarse en la membrana plasmática o en la membrana
del RE, Golgi, o lisosomas se insertan inicialmente en la membrana del RE en lugar de ser liberadas a la luz. Desde la membrana del
RE continúan hasta su destino final por la misma ruta que la de las proteínas secretadas RE → Golgi → Membrana plasmática o
lisosomas. Sin embargo, estas proteínas son transportadas a lo largo de esta ruta como componentes de la membrana, en lugar
de cómo proteínas solubles.
La orientación de las proteínas insertadas en el RE, Golgi, lisosomas y membranas plasmáticas se establece a medida que las
cadenas polipeptídicas en crecimiento se translocan en el RE. La luz del RE equivale topológicamente al exterior de la célular.
Las proteínas también pueden anclarse en la membrana del RE mediante secuencias señal internas que no son reconocidas por la
PRS y trasladadas a la membrana del RE de la manera vista hasta ahora.
Las proteínas que atraviesan la membrana varias veces se piensa que son insertadas como resultado de una serie alternante de
secuencias señal internas y secuencias transmembrana de detención de la transferencia.
Las proteínas que se incorporan a la membrana nuclear interna (que es continua con el RE) difunden lateralmente en la
membrana en lugar de transportarse vía vesículas.
Plegamiento y procesamiento de las proteínas en el RE
El RE es también el sitio donde tiene lugar el plegamiento de las proteínas, el ensamblaje de proteínas de varias subunidades, la
formación de los puentes disulfuro, las primeras etapas de la glicosilación , y la adición de anclajes de glicolípidos a algunas
proteínas de membrana plasmática. De hecho, el papel principal de las proteínas de la luz del RE es catalizar el plegamiento y
ensamblaje de los polipéptidos recién translocados
Las proteínas se translocan a través de la membrana del RE a modo de cadenas polipeptídicas sin plegar mientras prosigue su
traducción. Estos polipéptidos se pliegan en su conformación tridimensional en el RE, asistidos por las chaperonas moleculares
que facilitan el plegamiento de las cadenas polipeptídicas. La chaperona Hsp70 , BiP, se une a la cadena polipeptídica sin plegar
cuando cruza la membrana y después media el plegamiento proteico y el ensamblaje de proteínas con múltiples subunidades, en
el interior del RE. Las proteínas correctamente ensambladas son liberadas de BiP y otras chaperonas.
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La información de puentes disulfuro entre las cadenas laterales de los residuos de cisteína es un aspecto importante del
plegamiento y ensamblaje proteico en el RE. Estos puentes no suelen formarse en el citosol.
La formación de los puentes disulfuro está favorecida por la enzima proteína disulfuro isomerasa que se localiza en la luz del RE.
La glicosilación ayuda a evitar la agregación de proteínas en el RE y añade señales para su ulterior distribución en la vía secretoria
Algunas proteínas se anclan a la membrana plasmática mediante glicolípidos en lugar de mediante regiones de la cadena
polipeptídica que atraviesan la membrana. Debido a que estos glicolípidos anclados a la membrana contienen fosfatidilinositol, se
denominan anclajes de glicosilfosfatidilinositol (GFI). Los anclajes de GFI se ensamblan en la membrana del RE. Se unen
inmediatamente después de completarse la síntesis de las proteínas, al residuo carboxilo terminal de algunas proteínas ancladas
en la membrana por una secuencia hidrofóbica C-terminal.
Control de calidad en el RE
Un papel importante del RE es identificar las proteínas mal plegadas, marcarlas y dirigirlas a una vía de degradación.
El proceso de control de calidad del RE es complejo e implica BiP, otras chperonas, la disulfuro proteína isomerasa y un gran
número de proteínas accesoras.
Si se acumula un exceso de proteínas sin plegar, como puede resultar de una diversidad de tipos de estrés celular, la señalización
vía BiP inicia un proceso conocido como la respuesta a proteínas no plegadas, ya que compiten por el BiP disponible. Esto
produce la liberación de las moléculas que señalizan la respuesta a proteínas no plegadas, que incluye una inhibición general de la
síntesis proteica, un incremento de la expresión de chaperonas (como calreticulina, disulfuro proteína isomerasa y del propio BiP)
y un aumento de la degradación de ARNm que codifican proteínas de la vía secretoria.
RE liso y síntesis de lípidos
RE es el sitio principal en el que se sintetizan los lípidos de la membrana. Puesto que son extremadamente hidrófobos, los lípidos
se sintetizan asociados con membranas celulares ya existentes, en lugar de hacerlo en el ambiente acuoso del citosol. La mayoría
se sintetizan en el RE. Despues son transportados, en vesículas o mediante proteínas transportadoras, desde el RE a sus destinos
finales en otras membranas.
La mayoría de los fosfolípidos, que son los componentes estructurales básicos de la membrana, dedrivan del glicerol. Son
sintetizados en la cara citoplásmica de la membrana del RE
Flipasas: enzimas que catalizan la translocación de fosfolípidos a través de la membrana del RE y garantizan el crecimiento
equilibrado de ambas mitades de la bicapa.
Ademas de su papel en la síntesis de lo glicerofosfolípidos, el RE también es el lugar principal de la síntesis de otros dos lípidos de
membrana: colesterol y ceramida. La ceramida se convierte en glicolípidos o esfingomielina en el aparto de Golgi.
Exportación de proteínas y lípidos desde el RE
Las proteínas en la luz de un orgánulo se empaquetan en una vesícula de transporte que se va a escindir por gemación y después
se liberan en la luz del orgánulo receptor tras la fusión de la vesícula. Las proteínas de membrana y los lípidos se transportan al
viajar desde un orgánulo rodeado por membrana a otro.
Secuencia KDEL: Si se deleciona esta secuencia en una proteína que normalmente funciona en el RE, la proteína mutada es
transportada al Golgi y secretada al exterior celular. Por el contrario, la adición de la secuencia KDEL al extremo carboxilo terminal
de las proteínas que normalmente son secretadas hace que sean retenidas en el RE.
Secuencias KKXX: La retención de algunas proteínas transmembrana en el RE está detectada de una manera similar por estas
secuencias C-terminales cortas que contienen dos residuos de lisina
Las señales KDEL y KKXX no impiden que las proteínas solubles del RE sean empaquetadas en vesículas y transportadas al Golgi.
Estas señales provocan que sean recuperadas a través de una via de reciclado.
Puntos de ramificación similares surgen en cada estadio subsiguiente del transporte, como la retención en el Golgi frente a su
exporte. En cada caso, señales de la localización específicas dirigen a las proteínas a sus correspondientes destinos intracelulares
correctos.
Aparato de Golgi
El aparato de Golgi, o el complejo de Golgi, funciona como una fábrica en la que las proteínas recibidas desde el RE se reprocesan
y distribuyen para ser transportadas a sus destinos finales: los lisosomas, la membrana plasmática o la secreción. Además, como
ya se ha mencionado, los glicolípidos y la esfingomielina son sintetizados en el Golgi
Organización del Golgi
Compuesto por unas bolsas aplanadas, rodeadas de membrana (cisternas) y por vesículas asociadas. Polaridad tanto en la
estructura como en la función.
-Las proteínas procedentes del RE entran por su cara cis conveza y habitualmente se orienta hacia el núcleo.
-Salen por su cara cóncava trans.
Cuatro regiones funcionales diferentes:
o Red cis del Golgi
o Apilamiento del Golgi (que se divide en los subcompartimientos medial y trans)
o Red trans del Golgi
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Las proteínas del RE se transportan al compartimiento intermedio del Golgi-RE y pasan al aparato de Golgi a través de la red cis
del Golgi, comienzan las reacciones de modificación. Posteriormente atraviesan los compartimientos medial y trans, nuevas
modificaciones y migran a la red trans del Golgi, que actúa como un centro de organización y distribución.
Glicosilación de proteínas en el Golgi
Modificación y síntesis de los restos de carbohidratos de las glicoproteínas. Uno de los aspectos principales de este
procesamiento es la modificación de los N-oligosacáridos que se unieron a las proteínas en el RE. Las proteínas se modifican en el
RE al añadírseles un oligosacárido.
Glicosiltransferasas: Adición de residuos de azúcar
Glicosidasas: eliminación de residuos de azúcar.
Distribución y exportación de proteínas desde el aparato de Golgi
A diferencia del RE, todas las proteínas retenidas en el complejo de Golgi están asociadas con la membrana del Golgi en lugar de
ser proteínas solubles en su interior.
El transporte desde el aparato de Golgi hacia la superficie celular puede darse a través de, al menos, tres vías. Transporte directo
de la red trans del Golgi hacia la membrana plasmática. Las proteínas pueden migrar del Golgi hacia la membrana plasmática a
través de endosomas de reciclaje que actúan como intermediarios. Algunas células poseen una vía secretora regulada diferente
de secreción de proteínas específicas como respuesta a señales ambientales, ej: liberación de hormonas, liberación de
neurotransmisor, liberación de enzimas digestivas. Las proteínas se distribuyen a la vía secretora regulada en la red trans del Golgi
en la que son empaquetadas en vesículas secretoras especializadas.
Complejos receptor-proteína de transporte se agregan de forma selectiva en las cisternas trans del Golgi, y a menudo, se fusionan
entre sí para crear vesículas secretoras maduras. Estas vesículas almacenarán proteínas hasta recibir señales específicas que
induzcan su fusión con la membrana plasmática.
MECANISMO DE TRANSPORTE DE LAS VESÍCULAS
Selección de la mercancía, proteínas de la cubierta y gemación vesicular
Vesículas cubiertas: vesículas de transporte que llevan proteínas secretoras desde el RE a otros compartimientos posteriores
están recubiertas con proteínas de la cubierta citosólica. La formación de vesículas cubiertas está regulada por proteínas
pequeñas de unión a GTP relacionadas con Ras y Ran.
o Vesiculas cubiertas de COPII: desde el RE al compartimiento intermedio RE-Golgi y el aparato de Golgi
o Vesículas cubiertas de COPI: abandonan el compartimiento intermedio RE-Golgi por gemación y llevan su carga en
sentido retrógrado para devolver a las proteínas residentes a los compartimientos anteriores de dicha via. Devuelven a
las proteínas residentes en el RE a compartimientos anteriores de este orgánulo desde el compartimiento intermedio RE-
Golgi o la red cis del Golgi
o Vesículas cubiertas de clatrina: transporte bidireccional entre la red trans del Golgi, los endosomas, los lisosomas y la
membrana plasmática. La formación de las vesículas cubiertas de clatrina requiere clatrina, la proteína de unión a GTP
ARF1 y, al menos, dos tipos de proteínas adaptadoras.
Fusión de las vesículas
1º. La vesicula de transporte debe reconocer específicamente la membrana diana correcta
2º. La membrana de la vesícula y la membrana diana deben fusionarse, entregando el contenido de la vesicula al orgánulo diana.
SNARE: Proteínas implicadas en la fusión de la vesicula, en la membrana vesicular y la membrana diana (v-SNARE y t-SNARE
respectivamente). La formación de complejos entre v-SNARE y t-SNARE daría lugar a la fusión de las membranas.
Las proteínas Rab, al igual que la familia ARF, participan en muchas de las reacciones de gemación y fusión de vesículas durante el
transporte vesicular.
LISOSOMAS
Los lisosomas son orgánulos rodeados de membrana que contienen una serie de enzimas capaces de degradar todas las clases de
polímeros biológicos. Degradar el material captado del exterior de la célula como para digerir los componentes obsoletos de la
propia célula.
Se observan como vacuolas esféricas densas.
Hidrolasas lisosómicas ácidas
Los lisosomas contienen alrededor de 50 enzimas degradativas. La mutación en los genes que codifican estas proteínas son
responsables de enfermedades de depósito lisosómico.
La mayoría de las enzimas lisosómicas son hidrolasas ácidas, que son activas al pH ácido interno, los lisosomas deben concentrar
activamente iones H (protones). Esto se consigue mediante una bomba de protones en la membrana lisosómica, que transporta
activamente protones al lisosoma desde el citosol. Este bombeo requiere un gasto de energía en forma de hidrólisis de ATP.
Endocitosis y formación del lisosoma
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Una de las funciones principales de los lisosomas es la digestión del material captado del exterior de la célula mediante
endocitosis.
Los lisosomas se forman mediante la fusión de las vesículas de transporte originadas desde la red trans del Golgi con un
endosoma tardío.
El material del exterior de la célula es inferido en vesículas endocíticas revestidas de clatrina que se originan por gemación de la
membrana plasmática y seguidamente se funden con los endosomas primarios. Los endosomas primarios can madurando a
endosomas tardíos.
Tras la liberación de la cubierta de clatrina, estas vesículas de transporte se fusionan con los endosomas tardíos, y el pH interno
ácido hace que las hidrolasas se disocien del receptor de manosa-6-fosfato. Las hidrolasas son así liberadas en la luz del
endosoma, mientras que los receptores permanecen en la membrana y finalmente son reciclados al Golgi. Los endosomas tardíos
que contienen un complemento completo de hidrolasas ácidas, se fusionan con lisosomas o maduran para convertirse en
lisosomas, que se ocupan de digerir las moléculas ingeridas por endocitosis.
Fagocitosis y autofagia
Además de degradar las moléculas englobadas por endocitosis, los lisosomas digieren el material derivado de otras dos rutas: la
fagocitosis y la autofagia.
Fagocitosis: células especializadas ingieren y degradan partículas grandes. Son ingeridas en vacuolas fagocíticas (fagosomas),
que posteriormente se fusionan con los lisosomas. Lisosomas formados de esta manera: fagolisosomas
Los lisosomas también son responsables de la autofagia, el recambio gradual de los propios componentes de la célula. El primer
paso de la autofagia parece consistir en la formación de una envoltura de membrana citosólica alrededor de una pequeña porción
citoplasmática o un orgánulo interno. A continuación, la vesícula así formada (un
autofagosoma) se fusiona con un lisosoma y se digieren sus contenidos.
Capítulo 11 – Bioenergética y metabolismo: Mitocondrias y peroxisomas
Las proteínas destinadas a las mitocondrias, cloroplastos y peroxisomas, en lugar de sintetizarse en los ribosomas unidos a
membrana y ser trasladadas al RE, se sintetizan en los ribosomas libres del citosol y son importadas a sus orgánulos de destino en
forma de cadenas polipeptídicas completas.
MITOCONDRIAS
Generación de energía metabolica en las células eucariotas. Energía útil derivada de la degradación de los carbohidratos y de los
ácidos grasos, convertida en ATP por el proceso de la fosforilación oxidativa. La mayoría de las proteínas mitocondriales son
traducidas en los ribosomas citoplásmicos libres y son importadas al orgánulo debido a señales directoras específicas.
Contienen su propio ADN, que codifica ARNt, ARNr, y algunas proteínas mitocondriales. Ensamblaje de mitocondrias implica a
proteínas de su genoma propio y del genoma nuclear.
Organización y función de las mitocondrias
Están rodeadas por un sistema de doble membrana. Membrana mitocondrial interna y otra externa separadas por un espacio
intermembrana.
Membrana interna: forma numerosos pliegues (crestas) que se extienden hacia el interior (o matriz) del orgánulo. Es
impermeable a la mayoría de los iones y de las moléculas pequeñas – una propiedad crítica para mantener el gradiente de
protones que dirige la fosforilación oxidativa.
Membrana externa: permeable a las moléculas pequeñas. Debido a que contiene proteínas denominadas purinas que forman
canales.
Matriz: contiene el sistema genético mitocondrial así como las enzimas responsables de las reacciones centrales del metabolismo
oxidativo.
Respiración celular (metabolismo de la glucosa): La etapa inicial (glicólisis) tienen lugar en el citoplasma donde la glucosa es
convertida a piruvato. El piruvato es luego transportado al interior de la mitocondria, donde su oxidación completa a CO2
produce la mayor parte de la energía utilizable (ATP). Esto implica la oxidación inicial del piruvato a acetil CoA, que
posteriormente es degradado hasta CO2 a través del ciclo del ácido cítrico. La oxidación de los ácidos grasos también produce
acetil CoA, que de forma similar es metabolizado por el ciclo del ácido cítrico en las mitocondras.
La oxidación del acetil CoA a CO2 está acoplada a la reducción de NAD+ y FAD a NADH y FADH2. La mayor parte de la energía
derivada del metabolismo oxidativo es producida por el proceso de fosforilación oxidativa que tiene lugar en la membrana
mitocondrial interna.
Las mitocondrias no son orgánulos estáticos, sino que se fusionan continuamente entre sí y se dividen en dos.
Sistema genético de las mitocondrias
El genoma mitocondrial está constituido por moléculas circulares de ADN, presentes en varias copias por orgánulo.
El genoma mitocondrial humano codifica 13 proteínas implicadas en el transporte de electrones y en la fosforilación oxidativa.
Además, el ADN mitocondrial humano codifica ARNr 16S y 12S y 22 ARNt que se requieren para la traducción de las proteínas
codificadas por el genoma del orgánulo.
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Las mutaciones en un gen de ARNt mitocondrial se asocian con el síndrome metabólico, la condición humana asociada con la
obesidad y la diabetes.
Internalización de proteínas y formación de las mitocondrias
La mayoría de los genomas mitocondriales no codifican las proteínas requeridas para la replicación, transcripción o traducción del
ADN. Los genes que codifican las proteínas requeridas para la replicación y expresión del ADN mitocondrial se encuentran en el
núcleo.
Presecuencias: secuencias amino terminales de la mayoría de las proteínas dirigidas a la mitocondria que se escinden por rotura
proteolítica tras entrar en el orgánulo.
El primer paso en la internalización de la proteína es la unión de estas presecuencias a receptores en la superficie de la
mitocondria. La cadena polipeptídica se inserta en un complejo proteínico que dirige la translocación a través de la membrana
externa (la translocasa de la membrana externa o complejo Tom) Desde estos receptores, las proteínas son transferidas a la
proteína del poro Tom40 y son translocadas a través de la membrana externa. Las proteínas son transferidas a continuación a un
segundo complejo proteico en la membrana interna (una de dos translocasas diferentes de la membrana interna o complejos
Tim)
Para ser trasladadas a través de la membrana mitocondrial, las proteínas deben estar, al menos parcialmente, desplegadas. Por
tanto, la internalización de las proteínas en las mitocondrias requiere chaperonas moleculares demás de las proteínas de
membrana implicadas en la translocación.
En el lado citoplasmático, los miembros de la familia de chaperonas Hsp70 mantienen las proteínas parcialmente desplegadas y
las presentan a la translocasa para que puedan ser insertadas en la membrana mitocondrial. A medida que cruzan la membrana
interna, las cadenas polipeptídicas sin plegar se unen a otro miembro de la familia Hsp70 para concluir la internalización de
proteínas. En la mayoría de los casos, la presecuencia es entonces escindida por una peptidasa procesadora de la matriz (MPP) y
la cadena polipeptídica se une a otras chaperonas Hsp70 de la matriz que facilitan su plegamiento
Estas interacciones de cadena polipeptidicas con chaperonas moleculares dependen de ATP, la internalización de proteínas
requiere ATP, además del potencial eléctrico a través de la membrana interna.
No solo las proteínas, sino también los fosfolípidos de las membranas mitocondriales son importadas desde el citosol. En las
células animales, la fosfatidilcolina y la fosfatidiletanolamina se sintetizan en el RE y se transportan a las mitocondrias mediante
proteínas de transferencia de fosfolípidos. El lípido puede transportarse a través del ambiente acuoso del citosol, protegido por el
sitio de unión hidrofóbico de la proteína.
Las mitocondrias sintetizan fosfatidilserina a partir de fosfatidiletanolamina y además catalizan la síntesis del fosfolípido poco
frecuente cardiolipina.
MECANISMO DE LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
La mayor parte de la energía utilizable obtenida de la degradación de los hidratos de carbono o de las grasas deriva de la
fosforilación oxidativa que tiene lugar en el interior de la mitocondria. La degradación de la glucosa mediante la glicólisis y el ciclo
del ácido cítrico rinde un total de 4 moléculas de ATO, 10 moléculas de NADH y dos moléculas de FADH2. Los electrones del NADH
y del FADH2 son transferidos después al oxígeno molecular, lo cual está acoplado a la formación de 32 a 34 moléculas adicionales
de ATP mediante la fosforilación oxidativa
Cadena de transporte de electrones
Durante la fosforilación oxidativa los electrones derivados del NADH y FADH2 se combinan con el O2 y la energía liberada de estas
reacciones de oxidación/reducción es utilizada para dirigir la síntesis de ATP a partir del ADP. La transferencia de electrones desde
el NADH al O2 es una reacción que desprende mucha energía. Para poderse utilizar, esta energía debe producir gradualmente,
mediante el paso de los electrones a través de una serie de transportadores que constituyen la cadena de transporte de
electrones. Estos transportadores están organizados en cuatro complejos en la membrana mitocondrial interna
Acoplamiento quimiosmótico
El ATP se genera utilizando la energía almacenada en forma de un gradiente de protones a través de las membranas en lugar de
por una transferencia química directa de grupos ricos en energía.
Transporte de metabolitos a través de la membrana interna
El gradiente electroquímico generado por el bombeo de protones proporciona la energía requerida para el transporte de estas
moléculas y de otros metabolitos que se necesitan en las mitocondrias.
Una proteína integral de membrana, el transportador de nucleótidos de adenina, que transporta una molécula de ADP al interior
de la mitocondria a cambio de una molécula de ATP transferida desde la mitocondria al citosol. ATP tiene una carga negativa
mayor que el ADP. Puesto que el gradiente de protones estableces una carga positiva en el lado citosólico de la membrana, el
intercambio de ATP por ADP es energéticamente favorable.
Además de ADP, la síntesis de ATP en la mitocondria también requiere iones fosfato por lo que también debe importarse fosfato
desde el citoplasma. Esto lo realiza otra proteína transportadora de membrana, que importa fosfato y exporta iones hidroxilo.
Este intercambio es eléctricamente neutro.
Transporte de piruvato desde el citoplasma: intercambio de piruvato por iones hidroxilo.
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Capítulo 12 – Citoesqueleto y movimiento celular
Armazón estructural para la célula. Determina la forma celular y la organización general del citoplasma. Además de desempeñar
este papel, es responsable de los movimientos de la célula. Transporte interno de los orgánulos y de otras estructuras (tales como
los cromosomas mitóticos) a través del citoplasma.
Constituido por 3 tipos principales de filamentos: de actina, intermedios y microtúbulos.
ESTRUCTURA Y ORGANIZACIÓN DE LOS FILAMENTOS DE ACTINA
Actina, polimeriza para formar filamentos de actina (también llamados microfilamentos).
Proporciona un soporte mecánico, determina la forma celular y permite el movimiento de la superficie celular, lo que permite a
las células migrar, engullir partículas y dividirse.
Ensamblaje y desensamblaje de los filamentos de actina
Cada monómero (Actina globular G) tiene sitios de unión que median la interacción cabeza con cola con otros dos monómeros de
actina, de tal manera que los monómeros de actina polimerizan para formar filamentos (actina filamentosa F).
Debido a que todos los monómeros de actina están orientados en la misma dirección, los filamentos de actina presentan una
polaridad diferenciada y sus extremos (denominados extremos protuberantes y extremos puntiagudos). Esta polaridad es
importante tanto para su ensamblaje como para establecer una dirección única en el movimiento de la miosina respecto a la
actina.
En soluciones de baja fuerza iónica los filamentos de actina se despolimerizan a monómeros. La actina polimeriza
espontáneamente si se aumenta la fuerza iónica hasta niveles fisiológicos.
Nucleación: polimerización de la actina. Los filamentos de actina crecen por la adición reversible de monómeros a ambos
extremos. Los monómeros de actina también unen ATP, el cual se hidroliza a ADP tras el ensamblaje del filamento. Aunque el ATP
no es necesario para la polimerización, los monómeros de actina que tienen unido ATP polimerizan más rápido que aquellos que
tienen unido ADP.
La velocidad a la que los monómeros de actina se incorporan a los filamentos es proporcional a su concentración, por lo que hay
una concentración critica de monómeros de actina a la cual la velocidad de polimerización es igual a la velocidad de disociación.
Los monómeros y filamentos se encuentran en un equilibrio aparente.
Los monómeros se añaden al extremo de crecimiento rápido (el extremo protuberante) de cinco a diez veces más rápido que al
extremo puntiagudo de crecimiento lento.
Debido a que la actina-ATP se disocia con menos facilidad que la actina-ADP, la concentración crítica de monómeros que es
necesaria para la polimerización de los dos extremos será diferente, esta diferencia de lugar al:
Intercambio rotatorio: comportamiento dinámico de los filamentos de actina
Para que el sistema se encuentre en un estado de equilibrio general, la concentración de monómeros de actina libres debe ser
intermedia entre las concentraciones críticas requeridas para la polimerización de los extremos protuberantes y puntiagudos de
los filamentos de actina. Existe una perdida neta de monómeros del extremo puntiagudo, que se compensa con una adición neta
al extremo protuberante. El intercambio rotatorio requiere ATP, polimerizando la actina-ATP en el extremo protuberante de los
filamentos mientras que la actina-ADP se disocia del extremo puntiagudo.
Un fármaco: Las citocalasinas se unen a los extremos protuberantes de los filamentos y bloquean su elongación. Esto provoca
cambios en la forma de la célula así como la inhibición de algunos tipos de movimientos celulares.
Otro fármaco: la faloidina, se une fuertemente a los filamentos de actina y evita su disociación en moléculas individuales de
actina.
El ensamblaje y desensamblaje de los filamentos de actina en el interior celular está regulado por un grupo diverso de proteínas
de unión a actina.
Formina y el complejo Arp2/3: determinan donde se forman los filamentos en el interior celular al facilitar su nucleación. Nuclean
los monómeros iniciales de actina como, a continuación, se desplazan a lo largo del filamento en crecimiento, añadiendo
monómeros nuevos en el extremo protuberante.
Tropomiosina: estabiliza los filamentos de actina
ADF/Cofilina: remodelación de los filamentos. Estas proteínas favorecen la tasa de disociación de los monómeros de actina/ADP
del extremo puntiagudo. También es capaz de escindir filamentos de actina. Permanece unida a los monómeros de actina
después del desensamblaje de los filamentos y los secuestra en la forma unida a ADP, impidiendo su reincorporación.
Profilina: puede revertir el efecto de la cofilina y estimular la incorporación de monómeros de actina en filamentos. Actúa
estimulando el intercambio de ADP por ATP y disociando los monómeros de actina/ATP de la cofilina.
La cofilina, profilina y el complejo Arp2/3 están controlados por una variedad de mecanismos señalizadores celulares
Proteinas de unión a actina:
Papel en la célula
Proteínas representativas
Iniciación y polimerización de filamentos
Arp2/3, formina
Estabilización de filamentos
Nebulina, tropomiosina
Formación de enlaces cruzados de filament1os
α-actinina, filamina, fimbrina, villina
Caperuzas
CapZ, tropomodulina
Escisión/despolimerización de filamentos
ADF/cofilina, gelsolina, limosina
Unión de monómeros
Profilina, twinfilina
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Unión de filamentos de actina a proteínas
Distrofina, espectrina, talina, vinculina
Organización de los filamentos de actina
Dos tipos generales de estructuras: Haces de actina y redes de actina, que desempeñan papeles distintos en la célula. Haces: los
filamentos de actina se unen por puentes cruzados y se disponen en estructuras paralelas estrechamente agrupadas. Las
proteínas que entrelazan los filamentos de actina en haces (llamadas proteínas formadoras de haces de actina) suelen ser
pequeñas proteínas rígidas que fuerzan a los filamentos a alinearse estrechamente unos con otros. Existen dos tipos de haces de
actina distintos tanto estructural como funcionalmente:
o El primer tipo de haz, que contiene filamentos de actina estrechamente agrupados, alineados en paralelo, sostiene a las
proyecciones de la membrana plasmática tales como las microvellosidades. En estos haces todos los filamentos tienen la
misma polaridad, con sus extremos protuberantes adyacentes a la membrana plasmática. Un ejemplo de proteína
formadora de haces es la fimbrina.
o El segundo tipo de haz de actina se compone de filamentos que están mas espaciados y que son capaces de contraerse,
tales como los haces de actina del anillo contráctil que divide a las células en dos tras la mitosis (haces contráctiles).
Proteina de entrecruzamiento: α-actinina
La mayor separación entre los filamentos permite a la proteína motora miosina interaccionar con los filamentos de actina
en estos haces, permitiendo su contracción.
Redes: se unen por puentes cruzados con una disposición ortogonal más holgada. Todas las proteínas de unión a la actina
relacionadas con los puentes cruzados contienen al menos dos dominios de unión a la actina, lo que les permite fijar y entrecruzar
dos filamentos de actina diferentes. Las proteínas que organizan los filamentos de actina en redes tienden a ser proteínas largas y
flexibles. En las redes los filamentos de actina se mantienen unidos mediante proteínas de unión a la actina de gran tamaño,
como la filamina. Dicha red subyace la membrana plasmática y es un soporte estructural de la superficie de la célula.
Asociación de los filamentos de actina con la membrana plasmática
Cortex celular: En la periferia, esta red de filamentos de actina y de proteínas de unión a la actina determina la forma de la célula y
esta implicada en el movimiento de la misma.
Eritrocitos: ni nucleo ni orgánulos internos. Carecen de microtúbulos y filamentos intermedios, por lo que el citoesqueleto cortical
es el determinante principal de su morfología característica en forma de discos bicóncavos.
La principal proteína que proporciona la base estructural del citoesqueleto cortical en los eritrocitos es la proteína de unión a la
actina, espectrina, relacionada con la filamina. El principal nexo entre la red espectrina-actina es la anquirina, que se une tanto a
la espectrina como al dominio citoplasmático de una proteína transmembrana abundante denomindada banda 3. Un nexo
adicional entre la red espectrina-actina y la membrana plasmática es la proteína 4.1 que reconoce a la red y a la membrana (por la
glicoforina: proteína transmembrana)
Otros tipos de células contienen uniones entre el citoesqueleto cortical y la membrana plasmática son similares a las de los
eritrocitos. La espectrina no-eritroide se denomina fodrina, la anquirina y la proteína 4.1 se expresan en una gran variedad de
tipos celulares.
Otro miembro de proteínas relacionadas con espectrina es la distrofina: forma dimeros que fijan los filamentos de actina a las
proteínas transmembrana de la membrana plasmática de la célula muscular. Estas proteínas transmembrana a su vez fijan el
citoesqueleto a la matriz extracelular, lo que desempeña un papel importante en mantener la estabilidad celular durante la
contracción muscular.
La mayoría de las células (a diferencia de los eritrocitos) establecen contactos con células adyacentes, estas regiones también
sirven como puntos de unión para los haces de filamentos de actina que anclan el citoesqueleto a las zonas de contacto celular.
Estas uniones son evidentes en los fibroblastos en cultivo que se unen a la placa de cultivo mediante la unión a la matriz
extracelular de unas proteínas transmembrana (denominadas integrinas).
Los sitios de anclaje son regiones discretas (llamadas adhesiones focales) que también sirven como sitios de sujeción para unos
haces de filamentos de actina de gran tamaño denominados fibras de estrés. Las fibras de estrés , entrelazados por α-actinina y
estabilizados mediante tropomiosina, que anclan a la célula y ejercen tensión sobre el sustrato. Están unidas a la membrana
plasmática en las adhesiones focales a través de la integrina. Pueden estar mediadas por otras proteínas, incluyendo la talina y la
vinculina.
El citoesqueleto de actina se encuentra anclado de forma similar a regiones de contacto célula-célula denominadas uniones de
adherencia. En las capas de células epiteliales estas uniones forman una estructura continua (denominada cinturón de adhesión).
El contacto entre las células en las uniones de adherencia esta mediado por proteínas transmembrana llamadas cadherinas, que
forman un complejo con las proteínas citoplasmáticas denominadas cateninas, que anclan los filamentos de actina en la
membrana plasmática
Protuberancias de la superficie celular
Las protuberancias de la superficie celular basadas en la actina mejor caracterizadas son las microvellosidades (para la
absorción).
Unas formas especializadas de microvellosidades, los esterocilios (responsables de la audición)
Los filamentos de estos haces están entrelazados en parte por fimbrina. Sin embargo, la proteína formadora de haces de actina
más importante en las microvellosidades intestinales es la villina.
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Los haces de actina de las microvellosidades se encuentran unidos a la membrana plasmática a través de brazos laterales
constituidos por la proteína fijadora de calcio calmodulina en asociación con la miosina I.
En su base, los haces de actina estan anclados en una región rica en espectrina de la corteza de actina llamada la red terminal, que
entrelaza y estabiliza las microvellosidades.
Pseudópodos: extensiones de filamentos de actina entrelazados en una red tridimensional, responsables de la fagocitosis y del
movimiento de las amebas sobre una superficie.
Lamelipodios: extensiones del borde apical de los fibroblastos que contienen una red de filamentos de actina.
Microespinas o filopodios sustentadas por haces de actina
ACTINA, MIOSINA Y MOVIMIENTO CELULAR
La miosina es el prototipo de motor molecular. Una proteína que convierte energía química en forma de ATP en energía
mecánica, generando de esta manera fuerza y movimiento. Las interacciones entre la actina y la miosina son las responsables no
solo de la contracción muscular sino también de diversos tipos de movimientos de las células nos musculares, incluyendo la
división celular
Contracción muscular
Ver resumen de histo.
Asociaciones contráctiles de actina y miosina en células no musculares
Los filamentos de actina en estos ensamblajes contráctiles están intercalados con filamentos bipolares de miosina II, los cuales
producen la contracción deslizando los filamentos de actina uno sobre otro. Los filamentos de actina en los haces contráctiles de
las células no musculares también están asociados a la tropomiosina, que facilita su interacción con la miosina II.
Dos ejemplos de asociaciones contráctiles en células musculares: fibras de estrás y cinturones de adhesión. La contracción de las
fibras de estrés genera tensión a lo largo de la célula, permitiendo a la célula tirar del sustrato al que esta anclada. La contracción
de los cinturones de adhesión altera la forma de las capas de la células epiteliales.
El ejemplo más notorio lo proporciona la citocinesis, división de una célula en dos tras la mitosis, un anillo contráctil formado por
filamentos de actina y de miosina II. El grosor del anillo contráctil permanece constante según se contrae, lo que implica que los
filamentos de actina se desensamblan a medida que avanza la contracción. Tras la división celular el anillo se disgrega por
completo.
En las células no musculares y en el músculo liso la contracción se regula principalmente por la fosforilación de una de las cadenas
ligeras de la miosina, denominada cadena ligera reguladora.
La enzima que cataliza esta fosforilación, denominada quinasa de la cadena ligera de la miosina, está regulada por la asociación
con la proteína de unión de Ca calmodulina. El aumento del Ca citosólico promueve la unión de la calmodulina a la quinasa, lo que
origina la fosforilación de la cadena ligera reguladora de la miosina.
Miosinas no musculares
Estas miosinas no poseen colas por lo que no forman filamentos y no están implicadas en la contracción. Pueden estar implicadas
en otros tipos de movimientos celulares, tales como el transporte de vesículas de membrana y orgánulos a lo largo de los
filamentos de actina, la fagocitosis y la extensión de los pseudópodos en las amebas
Formación de extensiones y movimiento celular
El movimiento de las células sobre una superficie representa una forma básica de locomoción celular. Todo este tipo de
movimientos esta basado en especializaciones locales y extensiones de la membrana plasmática dirigidas por las propiedades
dinámicas del citoesqueleto de actina.
El movimiento celular o la extensión de procesos celulares largos, implica un ciclo coordinado de movimientos. En primer lugar,
las células deben desarrollar una polaridad. En segundo lugar, las extensiones como pseudópodos, lamelipodio o filopodios
deben extender para extender para establecer un frente de avance de la célula. Estas extensiones deben a continuación adherirse
al sustrato sobre el que se desplaza la célula. Finalmente, el frente de arrastre de las células debe disociarse del sustrato y
retraerse hacia el cuerpo celular. Una variedad de experimentos indican que la extensión del frente de avance implica la
ramificación y polimerización de los filamentos de actina.
El complejo WASP/Scar activa al complejo Arp2/3 que a su vez inicia ramas de los filamentos de actina cerca de los extremos
protuberantes, incrementando así el numero de extremos protuberantes en crecimiento que son capaces de empujar la
membrana celular. A medida que los extremos protuberantes de los filamentos de actina en el frente de avance se ramifican y
crecen, los extremos puntiagudos de los filamentos son desensablados activamente por acción de la ADF/cofilina. Los
monómeros de ADP-actina se transportan hacia los extremos protuberantes en crecimiento por acción de la twinfilina y se
reactivan a través del intercambio de ADP/ATP mediado por la profilina
La regulación de estos proceso implica a las proteínas de bajo peso molecular de unión a GTP de la familia Rho.
La adhesión celular a la superficie requiere una reconstrucción del sustrato celular o de adhesión célula-célula. Para las células con
un movimiento lento, la adhesión implica la formación de adhesiones focales. Entre las proteínas mercancía enviadas a la
extensión celular en crecimiento por los filamentos de actina y los microtúbulos, se encuentran las proteínas empaquetadoras de
actina., además proteínas de adhesión focal, como la talina y la vinculina. Las proteínas de los filamentos intermedios también son
transportadas hacia el frente.
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El estadio final en la migración celular, retracción del extremo de arrastre, implica la acción de las proteínas de bajo peso
molecular de unión a GTP de la familia ARF y familias Rho que regulan la degradación de las adhesiones focales existentes y
estimulan la endocitosis de la membrana plasmática en el extremo de arrastre de la célula. El deslizamiento de microfilamentos
en los paquetes de actina y las fibras de estrés conectados con las nuevas adhesiones focales en el frente de avance, mediado por
miosina II, genera la fuerza necesaria para arrastrar el extremo de arrastre de la célula hacia delante.
FILAMENTOS INTERMEDIOS
Proteínas de los filamentos intermedios
Están compuestos por diversas proteínas que se expresan en distintos tipos de células. Más de 65 proteínas diferentes de
filamentos intermedios han sido identificadas y clasificadas en 6 grupos en función de las similitudes entre sus secuencias de
aminoácidos.
Tipo I y II son dos grupos de queratinas que se expresan en las células epitelilaes. Queratina ácida (tipo I), queratina
neutra/básica (tipo II) que copolimerizan para formar filamentos.
Tipo III: incluyen a la vimentina que se encuentra en fibroblastos, células de musculo liso, glóbulos blancos. Otra proteína es la
desmina en células musculares. Otra proteína de este tipo se expresa en células gliales. Una cuarta proteína en neuronas del
sistema nervioso periférico
Tipo IV: incluyen 3 proteinas de neurofilamentos (NF-L / NF-M / NF-H – light, medium, heavy), abundan principalmente en los
axones de las neuronas motoras y juega un papel critico en el sostén de estas prolongaciones largas y delgadas. Otra proteína es
la α-internexina esta en la etapa anterior del desarrollo neuronal.
Tipo V: son las láminas nucleares, son componentes del nucleo, sobre la que se asienta la envoltura nuclear.
Tipo VI: las nestinas se expresan durante el desarrollo embrionario en diversos tipos de células madre. Solo polimerizan si están
presentes en la célula otros filamentos intermedios.
El dominio central en α-helice juega un papel fundamental en el ensamblaje de los filamentos, mientras que los dominios variable
de la cabeza y la cola presumiblemente determinan las funciones específicas de las diferentes proteínas de los filamentos
intermedios.
Ensamblaje de los filamentos intermedios
Formación de dímeros en los cuales los dominios de eje central de dos cadenas polipeptídicas están enrollados uno alrededor del
otro. Los dímeros entonces se asocian de un modo escalonado antiparalelo para formar tetrámeros que se ensamblan extremo
con extremo para formar protofilamentos. Luego interacción de aproximadamente 8 protofilamentos enrollados entre sí en una
estructura similar a una cuerda.
Ambos extremos de los filamentos intermedios son equivalentes por lo tanto son apolares.
Organización intracelular de los filamentos intermedios
Extendiéndose a partir de un anillo que rodea al nucleo hasta la membrana plasmática, tanto los filamentos de queratina como
los de vimentina tienen la función de posicionar y anclar el nucleo dentro de la célula.
Los filamentos intermedios proporcionan un andamiaje que integra a los componentes del citoesqueleto y organiza la estructura
interna de la célula.
Los filamentos de queratina de las células epiteliales están fuertemente anclados a la membrana plasmática en dos áreas
especializadas de contacto celular, los desmosomas y hemidesmosomas.
Desmosomas: son uniones entre células adyacentes mediados por proteínas transmembrana relacionadas con las cadherinas
(desmogleina y desmocolina). En su lado citoplasmático, los desmosomas se asocian con una placa densa característica de
proteínas intracelulares, a la que se anclan los filamentos de queratina. Estos anclajes están mediados por la desmoplaquina
(miembro de la familia plaquina).
Hemidesmosomas: son uniones en la que los filamentos de queratina se unen a las integrinas a través de otros miembros de la
familia de las plaquinas.
Por lo tanto, los desmosomas y hemidesmosomas unen los filamentos intermedios a regiones de contacto célula-célula o célula-
sustrato.
Funciones de las queratinas y neurofilamentos: enfermedades de la piel y sistema nervioso
Si falla la queratina: apollas en piel
Si falla neurofilamento: esclerosis ELLA (Stephen hawlkins)
MICROTÚBULOS
Varilas rígidas y huecas. Son estructuras dinámicas que están continuamente ensamblándose y desensamblándose. Interviene en
la forma celular y en diversos movimientos celulares incluyendo la locomoción, el transporte intracelular de orgánulos y la
separación de los cromosomas durante la mitosis.
Estructura y organización dinámica de los microtúbulos
Se componen de un único tipo de proteína globular, denominada tubulina: es un dímero constituido por dos polipéptidos α-
tubulina y β-tubulina. Un tercer tipo de tubulina (φ-tubulina) se localiza específicamente en el centrosoma.
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