Capitulo 1: Introducción al estudio de la biología celular y molecular

Robert Hooke: descubrió la célula

Teoría celular:

- Todos los organismos están compuestos por 1 o más células- La célula es la unidad estructural de la vida- La célula solo puede originarse por división de una célula preexistente

Células HeLa: primer cultivo de células humanas

Cuanto más compleja la célula hay menos error

Hay niveles de organización:

1. Implica un grado de complejidad.

2. Se puede aplicar a las diferentes partes de las células.

3. A la asociación de varios tipos de células en un tejido.

4. A los diversos tejidos que forman un órgano

5. Órganos formando sistemas

6. Sistemas integrando todo un organismo.

Características de las células:

- Las células son muy complejas y organizadas.

- Poseen un programa genético y los medios para usarlo.

o Permite la variación entre individuos- Son capaces de reproducirse.- Obtienen y utilizan energía.- Realizan diferentes reacciones.

o La suma total de estas se llama metabolismo- Realizan actividades mecánicas.- Poseen capacidad de reaccionar ante estímulos

o Gracias a receptores- Pueden autorregularse.- Pueden evolucionar.- Presentan gran diversidad de formas.

Las células son pequeñas en general porque:

- Solo pueden producir un número limitado de ARN

- La capacidad de la célula para intercambiar sustancias con el medio ambiente es proporcional con su superficie, si creciera mucho su superficie podría ser insuficiente para captar sustancias.

- La célula depende del movimiento aleatorio de las moléculas (difusión), si la célula es grande aumenta la distancia de superficie al interior y toma más tiempo la difusión

Hay 2 clases de célula:

- Procariotas:o Son células simples.o No tienen núcleo diferenciado, nucleoide.o Pueden presentar pared celular no celulósicao Poseen membrana plasmática.o Constituido por dos dominios: Arqueobacterias y Bacterias.

Bacterias: Micoplasmas, los más pequeños ( 0.2 µm), carecen de pared celular. las Cianobacterias son las más complejas (pueden fijar nitrógeno). Cianobacterias, que realizan la fotosíntesis pueden crecer en el pelaje de los osos polares.

Arqueobacterias: organismos denominados extremófilos por el hábitat: Metanógenos: convierten en CO2 y H2 en metano Halófilos: viven en extremo salados Acidófilos: ambientes ácidos pH 0 Termófilos: muy altas temperaturas

o Envoltura nuclear ausente.o ADN desnudoo Cromosomas ausentes.o Presencia de la doble capa de la membrana celular. o Posee pared celular.o Espacio periplásmico o Nucleoide: región no definida claramente.o Proteosomas similares a los eucariotas.o Mecanismos de expresión génica similares: no hay compactación de cromosomas ni

huso mitótico- Eucariota

o Envoltura Nuclear.o Sistema de Endomembranas o Citoesqueleto.o Núcleoo Cromosomas complejoso Organelos citoplasmáticoso Paredes celulares celulósicao Lisosomas

o Especialización celular: Protistas (Unicelulares) son los más complejos. Mecanismos en los que intervienen: sensores, captación de alimentos,

eliminación de exceso de líquidos, entre otros.o Los organismos multicelulares producto de la evolución, presentan células diferenciadas

para realizar diferentes funciones. Como resultado de la diferenciación, las células adquieren morfología y

funciones específicas. Ejemplos: Eritrocitos: Los eritrocitos son bicóncavos, carecen de núcleo, transportan O₂ adherido a las moléculas de hemoglobina.

Virus

Son parásitos obligados: no se pueden reproducir a menos que encuentren un hospedero Presentan una envoltura o capside. Los capsómeros son unidades proteicas que sintetizan la envoltura o capside. Forma poliedrica, ejm icosaedro como los adenovirus que provocan las enfermedades respiratorias. Proteínas de superficie que se unen a la célula huésped. Gp120 del retrovirus HIV. Viroides: molécula circular pequeña de ARN de 240 y 600 nucleótidos. Usan las proteínas del

huésped. Fuera de la célula, los virus son partículas macromoleculares o viriones.

Los viriones:o Cantidad pequeña de material genético:

ADN ARN

Bacteriofagos: virus bacteriano cuyo ADN se ubica en el fagoo Cabeza poliedrica contiene ADN.o El cilindro por medio del cual se inyecta el ADN en la bacteria.

Capitulo 2: Las bases químicas de la vida

- Basada en los compuestos de carbono.- Las células están formadas en un 70% de agua, donde se realizan las reacciones químicas.- Partícula más pequeña de un elemento que retiene sus propiedades distintivas es el átomo.- Los enlaces entre los átomos forman las moléculas. - Existen 89 elementos naturales.- C,H,O,N SON EL 96.5% del peso del organismo.- Su composición difiere del ambiente. - Los átomos pueden compartir o transferir electrones, estableciendo diferentes tipos de enlaces.- La formación de los enlaces se fundamenta en el principio de estabilidad, de que la capa

electrónica externa esté llena.- Relación directa entre el # de enlaces y # de e necesarios para completar la capa externa. - El núcleo cargado +

o Protones +o Neutrones

- Electrones: en los orbitales cargados negativamente atraídos hacia el núcleo electrostáticamente.

- El número de enlaces tiene consecuencias directas en la forma de las moléculas.o Doble en el O₂o Triple en el N₂

- Enlace Iónico: ejemplo la formación del Cloruro de Sodio. - Los electrones compartidos tienden a localizarse más próximo al átomo más electronegativo, es

decir, con mayor fuerza de atracción.- Moléculas polares: Agua; no polar O₂ - Distribución asimétrica de las cargas en las moléculas de agua.- Por esa asimetría se convierte en un DIPOLO.- Puede formar Puentes de Hidrógeno con otras moléculas de agua.

Macromoléculas

La vida se centró alrededor del carbono. Las macromoléculas están formadas por millones de átomos de carbono. Polímeros formados por uniones covalentes de unidades denominadas monómeros. Los átomos en los grupos funcionales tienden a moverse de una molécula a otra. Por ejemplo, el grupo hidroxilo –OH es agregado o removido más que en forma singular, el O₂ y

el H⁺ Se pueden dividir en cuatro grupos característicos:

Carbohidratos Lípidos

Proteínas Ácidos Nucleicos

Capitulo 4: La estructura y función de la membrana plasmática

Funciones:

1. División en compartimientos, permite la independencia y regulación de las actividades celulares.

2. Sitios para las reacciones bioquímicas.

3. Barrera con permeabilidad selectiva.

4. Transporte de solutos.

5. Respuestas a señales externas: Transducción de señales. (ligandos que llegan a receptores)

6. Interacción celular: intercambio de materiales e información.

7. Gradiente de iones, para síntesis de ATP, transporte de solutos , producción y transmisión de señales eléctricas.

8. Transducción de energía: cambio de un tipo de energía en otro. Ejemplo: luz solar >> fotosíntesis>> energía química>>> carbohidratos

Jonathan Singer y Garth Nicolson: modelo del mosaico fluido

Composición de la membrana: bicapa lipídica

- Enlaces no covalentes- Formada de lípidos y proteínas- Grupos polares hacia afuera favorecida por termodinámica- Composición lípido-proteína varía dependiendo del tipo de membrana, tipo de organismo y tipo

de célula- Interacción hidrofóbica protegida por el medio acuoso- Forma cerca del 50% de la masa de las células

Lípidos de membrana

- Son anfipáticos: regiones hidrofílicas e hidrófobas- Los diversos lípidos que integran las membranas determinan el estado físico de las membranas y

las interacciones con las proteínas.- Proporcionan precursores que participan en el proceso de señalización celular, como el PI. - Plasmalógenos fosfolípidos abundantes en la vaina de mielina. - Tres tipos principales:

o Fosfoglicéridos: diglicérido + grupo fosfato (ácido fosfatídico) Fosfatidilserina (PS): carga negativa

Fosfatidilinositol (PI): carga negativa Fosfatidilcolina (PC): carga neutra

Grupo polar o hidrofílico: colina, fosfato y glicerol Grupo no polar o hidrofóbico: AG. Los lípidos de membrana son anfipáticos, es decir una porción

hidrofílica y otra hidrofóbica. Fosfatidiletanolamina (PE): carga neutra Las cadenas de acilos grasos poseen de 16 a 20 carbonos, dependiendo de la

cantidad de enlaces pueden ser saturados (enlaces simples), insaturados o poliinsaturados

La insaturación (doble enlace) causa una doblez en la estructura Grupos cabeza: serina, colina, inositol, etanolamina Grupos de acilos grasos: EPA (ácido eicosapentaenoico) y DHA (ácido

docosahexaenoico) son Omega-3.o Esfingolípidos: menos abundantes en la membrana, esfingosina unido a ácido graso por

el grupo amino (ceramida) Esfingomielina (SM): foforilcolina + esfingosina (aminoalcohol) Cerebrósidos: ceramida + azúcar simple Gangliósido: ceramida + oligosacárido o grupo pequeño de azúcares

GM3: ausencia causa enfermedad neurológica caracterizada por convulosiones graves y ceguera.

Gangliosidosis: deficiencia de la hexosaminidasa A. o Colesterol: ausente en la membrana plasmática de los vegetales y bacterianas,

constituye el 50% de las moléculas de lípidos de las membranas animales. Tiene anillos hidrófobos

Es un tipo de esterol. El grupo OH se orienta hacia la superficie de la membrana y el resto se incrusta

en la bicapa de la membrana.

Naturaleza e importancia de la bicapa lipídica

- La bicapa lipídica mide 5 nm de espesor- Tiene la capacidad de ensamblarse por si misma lo que le permite formar:

o Liposomas: son vesículas esféricas llenas de líquido, bicapa lípidica artificial de utilidad en los estudios sobre la membrana, uso de fármacos y función de hormonas, por ejemplo.

o Micelas: bicapas similares a las celulares

Asimetría de los lípidos de la membrana

- Todos los carbohidratos (en glucolípidos) están en la cara externa y sirven como receptores para ligandos

- La externa tiene la mayor concentración de PC y SM y baja concentración de PE y PS

- Las capas se consideran independientes - Las proteínas integrales tienen sitios específicos de unión en la cara externa y otros que

interactúan en la cara citosólica.

Carbohidratos de la membrana

- El % de carbohidratos en las membranas varía de 2 a 10% (90% forma glucoproteínas y el 10% glucolípidos)

- Están unidos en forma covalente a lípidos y proteínas.- Los enlaces covalentes dan origen a :

o Glucoproteínas o Glucolípidos

- Glucosilación: adición de carbohidratos. - Glucoproteínas: oligosacáridos cortos y ramificados con proteínas- Permiten las interacciones celulares.- Los carbohidratos de los glucolípidos de la membrana de los eritrocitos determina el sistema

ABO sanguíneo. o MEMBRANA DE ERITROCITOS:

Grupos Sanguíneos: A (GalNAc) B (Gal) AB (GalNAc y Gal) O

- Carbohidratos :o Glucolípidos:o N-AC Galactosamina o Galactosa

La estructura y funciones de las proteínas de la membrana

- Las proteínas de la membrana realizan la mayoría de las funciones específicas.- Lateralidad de la membrana.- Receptores para detectar, recibir y transducir diferentes tipos de señales, químicas, mecánicas y

eléctricas.- Alrededor de un 30% del genoma en los animales , codifica para proteínas. - Las proteínas a nivel de la membrana realizan funciones como:

o Transporte específicoo Reacciones catalizadas asociadas a la membrana, como la síntesis de ATP.o Conexión estructural entre el citoesqueleto y la matriz.

- Métodos de análisis: detergentes iónicos SDS y no iónicos Tritón X100.

Tipos:

- Proteínas integrales: o Los dominios transmembranales los determinan las secuencias de aminoácidos de la

proteína.o Respresentan del 20 al 30% de las proteínas codificadas.o Funcionan como receptores, conductos o transportadoreso Son anfipáticos

- Proteínas periféricaso Extracelulares o citosólicas.o La citosólica: forma una red fibrilar que actúa como esqueleto (brindan soporte

estructural) y actúan como ancla para las proteínas integrales de la membranao Se pueden desprender y volver a unirse según la función

- Proteínas ancladas a los lípidoso Extracelulares o citosólicaso Proteínas ancladas por GPI (Glucosilfosfatidilinositol)o La proteína de la encefalopatía espongiforme ovina PrPC se une por GPI.

Estudio de las biomembranas

1. Preparación de membranas biológicas en solventes orgánicos.

2. Proteínas y oligosacáridos insolubles, se remueven.

3. Liposomas y panel divisor.

Lípidos de membrana y fluidez

Fluidez: facilidad de flujo

Viscosidad: resistencia al flujo

- Tanto los lípidos como las proteínas tiene libertad de movimiento lateral dentro de la membrana.

- Permite las interacciones celulares:o Uniones celulares

- Participa en la formación de las membranas- Permite procesos celulares:

o Crecimiento - División celular - Endocitosis - La fluidez permite la interacción dentro de la membrana.

o Ejemplos: Ensamblajes de proteínas en sitios específicos, captación de luz por los complejos fotosintéticos y las sinapsis.

o Gel>>>> Fluido - La viscosidad de la bicapa es directamente proporcional a la longitud de las cadenas de AG, lo

que afecta la fluidez de la membrana. - Alta dinámica de conformación entre los diferentes lípidos.- El punto en el que la bicapa se gelifica se llama temperatura de transición (menor temperatura

mayor viscosidad)- Mayor grado de insaturación menor temperatura para alcanzar la gelificación- El esteroide, colesterol, aumenta la impermeabilidad de la membrana, aumenta su viscosidad a

37° C y regula la fluidez ante una baja de la temperatura.- La relación entre los lípidos, su estructura a nivel de longitud de las cadenas hidrocarbonadas y

grado de saturación define la propiedad : Fluidez de la membrana.

Mantenimiento de la fluidez de la membrana

Ante cambios como el descenso de la temperatura en el cuerpo que afectan las membranas hay respuestas:

- Homeostasis: ante cambios- Remodelación

o Desaturación de enlaces sencillos de las cadenas de AG para formar enlaces dobles por desaturasas

o Redestribución de las cadenas entre las distintas cadenas de fosfolípidos para formar las que tengan 2 ácidos grasos insaturados por fosfolipasas (separan el AG del glicerol) y las aciltransferasas (transfieren AG entre los fosfolípidos)

o Las desaturasas solo funcionan en la capa citosólica por ende necesitan de enzimas llamadas “flipasas” que invierten el sentido de los fosfolípidos de la capa externa.

Balsas lipídicas: membranas artificiales

La naturaleza dinámica de la membrana plasmática

- Movimiento:o Fluidez y viscosidad lo afectano Flipasas proteínas que facilitan el proceso de movimiento de una hoja a otra.o Los materiales se mueven bastante rápido lateralmente en la membrana.

La velocidad lateral de los fosfolípidos está limitada por la existencia de unas “vallas” que la molécula debe “saltar”.

Eritrocito

- Una de las membranas plasmáticas más estudiadas.- Se distingue por proteínas periféricas como las espectrina, la actina y la tropomiosina.- Posee proteínas integrales como la Glucoforina A y la Banda 3

o La banda 3 sirve como canal iónico aniónico pasivo, movimiento recíproco de bicarbonato y cloro en el eritrocito, en lo que se denomina desplazamiento de cloruros.

o La secuencia diferenciada en la glucoforina determina los grupos sanguíneos M, N, MN.

Movimiento de sustancias a través de las membranas celulares

- Las concentraciones de iones en el interior de la célula es diferente al exterior.- Las bicapas lipídicas son impermeables a los solutos y a los iones.- Las proteínas de membrana son transportadores y también forman canales.- Atraviesan la membrana por medio de transporte activo y transporte pasivo. - La membrana establece una neta diferencia entre el líquido extracelular y el líquido intracelular.- Mantiene el equilibrio osmótico.- Regula el equilibrio hidroelectrolítico.- Existen dos tipos de movimiento de sustancias:

o Iones y moléculas pequeñaso Macromoléculas

- Depende de las concentraciones extracelulares e intracelulares de la célula .o Proteínas de transporteo Permeabilidad propiamente de la bicapa

- Transporte pasivo: La difusión se da por gradiente de concentración, de una región de alta concentración a baja concentración. Depende del movimiento térmico aleatorio de solutos y es un proceso exergónico, es decir, libera calor con aumento de entropía, medida del desorden de un sistema.

o Difusión facilitadao Difusión simple u osmósiso Permeasaso Canales

- Transporte activoo Primarioo Secundario

- El transporte es selectivo- Bidireccional.

Permeabilidad de las sustancias

- No polares pequeñas, difunden con rapidez.- Polares sin carga, difusión diferencial- Sin carga polares, no pasan- Los iones no pasan, las membranas muestran una gran

fuerza electrostática.

El paso de sustancias através de la membrana depende de:

- Tamaño- Solubilidad

La diferencia fundamental entre las proteínas transportadoras y las proteínas de canales es la forma de discriminar los solutos. Las proteínas de canal discriminan por las cargas y tamaño de la molécula. Las proteínas transportadoras permiten el encaje dado que desarrollana cambios conformacionales lo que denota una alta especificidad.

Proteínas de canal: voltaje-dependientes, ligando-dependientes, mecano-dependientes

Ejemplo: Canal iónico de potasio (difusión simple)

- Organización molecular.- Cavidad central- Poro selectivo- Existe una diversidad de reguladores para las isoformas de los canales de potasio.- N-ter de desactivación citosólica.

Difusión facilitada: requieren de proteínas transportadoras que van a favor del gradiente de concentración (de mayor concentración a menor)

- La unión del soluto genera cambios en la proteína.- Forma pasiva, no se libera energía.- Bidireccional - Ejemplo: GLUT1 a GLUT5

Ósmosis

- Difusión del agua através de la membrana.- Diferentes concentraciones origina los estados:

o Hipertónico: crenación o plasmólisis

o Hipotónico: hemolisis o turgenciao Isotónico (0.9%)

Permeabilidad de la membrana

- Los solutos atraviesan las membranas por transporte pasivo o activos.- Cada membrana posee sus proteínas especificas para el paso de diversas sustancias.- El transporte activo sólo es realizado por proteínas transportadoras.

Aquaporinas

- Canal de agua. AQP2 en los riñones.- Revestidos de aa hidrofóbicos - Exclusión de H⁺- Son abundantes en los tejidos renales y raíces donde son vitales.- Patología: Diabetes Insípida Nefrógena congénita.

Transporte pasivo mediado por transportador

- Transporte pasivo mediado por un transportador, proteína de membrana. - También denominadas “carriers” o permeasas.- Son específicos, hasta a nivel de isómeros, Gluc por Galac - El soluto se une a un sitio específico, esto produce cambios conformacionales en el

transportador o proteína especializada. De velocidad de transporte moderada. Luego de una abundante ingesta de alimentos, las células hepáticas poseen mayor concentración de glucosa en el LEC, se une al transportador se libera en el citosol, donde su concentración es menor. Estas proteínas transportadoras sólo fijan D-Glucosa y no L-Glucosa, que no se puede utilizar en la glucolisis. Transportadores de glucosa, tenemos los Glut 1 a Glut 5, responden a la insulina. A altas concentraciones de glucosa, se exponen en la sueperficie de células musculares y adipocitos para su metabolismo.

- Cada proteína transportadora tiene uno o varios sitios específicos de unión de solutos.- Cuando la proteína transportadora es saturada, la velocidad de transporte es máxima. Vmax es

específica para cada proteína, al igual que la Km.- Al igual que las enzimas, el transporte de solutos puede ser bloqueado por inhibidores

competitivos o no, alterando la proteína.

Difusión simple vs facilitada

- Difusión facilitada tiene un máximo de saturación debido a los sitios de unión de glucosa.- La difusión simple es lineal, favorecida por la concentración del soluto en ambos lados de la

membrana.

Transporte acoplado (activo secundario, cotransporte)

- Simportador: depende del transporte secuencial de otra sustancia, en la misma dirección. Na⁺ - Gluc, Na⁺-aa

- Antiportador: dirección opuesta. Se da en transporte activo y pasivo. Entra Na⁺ sale Ca⁺², cardiomiocitos.

- Se movilizan las sustancias en contra de sus gradientes de electroquímicos. Tipos:o Transportadores acopladoso Bombas impulsadas por ATPo Bombas impulsadas por la luz (Bacterias). Bacteriorrodopsina.

- Las tipo P: son fosforiladas para activarlas. Ej: bomba H⁺/K⁺ - Tipos F V se ubican en la membrana interna de mitocondrias y cloroplastos.

Bomba Na+/K+ ATPasa

- La hidrólisis de ATP genera la energía para bombear 3 Na⁺ hacia el LEC.- Entran 2 K+- Es proteína transportadora y enzima.- Representa el 30% de consumo energético de la célula.- Es electrogénica. - Mantiene las concentraciones de Na+ de 10 a 30 veces mayor en el LEC y la concentración de K+

de 10 a 30 veces mayor en el LIC.

Bomba Ca2+ ATPasa

- Tipo P, por el proceso de fosforilación.- Se ubica en el RS.- Hacia el citosol del RS o al LEC, ambos permiten que la [Ca⁺²] sea 4000 veces>LEC que en el LIC.- Antiporte : 3 Na⁺ : 1 Ca⁺² en los cardiomiocitos.

Canales iónicos

- La apertura y cierre de los canales depende de los estímulos como, voltaje, ligando estimulación mecánica. Canales voltaje dependientes los hay de sodio, calcio y potasio, por ejemplo; también los ligando dependiente los de colinérgicos, adrenérgicos y los canales de las células auditivas que son estimuladas por las ondas sonoras. Los canales voltaje dependiente desempeñan el papel de transmisión de señales eléctricas en las células nerviosas y musculares.

- Poseen selectividad

- No están continuamente abiertos, es relativo.- Pasan más de 1 millón/s- Inducen una permeabilidad transitoria de la membrana- Responden a diferentes estímulos. - Tipos:

o Canales pasivos: siempre están abiertos. La membrana es mucho más permeable al K⁺ que al Na⁺.

o Canales con compuertas: son los que responden a estímulos de voltaje, ligandos y a estimulación mecánica.

- La mayoría de los canales se pueden encontrar en la situación de abierto o cerrado, dependiendo de la fisiología y el tipo particular de canal.

- Poseen una compuerta para el control del paso del ión.- Poro selectivo.

Receptores de membranas

- Proteínas ligando-dependientes- El complejo lingando-receptor desencadena reacciones- Ejemplos de ligandos: neurotransmisores, hormonas, neuromoduladores, iones, AMPc

En células intestinales y renales, el transporte de sustancias se basa en los procesos de Absorción y secreción y reabsorción en el tejido renal.

Exocitosis

- Las proteínas plasmáticas se concentran en caveolas en la membrana.- Por endocitosis se concentran en las vesículas.- El contenido de las vesículas es vertido por exocitosis en el LIS.

Potenciales de membrana e impulsos nerviosos

Excitabilidad: capacidad de responder ante estímulos

Neurona: capacidad de recibir, transducir y transmitir señales.

- Cuerpo celular o soma: es la central, es donde se crean la mayoría del material de la neurona- Dendritas: son ramificaciones que reciben el impulso que llega y lo transmiten hacia el axón- Axón: una sola ramificación que va desde el soma y conduce el impulso hasta las terminales

sinápticas y a luego a las células blanco- Terminales sinápticas: botón terminal- Vainas de mielina: - Nodos de Ranvier- Célula de Shwann: son las que producen la mielina para el sistema nervioso periférico- Oligodendrocitos: producen las vainas de mielina para el sistema nervioso central

Potencial de reposo

- Potencial de membrana en reposo, en la neurona - 70 mV.- LEC: ↑ [ Na⁺ ]- LIC: ↑ [ K⁺ ]- La cara citosólica está cargada negativamente y la externa, positivamente.- Ek = -90 mV

La ecuación de Nerst nos permite calcular el potencial de membrana para un determinado ión.

- Permeabilidad de la membrana a los iones es específica.- El desplazamiento de iones varía de un estado en reposo a uno estimulado.- Los procesos de señalización eléctrica e interacción con los canales iónicos es determinante en

el voltaje de membrana (Vm)

Potencial de acción

- Ante un estímulo adecuado, los iones sodio entran a la membrana modificando la polaridad.- Despolarización: entra sodio, polaridad interna positiva.- Repolarización: condición inicial de reposo. - La morfología de las neuronas presentan en el axón, los Nodos de Ranvier, que son segmentos

amielínicos.- A > diámetro >velocidad de conducción <resistencia al flujo local de corriente. - Los nodos de Ranvier permiten > velocidad en la conducción del impulso nervioso.- La vaina de mielina permite > velocidad de conducción.- DM disminución en la mielinización. - Cambios en el potencial de membrana se denomina Potencial de Acción.- Cambios iónicos- Vm= -70 mV - Umbral= -55 mV - Fases: depolarización - Repolarización - Hiperpolarización (se pone en -80mV por un rato)

Capitulo 8: Sistemas de membrana citoplásmica: estructura, función y tránsito en la membrana.

Sistema de endomembrana: red dinámica integrada en la que los materiales se envían y regresan de una parte de la celula a otra, casi todos se transportan en vesículas de transporte que se fusionan con la membrana del receptor. Organelos:

- Reticulo endoplasmico- Aparato de Golgi- Endosomas- Lisosomas- Vacuolas

Vías a través del citoplasma:

- Vía biosintética o secretora: Sinstesis de proteínas en el RE, modificación en el aparato de Golgi y transporte del Golgi a varios destinos como: membrana plasmática, lisosoma o vacuola.

o Secreción constitutiva: los materiales se transportan de forma continuao Secreción regulada: materiales se almacenan en paquetes y se descargan solo como

respuesta de un estímulo apropiado. Ej: células endocrinas (homornas), células de los acinos pancreáticos (enzimas digestivas) y células nerviosas (NT). En algunas células se almacenan en gránulos secretores.

- Vía endocítica: materiales se mueven de la superficie externa de la célula a los compartimientos. Ej: endosomas y lisosomas dentro del citoplasma.

Los destinos celulares tienen señales clasificadoras codificadas en la secuencia de aminoácidos o en los oligosacaridos unidos.

El retículo endoplásmico

El RER y el SER forman un sistema de membranas que rodean un espacio o luz (espacio luminal o cisternas)), separado del citosol circundante (espacio citosólico).

Reticulo endoplasmico liso (SER en células musculares)

- Muy desarrollado en musculo esquelético, tubulos renales y glándulas endocrinas productoras de esteroides.

- Funciones:o Sintesis de hormonas esteroideas en células endocrinas de gonadas y corteza

suprarrenal.o Desintoxicación del hígado (barbitúricos y etanol) por medio de oxigenasas (enzimas

que vuelven más hidrofilicos y fáciles de excretar a los compuestos, no siempre es bueno).

o Secuestro y liberación de iones de calcio en el citoplasma celular.

Retículo endoplásmico rugoso (RER):

- Posee ribosomas- Se compone de una red de sacos llamado cisternas- Se continúa con la membrana nuclear- Predomina en glándulas pancreáticas, salivales, secretoras de moco (producción de proteínas)- Cisternas del RER (basal) y granulos secretores (apical)- Punto inicial de vía biosintética: sintetiza proteínas, carbohidratos y fosfolípidos.- Sintesis de proteínas se da en:

o Ribosomas libres: Proteínas destinadas a permanecer en el citosol (proteínas del citoesqueleto,

enzimas de glucolisis) Proteínas periféricas citosólicas (espectrinas y anquirinas) de relación débil con

la membrana. Proteínas que se transportan al núcleo Proteínas hacia los peroxisomas, cloroplastos y mitocondrias

o Ribosomas unidos a la membrana citosólica: Proteínas que secreta la célula Proteínas integrales de la membrana Proteínas solubles que se encuentran en compartimientos del sistema de

endomembrana.

El sitio donde se sintetiza la proteína se explica con la hipótesis de la señal:

- Secuencia de señal en extremo N de proteínas secretos: dirige al polipéptido emergente y al ribosoma hacia la membrana del retículo endoplásmico.

- El polipeptido se introduce a la cisterna por un canal al mismo tiempo o después de la traducción.

Sintesis de proteínas secretores, lisosómicas o vacuolares vegetales en los ribosomas unidos a membranas

- Inicia cuando el ARN se une a ribosomas libres- Ribosoma tiene una secuncia señal que dirige al polipeptido naciente a la membrana del

retículo endoplásmico.- Una partícula de reconocimiento de señal (SRP y es proteína G): identifica la secuencia de señal- SRP se une a ribosoma y secuencia señal

o SRP + receptor de SRP (permite la unión del ribosoma con el translocón)o Ribosoma + translocón (conducto recubierto con proteína incrustado en la membrana

de RE, mediante el cual el polipeptido naciente puede moverse a la luz del RE desplazando el tapón)

o Hidrólisis de GTP del SRP- Cadena naciente atraviesa el canal expandiendo el mismo - Se libera el ribosoma- Se reinserta el tapón

Procesamiento de proteínas recién sintetizadas en el retículo endoplásmico

El polipeptido naciente pasa por diversas enzimas.

- Peptidasa de señal: retira el péptido señal - Oligosacariltransferasa: agregan carbohidratos a la proteína naciente- Proteínas chaperonas: reconocen proteínas desplegadas o mal plegadas se unen a ellas y le dan

la oportunidad de adquirir estructura nativa. - PDI isomerasa de disulfuro de proteína: le da estabilidad a la molécula creando enlaces disulfuro

Sintesis de proteínas integrales de membrana en los ribosomas unidos a la membrana

- Se translocan a la membrana del ER conforme se sintetizan- Mismos mecanismos para síntesis de proteínas secretoras y lisosomicas- Difiere: proteínas de membrana poseen 1 o más segmentos transmembranosos hidrófobos- Se desvían los segmentos del translocón (que se abre y cierra continuamente)- Los segmentos se unen a la membrana

o La porción positiva (N) se flanquea hacia el citosolo La porción positiva (N) no se flanquea y entra así mismo

Biosintesis de membrana en el RE

- Membranas solo surgen de membranas preexistentes- Crecen conforme proteínas y lípidos recién sintetizados se insertan en las membranas existentes

en el ER.- El paso de las membranas por los organelos las diferencian y al le la asimetría a las membranas.- Sintesis de los lípidos de la membrana:

o Mayor parte se sintetizan totalmente en el RE excepto Esfingomielina y glucolípidos (comienzan en ER y terminan en Golgi), algunos de los lípidos de las membranas de

mitocondrias y cloroplastos que se sintetizan por acción de enzimas en esas membranas.

o Los fosfolipidos se insertan en la mitad de la bicapa mirando al citosolo Algunos de estos insertados se giran por flipasas y quedan mirando al otro ladoo Los lípidos transportados constituyen la bicapa de las vesículas de transporteo Factores que contribuyen a composiciones diferentes:

Enzimas que modifican lípidos convirtiendo fosfolípidos a otros Prefrencia de algunos fosfolípidos por partes de la membrana Proteínas de transferencia de fosfolípidos que transportan fosfolípidos a través

del citosol de un compartimiento de membrana a otro.

Glucosilación en el RER

- La mayoría de las proteínas producidas se vuelven luego glucoproteínas- La presencia de carbohidratos:

o Sitio de unión en interacciones con otras macromoléculaso Ayudan al plegamiento correcto

- Glucosiltransferasas: adición de azucares a la cadena de oligosacárido (glucosilación)o Transfieren un monosacarido especifico de un azúcar nucleótido. Ej GDP-manosa al

extremo en crecimiento de la cadena de carbohidrato. o Primero se ensambla la parte basal de la cadena de carbohidrato sobre un lípido y luego

se transfiere a la proteína, el lípido transportador se llama fosfafo de dolicol´o Proceso:

Transferencia de NAG 1-P, seguida de transferencia de otra NAG Transferencia de 9 moleculas de manosa y 3 de glucosa

Mutaciones en el proceso se denominan enfermedades congénitas de la glucosilación (CDG)

o Luego la cadena de oligosacárido se modifica: En el ER comienza: eliminación de residuos de glucosa Evaluación por el control de calidad

Cada proteína se une a la chaperona del ER Glucosodasa II hace que la chaperona libere la glucoproteína Si aun no se ha plegado bien es reconocida por la GT por los residuos

hidrófobos que no tienen las proteínas bien plegadas. La chaperona le da otra oportunidad de plegarse bien

o Se pliega bieno No se pliega bien y se destruye: una enzima del ER que quita un

residuo de manosa lo que hace que no se pueda reciclar y se destine a la degradación.

o La UPR (respuesta de proteína no plegada) ocurre cuando la concentración de proteínas no plegadas excede al proceso de plegamiento y las proteínas son enviadas a los proteosomas.

Del RE al Golgi: primer paso en el transporte vesicular.

Sitios de salida de las cisternas del RER:

- Desprovistos de ribosomas- Forman las primeras vesículas de transporte

o Las VTC (vesicular tubular carrier) se desplazan del ERGIC (compartimiento intermedio entre RE y aparato de Golgi) hacia el aparato de Golgi

El Aparato de Golgi

- Cisternas membranosas que forman pilas unidas por túbulos membranosos- Cis: la cara más cerca al RE- La Red cis de Golgi (CGN): selecciona las proteínas que deben seguir el tráfico o devolver al RE- Mayor parte formada por: cis, mediales y trans- Red trans de Golgi (TGN): clasifica las proteínas hacia distintos destinos celulares.- A medida que avanzan se van modificando los carbohidratos.

Glucosilación en el aparato de Golgi

Glucosiltransferasas

- Medial: quitan manosa- Se agregan otros azucares (crean secuencias variadas a diferencia del RE)- La glucosilacion del RE es con enlaces N y la del aparato de Golgi con enlaces O.- En el aparato de Golgi se sintetiza la mayor cantidad de polisacáridos complejos

(glucosaminoglucanos, pectinas y hemicelulosa)

Tipos de transporte en vesículas y sus funciones

- Vesiculas que se desprenden de membrana donante y se fusionan con membranas receptoras- Cubiertas de proteínas tienen funciones:

o Dispositivo mecanico que curva la membrana y forma una vesícula desprendibleo Proporcionan un mecanismo para seleccionar los componentes que transporta la

vesícula: Cargamento consistente en proteínas secretoras, lisosómicas y de membrana La estructura necesaria para dirigir y conectar la vesícula con la membrana

receptora correcta. Formada por capa externa o de andamiaje y capa interna.

o Tres tipos de vesículas cubiertas: Vesículas cubiertas con COP II: desplazan materiales del retículo endoplásmico

“hacia adelante” al ERGIC y al aparato de Golgi. COP I: mueven materiales de forma retrograda, del ERGIC y pila de Golgi hacia el

ER y de las cisternas trans a las cis.

Con clatrina: movilizan materiales de la TGN a los endosomas, lisosomas y vacuolas vegetales. También a compartimientos citoplásmicos en vía endocítica.

Conservación y recuperación de las proteínas residentes del retículo endoplásmico

Se mantienen las proteínas en un organelo mediante 2 mecanismos:

- Retención de las moléculas residentes que se excluyen de las vesículas de transporte- Recuperación de las moléculas “prófugas” para devolverlas (Ej, uso de COP I)

Ordenamiento de proteínas en la red trans de Golgi

- De enzimas lisosómicas: se transportan como vesículas cubiertas con clatrina.o Una celosía externao Capa interna formada por adaptadores: antes de formar la vesícula el adaptador GGA se

une con el receptor y el GGA esta unido a clatrina, creando la vesícula.- Proteínas no lisosómicas: por medio de proceso de secreción regulada.

Direccionamiento de las vesículas a un compartimiento particular

1. Movimiento de la vesícula hacia el compartimiento blanco específico: movimientos mediados por microtúbulos.

2. Fijación de vesículas al compartimiento blanco. Mediado por proteínas fijadoras: a. Fibrosas cilíndricas: forman un puente a una distancia considerableb. Complejo multiproteínico: mantienen próximas ambas membranas.

Las Rab (proteína G) se relaciona con membranas mediante un ancla de lípido que tiene una función clave en la dirección hacia un blanco mediante la atracción de proteínas fijadoras citosólicas.

3. Acoplamiento de las vesículas al compartimiento blanco. Las proteínas clave en las interacciones entre las membranas de la vesícula y la del compartimiento se llaman SNARE que poseen un motivo SNARE que permite formar complejo con otras SNARE. Hay 2 tipos de SNARE:

a. SNARE-v: se incorporan en las membranas de las vesículas de transporte durante el desprendimiento

b. SNARE-t: están en las membranas de los compartimientos

En células nerviosas (vesícula sináptica):

o SNARE-t: SNAP-25: forman las membranas de las vesículas y sintaxinao SNARE-v: sinaptobrevinao Las SNARE son blanco de las toxinas del botulismo y el tétano, no se libera NT y hay

parálisis.4. Fusión entre las membranas de la vesícula y el blanco: las interacciones entre la SNARE-t y v son

capaces de unir dos bicapas de lípidos con la suficiente fuerza para fusionarlas. El haz de 4

cadenas SNARE permanece cerrado e inactivo preparadas para descargar su contenido una vez reciban la señal (incremento de concentración de Ca2+). La NSF hace que se disocie el complejo SNARE de 4 cadenas.

Exocitosis

Fusión de una vesícula secretora con la membrana plasmática y la descarga subsiguiente. Ej: liberación de NT. Se cree que el contacto entre vesícula y las membranas plasmáticas conducen a la formación de un pequeño poro de fusión que se dilata para descargar el contenido

Lisosomas

- Organelos digestivos de la célula animal- Enzimas (hidrolasas ácidas a pH 4,6) que hidrolizan todo tipo de macromoléculas- Funciones:

o Degradación de materiales que llegan a la célula desde el ambiente externoo Recambio de organelos (destrucción regulada) se denomina autofagia. Se rodea el

organelo con una doble membrana para producir un autofagosoma y se fusiona con un lisosoma para crear un autofagolisosoma que degrada el organelo. Al degradado se le llama cuerpo residual que se elimina por exocitosis o se conserva en el citoplasma como gránulo de lipofuscina

o La autofagia protege al organismo de amenazas intracelulares y agregados proteínicos anormales

Captación de proteínas por:

-Estas proteínas se importan después de la traducción

-El tráfico de proteínas se regula por señales de clasificación y receptores de estas señales

- Peroxisomas: o Tiene dos compartimientoso Tiene membrana limitante y matriz internao Las proteínas de este destino tienen señal de dirección peroxisómica (PTS) para una

proteína de matriz y PTSm para una proteína preoxisómica de membrana.o Son capaces de importar proteínas de la matriz con su formación plegada

- Mitocondrias:o Tiene 4 compartimientoso Tiene membrana mitocondrial externa, interna, espacio intermembranal y matrizo Antes que la prot. Pueda entrar en la mitocondria se debe desplegar

La vía endocítica: movimiento de membrana y materiales dentro de la célula

Edocitosis: cuando la célula interioriza los receptores de la superficie celular junto con los ligandos. Existen 2 tipos:

- Endocitosis por volumen (pinocitosis): captación de líquidos extracelulares con su soluto.- Endocitosis mediada por receptor (RME): captación de macromoléculas extracelulares (ligandos)

después de unirse con su receptor. Entre los ligandos están:o Hormonas, enzimas, factores de crecimiento o Los ligandos que ingresan se unen a receptores en dominios especializados de la

membrana conocidos como concavidades cubiertas, que se invaginan en el citoplasma y luego se desprenden de la membrana para formar vesículas cubiertas.

La mayoría cubierta con clatrina que a diferencia de las del TGN se unen con adaptadores AP2, no con GGA.

La dinamina hace que la vesícula cubierta se desprenda de la membrana plasmática (actúa como enzima que usa GTP para generar fuerzas mecánicas)

La vía endocítica: Hay 2 tipos de receptores:

- Receptores domesticos: captan los materiales que se utilizan en la célula. Ej: receptores de LDL- Receptores de señalización: unen ligandos extracelulares para llevar mensajes que cambian las

actividades celulares.

Despues de la interiorización los materiales se transportan a una red dinámica de túbulos y vesículas conocidas en conjunto como endosomas (centros de distribución a lo largo de la vía endocítica). Hay:

- Endosomas tempranos: en la región periférica- Endosomas tardíos: cerca del núcleo también se le conocen como cuerpos multivesiculares

(MVB)- Los endosomas tempranos maduran poco a poco hasta endosomas tardíos por medio del

descenso en el pH, intercambio de proteínas Rab y cambio de la morfología.

Metabolismo de LDL y colesterol: LDL transporta el colesterol y en su centro tiene una apolipoproteína B-100 que se une con los receptores para LDL.

Fagocitosis: Cuando la célula capta partículas mayores de 0.5 micrometros.

Para animales es mecanismo protector:

- Macrofagos y neutrofilos- Fagocitan microorganismos invasores, células dañadas o muertas y luego las vuelven un

fagosoma que luego se fusiona con un lisosoma y se forma el fagolisosoma. - Hay microorganismos que sobreviven a la fagocitosis: mycobacterium tuberculosis

Estructura y función de la mitocondria

- Su tamaño varía de 1 a 5 micrometros- Representa de un 15 a un 20% del volumen de los hepatocitos- Posee dos membranas- Las crestas: transductores de energía

Función:

- Genera ATP mediante un mecanismo quimioosmótico- La mayor parte del ATP proviene de la oxidación de los azúcares y ácidos grasos- Genera un gradiente electroquímico de H+ (por actividades de REDOX)- Transporte activo de metabolitos- Tienen función en la captación y liberación de calcio y en su regulación en el citoplasma

Membrana mitocondrial

- Externa: para el transporte y se encuentran en muchas células eucariotas. Tiene porinas que cuando están abiertas, es permeable al ATP, NAD y coenzima A

- Transportan ATP, NAD y coenzimas

La matriz mitocondrial

- Tiene enzimas, ribosomas y moléculas de ADN (no cromosómico)- Tiene su propio material genético y mecanismos para producir su propio ARN y proteínas

Capitulo 9: El citoesqueleto y la movilidad celular

Citoesqueleto: elementos endurecidos que sostienen tejidos blandos y desempeñan una función clave en los movimientos.

- Se forman de enlaces débiles no covalentes

Microtúbulos Filamentos intermedios Filamentos de actinaSubunidades incorporadas en un polímero

Heterodímero GTP alfaBeta tubulina

Cerca de 70 proteínas diferentes

Monomeros de ATP-actina

Sitio preferencial de la incorporación

Extremo (+) (tubulina B) Interno Extremo (+) (Barbado)

Polaridad Si No SiActividad enzimática GTP-asa Ninguna ATP-asaProteínas motoras Cinesinas, dineínas Ninguna MiosinasGrupo principal de proteínas relacionadas

MAP Plaquinas Proteínas de unión con actina

Estructura Tubo rígido, hueco, no extensible, no ramificado

Filamento resistente, flexible, extensible

Filamento helicoidal flexible, no extensible, ramificado

Dimensiones 25 nm de diámetro externo, 4nm de grosor

10-12nm de diámetro 8nm de diámetro

Distribución Todas las células eucariotas

Animales Todas las células eucariotas

Funciones principales Soporte, transporte intracelular, organización celular

Soporte estructural Motilidad, contractilidad

Distribución subcelular Citoplasma Citoplasma + núcleo citoplasma

Funciones del citoesqueleto:

1. Andamio dinámico: brinda soporte y determina forma de célula2. Marco interno: establece posiciones del organelo dentro de la célula del extremo apical al basal.3. Red de rieles para el movimiento de materiales: ARNm, vesículas, peroxisomas.4. Generador de movimiento celular: cilios y flagelos5. Esencial en la maquinaria de la división célular: se encarga de dividir cromosomas (microtúbulos)

y los filamentos de actina dividen la célula madre en 2 hijas.

Microtúbulos

Estructura y función

- Forman parte de cilios y flagelos, el huso mitótico (cilios del tejido epitelial traqueal, flagelo como en el espermatozoide).

- Paredes formadas por protofilamentos (proteínas globulares en hileras)o Cada protofilamento se ensambla por subunidades de tubulina alfa y beta, es asimétrico

Extremo más: subunidades beta Extremo menos: subunidades alfa

Proteínas relacionadas

- Proteína relacionada con microtúbulos (MAP)

Microtúbulos como soportes y organizadores estructurales

- Su distribución determina la forma de la célula- Determina la ubicación de los organelos (fármacos desensamblan los microtubulos y

desordenan los organelos)

Microtúbulos como agentes de movilidad intracelular

- Movimiento de células nerviosas dependen de un conjunto de microtúbulos y otros filamentos del citoesqueleto.

Transporte Axónico

- Materiales como NT se mueven por el axóno Del cuerpo celular hasta terminaciones: anterógradao Dirección contraria: desde la sinapsis hacia el cuerpo celular se denomina retrógradao Las vesículas se mueven a lo largo de los microtúbulos del axón (sirven como vías para

proteínas motoras)

Proteínas motoras que cruzan el citoesqueleto microtubular

- Convierten energía química en energía mecánica

- Transportan: vesículas, mitocondrias, lisosomas, cromosomas y otros filamentos- Tres grandes familias: cinesinas, dineínas y miosinas

o A lo largo de microtúbulos: cinesinas y dineínaso A lo largo de microfilamentos: miosina

- Ciclo mecánico:o Golpe de poder que mueve la proteína motora unos nanómetros

- Ciclo químico:o Unión de ATP, hidrólisis, generación de energía y unión de otro ATP

- El ciclo mecánico trabaja con la energía del ciclo químico

Cinesinas

- Proteína motora del citoplasma de axones- Maquina generadora de fuerza que hidroliza ATP- Motor microtubular dirigo al extremo más (hacia las terminaciones sinápticas)- Se mueve sobre un solo protofilamento (velocidad proporcional a concentración de ATP)- Mueven organelos y vesículas- Mueven materiales hacia la parte exterior de la célula

Dineína citoplásmica

- Se mueven hacia el extremo menos- Funciones:

o Generador de fuerza para posicionamiento del huso y movimiento de cromosomas durante mitosis

o Motor microtubular para situar el aparato de Golgi y para el movimiento de organelos, vesículas y partículas por el citoplasma

o En células nerviosas: movimiento retrógrado de organelos y anterógrado de microtúbulos.

o Mueven materiales hacia la parte interior de la célula (endosomas, lisosomas, vesículas, RNA y VIH)

o Se unen al cargamento por medio de un adaptador llamado dinactina

Centros organizadores de microtúbulos

- Función del microtúbulo depende de su ubicación- El ensamble ocurre en 2 fases:

o Nucleación: se forma una pequeña parte del microtúbulo por medio de estructuras llamadas “centros de organización de microtúbulos” MTOC, Ej. Centrosoma

o Elongación: fase rápida

Centrosoma

- Contiene 2 centriolos rodeados por “material pericentriolar” PCM electrodenso y amorfo

- Principal sitio de inicio de los microtúbulos en células animales

Cuerpos basales y otros MTOC

- Los microtúbulos externos de cilios y flagelos se generan de un cuerpo basal (estructura idéntica a centriolos, centriolos en meiosis dan origen a cuerpos basales y cuerpos basales se convierten en centriolos en mitosis del huevo fertilizado)

Nucleación del microtúbulo

- Todos los MTOC: controlan el número de microtúbulos, su polaridad, número de protofilamentos en sus paredes y el momento y localización de su ensamble

- Todos los MTOC tienen túbulina gamma

Las propiedades dinámicas de los microtúbulos

- Se estabilizan por MAP uindas- Son lábiles (fácil de desensamblar), propiedad que permite varios procesos (EJ. Mitosis)

o Se puede inducir con frío, presión hidrostática, aumento en Ca2+ y fármacos (taxol inhibe desensamble)

o Los del huso son muy lábiles, microtúbulos de neuronas son menos lábiles y cilios y flagelos son muy estables.

o

Bases en la dinámica de microtúbulos

- Ensamblaje requiere GTP (tubulina-GTP) y tienen una inestabilidad dinámica:o Puede desensamblarse y ensamblarse de vueltao Puede desensamblarse, desaparecer y volver a crecer del MTOC

Filamentos intermedios

- Solo se han hallado en células animales- Se encuentran en neuronas, células epiteliales y musculares- Resistentes a la fuerza de tensión- Conectados con otros filamentos por medio de plectina - Estan los de queratina, vimentina, etc

Ensamble y desensamble de filamentos intermedios

- Un monómero se agrupa con otro para formar un dímero- Dos dímeros alinean antiparalelamente para formar un tetrámero- Se da crecimiento (ninguno de los pasos requiere de ATP o GTP directamente)- El ensamble y desensamble se controla por fosforilación y desforforilación de las subunidades,

EJ. Fosforilación de vimentina por PKA desensambla

Tipos y funciones de los filamentos intermedios

- Filamentos de queratina: principales proteínas estructurales de células epiteliales- Neurofilamentos: haces laxos de IF, su degeneración se ve en la enfermedad de Parkinson y ALS- Desmina: función estructural clave para alineación de miofibrillas, sin estos IF la celula se torna

frágil.

Microfilamentos

- Participan en procesos de motilidad intracelular (vesículas, fagocitosis y citocinesis)

Ensamble y desensamble de microfilamentos

- Monomero de actina se une con ATP (actina es ATPasa)- Se hidroliza el ATP y el filamento queda en subunidades de ADP-actina- Este nuevo filamento es la “semilla” de donde más filamentos (monómeros) se van añadiendo

(elongación) en el lado menos y en el lado más, en un punto se le deja de añadir al lado menos y continua el lado más. Después los monómeros comienzan a desprenderse del lado más y siguen añadiéndose al lado menos hasta llegar al equilibrio en la concentración de monómeros libres.

Miosina: el motor molecular de los filamentos de actina

- No convencionales- Convencionales (tipo II)-

Miosinas convencionales (tipo II)

- Principales motores para contracción muscular- Necesarias para separar a la célula durante la división celular, generar tensión en las adhesiones

focales, migración celular y compartimiento giratorio de los conos en crecimiento- Consiste en:

o Un par de cabezas globulares que contienen el sitio catalítico de la moléculao Un par de cuelloso Una sola cola cilíndrica

- Tienen la capacidad de tirar de los filamentos de actina para aproximarlos

Miosinas no convencionales

- Miosina V: puede dar pasos muy grandes o Se mueve como la cinesinao Se relaciona con diversos tipos de vesículas y organeloso Se mueven a lo largo de microfilamentos

- Miosina VI: transportador de organelos en muchas células de forma retrógrada e interviene en la formación de vesículas con clatrina.

Contractilidad muscular

- Células del musculo estriado: muchos nucleos, control voluntario y pueden contraerse, se les denomina “fibra muscular”

o Muchos nucleos por fusión de mioblastos

- La fibra muscular esta formada por muchas “miofibrillas”o Hay filamentos delgados y filamentos gruesos

- Cada miofibrilla consta de un conjunto lineal de unidades contráctiles llamadas sarcómeraso Cada sarcómera se extiende de una línea Z a otra línea Zo Tiene un par de bandas I en los bordes externoso Una banda A entre las bandas I externaso Zona H en el centro de la banda Ao La banda I contiene solo filamentos delgadoso Zona H contiene solo filamentos gruesoso Las partes de la banda A que están a ambos lados de la zona H representan la región de

superposición y contienen filamentos gruesos y delgadosç

Modelo de filamento deslizante de la contracción muscular

- Todos los músculos estriados operan por acortamiento- Unidades de acortamiento: sarcómeras, si ellas se acortan el músculo se acorta- La banda A se mantiene igual, las bandas H e I disminuyen en anchura y desaparecen del todo,

las líneas Z se mueven hacia adentro hasta tocar los bordes de la banda A

Composición y organización de los filamentos gruesos y delgados

Filamentos delgados: actina, tropomiosina y troponina

- Tropomiosina: se ajusta con firmeza en hendiduras dentro del filamento delgado y se relaciona con subunidades de actina

- Troponina: establecen contacto con la actina y la tropomiosina del filamento

Filamento grueso: miosina II con pequeñas cantidades de otras proteínas

Titina: tercera proteína más abundante en los músculos estriados, se originan en la línea M y se extienden a lo largo del filamento de miosina.

- Es muy elástica y se estira como una liga - Previene la rotura de la sarcómera durante el estiramiento muscular - Mantiene los filamentos de miosina en su posición apropiada durante la contracción muscular.

Base molecular de la contracción

- Durante la contracción cada cabeza de miosina se extiende hacia afuera y se une con firmeza al filamento delgado moviendoló por cambios conformacionales hacia el centro por medio de 1 ATP.

o Genera tanta fuerza por la amplificación de movimiento con el balanceo del cuello ya que actua como una palanca rígida.

Energética del deslizamiento del filamento

- 1 molecula de ATP se une a la cabeza de miosina e induce a la disociación del puente con el filamento de actina

- Hidrólisis de ATP que hace que la miosina se cargue de energía y se une devuelta con la molécula de actina liberando el fosfato que se había unido haciendo un cambio conformacional

- Este cambio conformacional hace que la miosina mueva el filamento de actina hacia el centro y se libera la molecula de ADP que estaba unida por la hidrólisis y se reincorpora otra nueva de ATP para que se vuelva a iniciar el ciclo.

Coordinación de la exitación-contracción

- Fibras de una unidad motora inervada por ramas de una sola neurona motora que provocan la contracción cuando reciben el estímulo de un impulso

-- Contacto del extremo de un axón con una fibra muscular se llama: unión neuromuscular.- La llegada de un impulso y el acortamiento de las sarcómeras se llama coordinación de

exitación-contracción- El impulso entra a la célula por los “túbulos transversos” que termina muy cerca del retículo

sarcoplásmico.- Con la llegada del potencial de acción por estos túbulos transversos los niveles de Ca2+

aumentan provocando la contracción muscular- Cuando la sarcómera está relajada la tropomiosina de los filamentos delgados bloquean los

sitios de unión de la miosina en las moléculas de actina. Esta tropomiosina está bajo el control de la troponina unida.

- Cuando los niveles de calcio aumentan los iones se unen con una de las subunidades de troponina e inducen un cambio conformacional que mueve a la tropomiosina adyacente y entonces deja libres los sitios de unión con miosina.

- Se une la miosina y comienza la contracción

- Cuando la estimulación termina se cierran los conductos de calcio y comienza el secuestro de iones haciendo que los iones se separen de la troponina haciendo que la tropomiosina vuelva a su lugar y bloquee la interacción entre miosina y actina.

Capitulo 12: El núcleo celular y el control de la expresión génica

Morfología:

- Es una masa viscosa y amorfa encerrada por una envoltura nuclear- En interfase una célula tiene:

o Cromosomas en forma de cromatinao Uno o más nucléolos que sintetizan RNAr y ensamble de los ribosomaso Nucleoplasma: líquido internoo Matriz nuclear: contiene proteína

Envoltura nuclear

- Marca entre la evolución de las células (protección del ADN)- Consta de dos membranas separadas por un espacio de 10 a 15 nm llamado perinuclear- La membrana externa tiene ribosomas y se continúa con el RER- El espacio entre membrana se continúa con el lumen del RE- La superficie interna esta hecha de una red de proteínas integrales llamada: lámina nuclear- La membrana sirve como barrera y protege iones, solutos y macromoléculas que pasan entre el

núcleo y el citoplasma- Las 2 membranas se fusionan en los sitios donde hay poros

Lámina nuclear

Funciones:

- Brinda apoyo mecánico a la envoltura nuclear- Sirve como sitio de unión para las fibras de cromatina de la periferia nuclear- Participa en la duplicación y transcripción de ADN

Morfología:

- Esta formado por proteínas integrales- Los filamentos de la lámina se componen de polipeptidos llamados lámina

o Estas láminas son miembros de la superfamilia de los IF- Los filamentos intermedios que conforman la lámina se regulan por fosforilación y

desfoforilación.- Mutaciones en uno de los genes de la lámina causa: Progeria y distrofia muscular

Complejo del poro nuclear (NPC)

- Permite el intercambio núcleo-citoplasmático- Permite el movimiento de ARN y proteínas bidireccionalmente- La replicación y transcripción del material genético en el interior del núcleo requiere de la

participación de proteínas que se sintetizan en el citoplasma y se transportan a través de la envoltura

- mRNA, tRNA y subunidades ribosómicas se crean en el núcleo y se transportan al citoplasma - snRNA es bidireccional: se crea en el núcleo, se ensambla en citoplasma (con

ribonucleoproteínas) y vuelve al núcleo para procesar mRNA- Pasan materiales de distintos tamaños: entre más pequeño más rápida- Se proyecto en el citosol y en el nucleoplasma, atraviesa la membrana- Es una masa supramolecular que tiene de 15 a 30 veces más la masa del ribosoma.- Presenta simetría octagonal- Está formado por 30 proteínas llamadas nucleoporinas

Transporte nuclear

- Los sutratos necesitan una señal de localización nuclear (NLS)o NLS: una secuencia de aminoácidos con terminación carboxilo que capacita la proteína

para que pueda pasar por el poro y penetrar en el núcleo- Todas las proteínas poseen una dirección específica y un receptor específico que median su

transporte hacia el interior del organelo.- Existen proteínas como importinas y exportinas

o Importinas: mueven macromoléculas del citoplasma al núcleoo Exportinas: mueven macromoléculas del núcleo al citoplasma

- Pasos de importación nuclearo La proteína que tiene NLS se une a la importina alfao La importina alfa se une a la beta

o La importina beta se ancla a los filamentos citoplásmicos del poro (RanBP2)o Cuando pasa por el NPC una proteína Ran-GTP (su concentración es alta en núcleo

gracias a la RCC1 que fosforila Ran-GDP) disocia el complejo alfa-beta y la proteína en el nucleoplasma y promueve el ensamblaje de productos

o La Ran-GTP unida a la importina beta se lanzan fuera del nucleoplasmao La Ran-GTP en el citoplasma se hidroliza y libera Ran-GDP de la subunidad beta y vuelve

al núcleo donde se vuelve Ran-GTP nuevamente (se hidroliza gracias a la RanGAP1)o La importina alfa se transporta al citoplasma mediante exportinas.

- Proceso de exportacióno La Ran-GTP en el núcleo promueve el ensamble de complejos de exportacióno Para que un sustrato salga del núcleo necesita tener un NES (señal de exportación

nuclear) que reconocen unos receptores que acarrean hacia el citoplasmao Por este mecanismo se transportan mRNA, tRNA, rRNA que pasan como

ribonucleoproteínas (RNP)

Cromosomas y cromatina

Empaquetamiento del genoma

- Una célula humana tiene 46 cromosomas diploides no replicados- Cada cromosoma no replicado contiene una molécula continua y única de ADN- Por el empaquetamiento 2m de ADN se ajustan a 10micrometros de diámetro del núcleo

Cromatina: ADN + proteínas relacionadas

Histonas: proteínas que poseen arginina y lisina, se dividen en 5 clases según su relación arginina/lisina

Nucleosomas:

- Es el nivel mínimo de organización cromosómica- El ADN y las histonas se organizan en nucleosomas - Cada uno tiene una partícula nuclear de nucleosoma que consiste en 146 bp de ADN

superenrollado envuelto 2 veces alrededor de un complejo en forma de disco de 8 moléculas de histona.

- H1: punto de unión de ADN- Las histonas protegen al ADN usando nucleasas- Las otras histonas se organizan como dímeros plegadas de forma compacta en el núcleo

histónico: H2A-H2B; H3-H4. - Otras funciones de las histonas son: reparación de ADN, ensamblaje y transcripción.- Variantes de las histonas:

o H2AX: reparación de ADNo MacroH2A: inactivación del cromosoma Xo CENP-A: ensamblaje del cintocoroo H3-3: Transcripción

- Espacio de 0.34nm entre nucleótido a nucleótido- Contiene 200 pares de base por nucleosoma en 10nm de longitud- Relación de empaquetamiento ADN-nucleosoma es de 7:1

Solenoide (fibra de 30nm)

- Nivel de empaquetamiento mayor, cerca de 40 veces- La interacción entre las diferentes histonas median el plegamiento en fibras más gruesas- La presencia de colas largas y flexibles de las histonas permite la interacción nucleares-

adyacentes.

Dominios en forma de asas

- En esta fase, la compactación da origen a las asas, superenrolladas de 80 a 100 nm. - Las moléculas de ADN se unen con proteínas del andamiaje, por ejemplo la lámina nuclear (B).- La topoisomerasa tipo II regula el superenrollamiento del ADN, es una proteína. El nivel de

empaquetamiento de las asas se une a proteínas del andamiaje como la lámina nuclear. El siguiente nivel es el cromosoma mitótico metafásico.

Cromosomas mitóticos metafásico

- Un cromosoma de 1 μm de longitud contiene 1 cm de ADN. La relación de empaquetamiento es de 10 000:1.

- La compactación de las asas aumenta cuando se prepara el proceso de mitosis.

Heterocromatina y eucromatina

Después de la mitosis, se desenrollan los cromosomas y cromatina excepto un 10%:

- Heterocromatina: 10% que permanece condensadoo Constitutiva: estado compactado permanentemente, no realiza transcripción (ADN

silenciado = efecto de posición), consiste en secuencias repetidas. Esta cromatina inhibe la recombinación génica. H2AZ

o Facultativa: Se inactiva de manera específica durante ciertas fases de la vida de un organismo. Ejemplo: inactivación de un cromosoma X de la hembra (corpúsculo de Barr)

Inactivación del cromosoma X: es ejemplo de heterocromatina facultativa: Ocurre en fases tempranas del desarrollo. La inactivación del cromosoma X, es aleatoria. Una vez inactivo, el mismo cromosoma inactivo lo es tras varias divisiones. La reactivación del cromosoma X inactivo ocurre antes de la meiosis. Por qué? Este proceso indica que las hembras adultas son un mosaico germinal. La región XIST es el punto de inactivación de un RNA no codificante. Se mantiene por el proceso de metilación de ADN

- Eucromatina: estado disperso

Aberraciones cromosómicas:

- Inversiones: un cromosoma se rompe y cuando se reúnen las rupturas de nuevo lo hacen de manera inversa

- Traslocaciones: una parte de un cromosoma se une a una parte de otro.- Deleciones: una porción de un cromosoma se pierde- Duplicaciones: una porción de un cromosoma se repite

Morfología cromosómica

- Telómeros: o Posee secuencias repetidas de ADNo Secuencia humana TTAGGGo Se acortan progresivamente después de cada divisióno Telomerasa: enzima que agrega nuevas unidades repetidas GGG al extremo 3’ recién

sintetizado y es una enzima transcriptasa inversa porque utiliza ARN para sintetizar ADN.o Se acortan los telómeros porque pierden telomerasao Existe un síndrome el de Werner, los telómeros son de menor longitud, el

envejecimiento es prematuro. o El acortamiento de los telómeros protege contra el cáncer al limitar las divisiones de una

célula potencialmente tumoral. o Las células raras que expresan telomerasa reactivas se inmortalizan… HELA. Se obtuvo

información inicial sobre las telomerasas de aguas estancadas ribozimas, Tetrahymena.

- Centrómeros: o ADNsatéliteα (repetición en tándem, secuencia de 171pb)o Cinetocoro:

unión de la tubulina donde se ensamblan los microtúbulos del huso durante la división

Cromátidas: cromosomas duplicados

Brazo p: corto

Brazo q: largo

Cromátides: producto de la replicación

Cariotipos humanos:

- muestras de forma organizada los 23 pares de cromosomas.- Autosomas y gonosomas - Se ubican de acuerdo al tamaño, posición del centrómero y distribución de bandas en los brazos

p y q.

Matriz nuclear:

o Red fibrilar de proteínas insolubles.o Sitio de andamiaje de la cromatina.o Participación indirecta en la transcripción, procesamiento de ARN y la replicación.

Control de la expresión génica en bacterias:

o Operón: complejo funcional formado por genes que codifican las enzimas de una vía metabólica.o Formado por: genes estructurales, el promotor, el operador y el gen regulador. o OPERÓN BACTERIANO: pueden ser inducibles como el operón lactosa y reprimible como el

operón triptófanoo Ribointerruptores: ARNm capaces de unirse a metabolitos pequeños como glucosamina o

adenina.

Control de la expresión génica en eucariotas:

- Control a nivel transcripcional: determina si un gen puede transcribirse y con qué frecuencia:o Se utilizan microordenamientos de ADN.o Lo ejecutan las proteínas denominadas: Factores de Transcripción. Se dividen en:

FT generales que se unen a los sitios promotores nucleares en relación con la ARN polimerasa

FT específicos de secuencia que se unen a varios sitios reguladores de genes: Pueden ser activadores: estimulan la transcripción de genes adyacentes represores de la transcripción: inhiben la transcripción

o Los factores de transcripción poseen dos dominios de ADN y de activación.o FT: dedos de cinc (más grandes), hélice –asa-hélice(HLH), estructura cremallera de

leucina, estructura caja HMG.- Control a nivel del procesamiento: determina la vía de pre-ARNm a ARN y luego el polipéptido:

o Splicing: proceso de remoción de secuencias interpuestas de ADN (intrones) de un transcrito primario.

o El splicing alternativo regula que un gen pueda codificar dos o más proteínas relacionadas.

- Control a nivel traduccional: determina cuando el ARNm se traduce, frecuencia y duración:o Incluyen la regulación de la localización del ARNm.o La traducción o no de un ARNm y con que frecuencia.o La vida media del ARNm, lo que indica cuantas veces se traduce el mensaje.

o Se da esta regulación por la interacción del ARNm y varias proteínas citoplasmáticas; ejemplos proteínas motoras y proteínas cinasas.

- Control postraduccional: o Determina la estabilidad de la proteína.

Los proteosomas: maquinarias cilíndricas encargadas de la degradación de las proteínas. Se distinguen por su alta actividad catalítica.

La ubiquitina con alta diversidad de funciones celulares, una sola molécula de ubiquitina actúa como una señal de direccionamiento.

Poliubiquitina marca las proteínas para su destrucción.

Capitulo 13

Concepto de gen

Cromosoma: estructuras filamentosas en el núcleo de las células eucariotas

Gen: factores genéticos formados por un segmento de ADN funcional

Genoma: todo el ADN de una especie

Cromosomas homólogos: cromosomas pareados de células diploides c/u lleva 2 copias del material genético portado por el cromosoma.

Partes de un gen:

- Promotor: sitio en el ADN en que una polimerasa de ARN (cebador) se une antes de iniciar las transcripición

- Exones: segmentos de un gen eucariota que es transcripto y expresado en el ARN, determina la secuencia de aminoácidos de una proteína

- Intrones: región no codificante

Replicación de ADN

- Replicación semiconservadora: cada cadena dúplex hija tiene una parental

- Se da en la fase S de la interfase- Replicación: duplicación del ADN de una célula, esta permite copiar el ADN antes de que los

genes pasen a los descendientes. Las cadenas de ADN están desenrrolladas

Replicación en células bacterianas

- Se copia 1000 nucleótidos/s (en humanos es 2000 nucleótidos/s)- Dura 40 mins a 37 grados- Alrededor de 1 segundo se realiza la síntesis de fragmentos de Okazaki, formación del iniciador

de ARN, la elongación de ADN, lectura y corrección del ADN por las polimerasas, eliminación del cebador de ARN, su reemplazo por ADN y el inicio de un nuevo ciclo.

Horquillas de replicación y replicación bidireccional

- Comienzan en un sitio especifico llamado origen (en la E. coli se llama oriC) (en humanos hay alrededor de 10mil orígenes de replicación)

- La replicación se aleja del origen en forma bidireccional- Horquillas de replicación: donde el par de segmentos replicados se unen con los segmentos no

replicados. Cada horquilla corresponde al sitio donde:o La doble parental se separao Los nucleótidos se incorporan en las cadenas complementarias resintetizadas.

- Ambas horquillas se mueven en direcciones opuestas.- Replicón: segmento de ADN que se replica

Desenrrollamiento del dúplex y separación de las cadenas

- La horquilla de replicación genera un superenrollamiento positivo en la porción no replicada de ADN.

- Las topoisomerasas quitan el superenrollamiento (DNA girasa, topoisomerasa tipo II en E. coli)o Se desplaza por delante de la horquilla y elimina los superenrollamientos positivoso Corta las dos cadenas del ADN dúplex

Propiedades de las ADN polimerasas

- Sintetizan nuevas cadenas de ADN-- En bacterias tiene una función tiene una función de exonucleasas, pueden polimerizar en una

dirección, invertir la dirección y escindir los nucleótidos que se acaban de añadir.- La cadena que tiene el OH 3’ terminal es el iniciador, solo desde ahí se puede iniciar la

replicación y agregación de nucleótidos- Se requieren 2 cosas básicas:

o Cadena ADN plantilla (las pol solo se mueven de 3’ a 5’ en la plantilla)o Una cadena iniciadora

- Polimerasa III: principal enzima responsable de la replicación de ADN. Funciones:

Replicación semidiscontinua

- Se sintetizan ambas cadenas en la dirección 5’ a 3’o Una cadena crece en dirección a la horquilla y de manera continua: cadena adelantada

o lídero Otra cadena crece y se aleja de la horquilla y es fragmentada o discontinua: cadena

retrasada o rezagada Los fragmentos se llaman fragmentos de Okazaki Se unen los fragmentos por ADN ligasa

- Un ARN polimerasa llamado primasa sintetiza una secuencia corta de ARN que sirve de iniciador para los fragmentos de Okazaki, estas secuencias de ARN se eliminan después

La maquinaria que opera en la horquilla de replicación

El desenrollamiento del dúplex y la separación de las cadenas requiere de:

- Una helicasa (enzima que desenrolla al ADN, dnaB en E. coli): utilizando ATP- Proteínas que se unen al ADN monocatenario (SSB): mantiene el desenrollamiento de la

helicasa, evitando que se vuelva a enrollar o se dañe. - En bacterias la primasa y la helicasa se relacionan en los fragmentos de Okazaki para formar un

primosoma, la helicasa se mueve de manera procesiva en la plantilla y abre las cadenas del dúplex, la primasa se une de manera periódica a la helicasa y sintetiza los iniciadores de ARN y comienza la formación de fragmentos de Okazaki, después los iniciadores se vuelven ADN por medio de la polimerasa III, la cual se recicla cada vez que termina un fragmento de Okazaki para pasar al próximo donde inicia el proceso de la primasa.

- Los RNA cebadores se forman a razón de 200 nucleótidos sobre la cadena retrasada, la longitud del cebador es de 5 a 15 nucleótidos. (el cebador es eliminado por nucleasas)

- Las telomerasas tienen doble función agregar secuencias repetitivas en los extremos de los cromosomas para no perder ADN e igual secuencias de ADN para que la replicación se complete.

Estructura y funciones de la ADN polimerasa

- Es parte de una “maquinaria de replicación” llamada homoenzima ADN polimerasa III. Funciones:

o Polimerización 5’ a 3’o Exonucleasao Actividad enzimáticao Dimerizacióno Abrazadera corrediza

- Consta de:o Pinza Beta (abrazadera): mantiene la polimerasa relacionada con la plantilla de ADN

- Las polimerasas tienen que permanecer vinculadas con la plantilla para sintetizar una cadena continua

- No se pueden fijar con tanta fuerza que les impida desplazarse de un nucleótido al siguiente- La pinza B les proporciona estas propiedades- El ensamblaje de la pinza requiere un cargador de pinza que tiene un ATP unido, cuando se

hidroliza libera la pinza y se cierra alrededor del ADN. - Polimerasa I (con Mg2+): corrige secciones dañadas de ADN y elimina los iniciadores de ARN en

el extremo 5’ de cada fragmento de Okazaki y los reemplaza con ADN (actividad de exonucleasa)- La ADN polimerasa adiciona grupo trifosfato de nucleósido y se forma Pirofosfato inorgánico,

altamente energético.- La elongación o alargamiento se da en la dirección 5 - 3 .′ ′

Aseguramiento de la alta fidelidad durante la replicación de ADN

- La complementariedad se puede dar por la precisión de enlace entre A – T, G-C.- Se basa en 3 actividades la fidelidad:

o Selección precisa de los nucleótidoso Lectura y corrección inmediatao Una reparación del apareamiento erróneo después de la replicación

Replicación en eucariotas

En eucariotas la Polimerasas gamma replica ADNmit y la Beta participa en reparación de ADN

En eucariotas ARS: secuencia autónoma de replicación, permite la unión del ORC (complejo de reconocimiento de inicio)

- Las células eucariotas replican su genoma en pequeñas porciones que reciben el nombre de Replicones.

- El inicio está supeditado a:o Posiciones de los nucleosomas o Estado de metilación del ADNo Grado de superenrollamiento o Nivel de transcripción

Para producir una cadena continua de la cadena atrasada o discontinua, actúan tres enzimas adicionales:

- Nucleasa: rompe y separa el cebador de ARN.- ADN polimerasa reparadora reemplaza el ARN con ADN.- Ligasa ADN une el extremo 5´ -fosfato a un nuevo fragmento de ADN al extremo 3´ OH del

siguiente nucleótido.- Telomerasas: agrega múltiples copias de la secuencia de ADN en los extremos de los cromosomas,

lo que permite finalizar la replicación en la cadena discontinua o atrasada. La telomerasa es una transcriptasa inversa, utiliza el molde de ARN para sintetizar ADN, en los extremos de los cromosomas.

o Esto permite que sean reconocidos como verdaderos extremos cromosómicos y no deleciones.

Reparación del ADN

Cambios temporales se reparan por las diversas enzimas de la replicación del ADN.

Los cambios permanente en la secuencia del ADN son las Mutaciones.

Se ejecuta en tres fases:- Se reconoce el ADN dañado y es eliminado por las nucleasas.- La ADN polimerasa se une al 3´ para agregar OH de la cadena cortada.- Se sella la rotura del esqueleto azúcar fosfato por la ligasa del ADN.

Reparación por escisión de bases (BER)- DNA glucosilasa reconoce la alteración y remueve la base por medio del corte del enlace

glucosídico que une la base al azúcar desoxirribosa

Reparación de la unión deficiente- Una exonucleasa elimina las bases mal unidas incorporadas por la ADN polimerasa y las que se

escapan de la lectura y corecciónReparación de la rotura de doble cadena (DSB) por medio de:

- Unión de extremos no homólogos (NEHJ): un complejo de proteínas se une a los extremos rotos del ADN dúplex y cataliza una serie de reacciones que de nueva cuenta unen las cadenas rotas.

- Recombinación genética: proceso mediante el cual dos moléculas de ADN de doble cadena de similar secuencia de nucleótidos pueden entrecruzarse para crear moléculas de ADN con nuevas secuencias.

Comparación entre enzimas requeridas para la replicación

Proteína en E. coli Proteína eucariota FunciónoriC ARS Permite el inicio de la replicación (oriC es el origen; ARS

es el sitio donde se une el ORC)DnaA Proteínas ORC Reconocimiento del origen de la replicaciónGirasa Topoisomerasa I/II Libera supercolas postivias antes de la replicaciónDnaB Mcm2-Mcm7 DNA helicasa que desenrolla el dúplex parentalDnaC Cdc6, Cdt1 Coloca la helicasa sobre el ADNSSB RPA Mantiene el ADN en un estado monocatenarioComplejo gamma RFC Subunidades de la holoenzima de la ADN polimerasa que

montan la pinza sobre el ADNNúcleo de la polimerasa III

Polimerasa delta (rezagada)/épsilon (líder)

Enzima de replicación primaria; sintetiza por completo la cadena adelantada y los fragmentos de Okazaki; tiene capacidad de lectura y corrección

Pinza Beta PCNA Subunidad en forma de anillo de la holoenzima de la ADN polimerasa que pinza la polimerasa replicante sobre el ADN; trabaja con la polimerasa III en E. coli y la polimerasa delta o épsilon en eucariotas.

Primasa Primasa Sintetiza iniciadores de ARNPolimerasa alfa Sintetiza oligonucleótidos cortos de ADN como parte del

iniciador ARN-ADNDNA ligasa DNA ligasa Une los fragmentos de Okazaki en una cadena continuaPolimerasa I FEN-1 Remueve a los iniciadores de ARN; la polimerasa I de E.

coli también llena los espacios con ADN

Capitulo 15: Señalización celular y transducción de señales: comunicación entre las células

DEFINICIÓN DE SEÑALIZACIÓN CELULAR

• Señalización es la comunicación entre células por medio de moléculas mensajeras extracelulares. • El proceso integra una célula señaladora, una molécula liberada y una célula receptora o diana.

TIPOS DE SEÑALIZACIÓN• Autocrina: es cuando la célula que produce el mensajero, tiene receptores para estos en su

superficie, se estimulan o inhiben a sí mismas.• Paracrina: las moléculas viajan cerca de la célula mensajera hacia otras. No pueden viajar distancias

largas.• Endocrina: las moléculas mensajeras (llamadas hormonas) viajan por el torrente sanguíneo hasta la

célula receptora.

• Muchos mensajeros químicos interactúan con receptores de membrana, y desencadenan una serie de eventos secundarios, incluyendo la movilización de los sistemas de segundos mensajeros intracelulares que median la respuesta celular al estímulo. Otros mensajeros químicos liposolubles interactúan con receptores citosólicos o nucleares como las hormonas esteroideas.

• Las células solo pueden responder a las moléculas señalizadoras (ligandos) si presentan receptores específico

NIVELES DE SENALIZACIÓN

Luego de que el ligando se une al receptor extracelular, la señal viaja al dominio en contacto con el citoplasma del receptor y una vez llegada a la superficie interna de la membrana, la señal se transmite al interior de la célula por dos vías:

• Segundos mensajeros : la señal se transmite del dominio citoplásmico del receptor a una enzima cercana ( efector ). Esta enzima libera un segundo mensajero ( pueden difundirse por el citosol o mantenerse incrustado en la bicapa ), los cuales activan o desactivan proteínas específicas.

• Reclutamiento de proteínas : el receptor transmite la señal por medio de la transformación de su dominio citoplásmico a una estación de reclutamiento de proteínas.

Las proteínas están en la parte superior de la vía de señalización. Cada vía consiste en muchas proteínas que actúa por el cambio conformacional de la proteína siguiente (en dirección 3’).

• Cinasas : proteínas que agregan grupos fosfatos (fosforilan) de otras proteínas. Estas transfieren grupos fosfatos a residuos de serina o treonina y algunas fosforilan residuos de adenina .

• Fosfatasas : proteínas que retiran grupos fosfatos de otras. • Fosforilación: cambia el funcionamiento de las proteínas. Puede activar o desactivar una enzima,

aumentar o disminuir interacciones interproteínicas, que se muevan de compartimiento o actuar como señal que inicie la degradación proteínica.

Al final de la vía, la señal llega a la proteína blanco, esencial para procesos celulares básicos:

• Transcripción • Supervivencia • Síntesis de proteínas • Movimiento • Muerte celular • Metabolismo

Transducción: es el proceso en el que la información de las moléculas mensajeras se traduce a cambios dentro de la célula (cambios conformacionales de proteínas).

Niveles de señalización

Moléculas secretadas

Autocrino Algunos linfocitos

Paracrino Mucosa gástrica

Endocrino Hormonas

Secreción de péptidos

DirectoDependiente del

contactoSeñalización neuronal

Terminación: las células producen enzimas extracelulares que destruyen las moléculas mensajeras una vez completado su función. Otros casos el receptor activado se interioriza y se degrada con el ligando. O puede suceder que el ligando se degrada y el receptor vuelve a su superficie.

Señalización neuronal

Las uniones sinápticas pueden ser de 2 tipos:

• Químicas: la señal pueden ser neurotransmisores, iones u hormonas. Es de una sola vía.• Eléctricas: es de dos vías. Por voltaje.

Neurotransmisores

Tienen efectos de excitación o inhibición, dependiendo de los receptores Acetilcolina: unión neuromuscular. Excitatorio Glicina: inhibidor hace mas - Glutamato: excitatorio Dopamina: control motor y comportamiento. Exceso causa movs no coordinados Norepinefrina Epinefrina Serotonina: conducta, placer

Elementos de la señalización neuronal

• Neurona presináptica• Hendidura sináptica• Neurona postsináptica• Neurotransmisor

Mensajeros extracelulares: gases como NO y CO; eicosanoides (dolor, inflamación, presión, coagulación); esteroides; polipéptidos y proteínas; Nt que funcionan como hormonas como acetilcolina, glicina, h. tiroidea, dopamina, adrenalina, glutamato, etc.

Tipos de receptores

• Acoplados a canales iónicos• Acoplados a proteína G (GPCR): tienen 7 hélices α transmembrana. • Acoplados a enzimas

Los receptores mediadores de la transducción celular son RTK, GPCR, canales ligando dependientes (la unión con el ligando regula la capacidad de las proteínas para transportar iones) y receptores de las hormonas (ESTEROIDEAS: funcionan como factores de transcripción, ↑ o ↓ el ritmo de este proceso).

RTK: proteína tirosina cinasa receptora. Se une al ligando y se dimeriza.

Receptores de proteínas G y sus segundos mensajeros

Los miembros de la familia GPCR se conocen como receptores transmembranales siete (7tm) por sus 7 hélices

Hay muchos ligandos que se unen a ellas:

• Hormonas• Neurotransmisores• Saborizantes y odorizantes y fotones

Estímulo Receptor Efector Respuesta fisiológica

Adrenalina Adrenérgico β Adenilil ciclasa Degradación de glucógeno

Serotonina Para serotonina Adenilil ciclasa Sensibilización conductual

Luz Rodopsina Fosfodiesterasa cGMP Excitación visual

Complejo-antígeno IgE

De mastocito para IgE

Fosfolipasa C Secreción

Péptido f-Met Quimiotático Fosfolipasa C Quimiotaxis

Acetilcolina Muscarínico Conducto de potasio Disminución de la velocidad del marcapaso

Receptores de la proteína G (GPCR)

• Terminación amino extracelular• Terminación carboxilo intracelular (se le unen proteínas que sirven de andamiaje, vinculando

receptores y efectores) • Tres asas (sitios de unión proteica G) extracelulares y tres intracelulares

Tercera asa intracelular: donde se anclan las proteínas G y las arrestinas• La interacción con el receptor, cambia de conformación a la subunidad α de la proteína G,

liberando el GDP y uniéndose con GTP.• Un solo receptor puede activar varias moléculas de proteína G (esto es un medio para la

amplificación de la señal.

Proteína G

• Se llaman así porque se unen a nucleótidos de guanina (GDP, GTP)• Heterotrimérica (α, β, γ) • Unidas a la parte hidrofóbica de la membrana por las subunidades β y γ, con cadenas de lípidos • La subunidad α es la que está unida al GDP (inactiva) y cuando llega el ligando a los receptores, con

GTP (activa) y esto causa cambio en su conformación; pierde la afinidad con las otras subunidades y se disocia para unirse al efector. El efector (fosfolipasa C-β, fosfodiesterasa cGMP) produce un segundo mensajero (cAMP).

• Las subunidades α se pueden autodesactivar por hidrólisis del GTP produciendo GDP y Pi (fosfato inorgánico); esto hace que pierda afinidad con el efector y vuelve a unirse al complejo.

• Funcionan como temporizadores moleculares• Subunidad α puede encender efectores en dirección 3’• Complejo β γ: puede unirse con 4 tipos de efectores: PLCβ, adenilil ciclasa, conductos iónicos para

K+ y cinasa PI-3

Tipos de proteína G

Se clasifican dependiendo de a qué efector se une la subunidad α. La respuesta dependerá de con qué proteína G interactúa el GPCR activado.

• Gs: se une con adenilil ciclasa y cataliza la producción de cAMP a partir de ATP y este activa la PKA (prot. Cinasa A)

• Gq: se une con PLCβ (hidroliza al difosfato de fosfatidilinositol trifosfato de inositol y diacilglicerol)

• Gi: funcionan por inhibición de adenilil ciclasa• G12/13: su activación inapropiada está asociada a la proliferación descontrolada de células

Terminación de la respuesta de la proteína G

Se bloquean o desensibilizan los GPCR para que el receptor, proteína G y efector vuelvan a su estado inactivo y prevenir estimulación excesiva. Esto también permite la respuesta a cambios en su ambiente, en vez de continuar de modo indefinido. Para sensibilizarlos de nuevo, ocurren 2 pasos:

1. Fosforilación: por medio de la cinasa del receptor unido a proteína G (GRK)2. Arrestinas: compiten con las prot. G para unirse a los GPCR y previenen la activación de más prot. G

Arrestinas + GPCR activado se pueden unir a la clatrina; esto promueve la captación de GPCR fosforilado hacia el interior de la célula por endocitosis y estos pueden:

• Desfosforilarse y regresar a la membrana. Conservan la sensibilidad al ligando.• Degradarse por acción de los lisosomas. En este caso las células pierden sensibilidad para este

ligando por cierto tiempo

La fuerza y duración de la señal depende de la velocidad de hidrólisis del GTP a GDP

La terminación de la reacción se acelera por los reguladores de la señalización de la proteína G (RGS)

Ciclo enzimático de la proteína G

1. Se une el ligando, se activa el receptor.

2. Interacción R- Proteína G cambios conformacionales de GDP a GTP, en la subunidad alfa.

3. Se disocia del receptor.

4. Se forman los complejos alfa- GTP y beta-gamma.

5. Tanto los complejos alfa GTP como beta gamma pueden interactuar con sus respectivos efectores, E1, E2.

Transducción de la señal

1. Se libera GDP por GTP

2. Gα se une al efector

3. AC activa produce cAMP

4. GTPasa hidroliza al GTP se forma GDP +Pi

5. GRK fosforila al receptor

6. Unido a la arrestina se completa el ciclo.

Segundos mensajeros

• cAmP: estimula la movilización de glucosa mediante la activación de una cinasa que agrega fosfato a un residuo de serina del polipéptido glucógeno fosforilasa.

• Derivados del fosfatidilinositol (PI): fosfolípidos que por acción de enzimas se vuelven segundos mensajeros. Enzimas: fosfolipasas (separan lípidos), fosfolipidocinasas (fosforilan lípidos) y fosfatasas de lípidos (desfosforilan lípidos)

o Fosfoinositidos: derivados fosforilados del fosfatidilinositol

Fosfolipasa C (PLCβ): efector separa PIP2 en IP3 y DAG. Gq + PLCβ PIP2 IP3 (Ca2+) + DAG (PKC)

o Trifosfato de inositol (IP3): se difunden al citosol y se unen a un receptor en la superficie del retículo sarcoplásmico, abriendo el conducto de Ca2+ permitiendo su difusión al citoplasma

o Diacilglicerol (DAG): permanece en la membrana. Activa prot. Efectoras como las PKC prot. Cinasa C

• cGMP• NO• Ca2+

Especificidad de reacciones relacionadas a prot. G

El receptor para un ligando determinado, se puede encontrar en diferentes isoformas y estas pueden tener afinidades distintas por el ligando o interactuar con diferentes prot. G.

Regulación de los niveles de glucosa sanguínea

Cuando hay exceso de glucosa, se almacena en forma de glucógeno en los animales.

Glucagón: hormona producida por las células α del páncreas por concentraciones bajas de glucosa en la sangre. Estimula la degradación de glucógeno, liberando glucosa al torrente sanguíneo.

Insulina: hormona secretada por las células β del páncreas por altas concentraciones de glucosa, estimula su captación y almacenamiento como glucógeno.

Adrenalina: h. producida por las glándulas suprarrenales en situaciones de estrés. Incrementa las concentraciones sanguíneas de glucosa

El glucógeno y la adrenalina funcionan uniéndose a los GPCR en células hepáticas

1. Se unen como ligandos al GPCR de una prot. Gs2. Activa el efector ADENIL CICLASA que con ATP produce cAMP3. cAMP activa la PKA (la PKA tiene 2 subunidades catalíticas (C) y dos inhibidoras (R). El cAMP separa

las 2 R4. PKA fosforila el glucógeno sintasa: inhibe la conversión de glucosa a glucógeno5. PKA fosforila la fosforilasa cinasa 6. cataliza la fosforilación de glucógeno fosforilasa 7. Glucógeno fosforilasa fosforilado, estimula la degradación del glucógeno8. EL 1-fosfato glucosa glucosa torrente sanguíneo todo el cuerpo

Las células hepáticas tienen fosfatasas (como la fosfatasa 1) que eliminan todos os fosfatos de las enzimas fosforiladas. La fosfodiesterasa de cAMP destruye el cAMP.

Amplificación de señal

Un solo ligando termina en la fosforilación de muchas enzimas. La amplificación se da por 2dos mensajeros.

• Interviene en el citoplasma, núcleo y genes• Algunas PKA van al núcleo y fosforilan proteínas como CREB (prot. De unión con el elemento

respuesta a cAMP) • Su síntesis sigue a la unión de una hormona o NT en el receptor en la superficie externa del

receptor.• El AMPc induce la movilización de Glucosa (a nivel del hígado, tejido adiposo, tejido muscular,

dependiendo de la necesidad).• En el hígado el AMPc induce la glucogenolisis.

Fosforilación de proteína tirosina como mecanismo para la transducción de la señalParticipan en: crecimiento, división, siferenciación, supervivencia, adhesión y migración.Las proteínas tirosinas cinasas fosforilan residuos de tirosina y se dividen en 2:• RTK: prot. Integrales en la membrana, se activan con factores de crecimiento y diferenciación

extracelular. • TK: prot. Tirosinas cinasas citoplásmicas. Son reguladas indirectamente por señales extracelulares y

controlan procesos inmunitarios, de adhesión celular y migración de células neuronales

AKAP: proteínas fijadoras de PKA a diferentes sustratos.

Dimerización del receptor

• Dimerización mediada por ligando: cuando el ligando tiene 2 sitios para la unión al receptor.• Dimerización mediada por receptor: cuando el ligando tiene un solo sitio para unión y entonces

induce un cambio en la conformación del dominio, dimerizando.

Por la dimerización, se puede dar la transautofosforilación, donde cada receptor del dímero fosforila al otro. La autofosforilación activa las RTK.

La autofosforilación tiene 2 funciones:

1. Regular la actividad de la cinasa2. Funcionar como sitios de unión para las moléculas de señalización citoplásmica

RTKs:

1. Mediado por ligando , los receptores están como monómeros.

2. Dimerización

3. Transautofosforilación

4. Transmisión de señal

5. Unión de proteínas blanco con dominios SH2 o PTB: uno de estos permite que cuando se da el estímulo las prots se activen o inactivan, ejemplo la insulina

6. Mediado por ligando, los receptores están como monómeros.

7. Dimerización

8. Transautofosforilación

9. Transmisión de señal

10. Unión de proteínas blanco con dominios SH2 o PTB: uno de estos permite que cuando se da el estímulo las prots se activen o inactivan, ejemplo la insulina

Terminación de respuesta

- Interiorización del receptor- Unión de Cb1 al dominio SH2- Unión de ubiquitina con Cb1- Unión con receptor de ubiquitina

- Degradación en lisosoma

Señalización del receptor para insulina

- Receptor de insulina: RTK dímera (cadena alfa y beta)- Se une la insulina a la cadena alfa y hace un cambio conformacional a la beta (se cierra y se

transautofosforila)- A los residuos fosforilados se le une un IRS-1 (adaptador con dominio PTB)- Se unen 2 PI3K al IRS-1- Los 2 PI3K fosforilan 2 PIP2 a 2 PIP3

o 1 PIP3 se une a una PDK1 (con dominio PH)o 1 PIP3 se une a PKB (con dominio PH)

- Una proteína mTOR junto con la PDK1 activan a la PKB- PKB inicia síntesis de glucógeno y captación de glucosa- La captación de glucosa se da por la unión por exocitosis a la membrana de una vesícula con

GLUT4- La síntesis de glucógeno inicia con la desactivación de GSK-3 (normalmente inhibe la síntesis de

glucógeno) mediante una fosforilación

Diabetes mellitus tipo 1: 5 a 10% de casos es la incapacidad de producir insulina

Inanición: malnutrición no se activa insulina, se inhibe. Comienza síntesis de glucosa a partir de glucógeno (glucagón y adrenalina)

Función del calcio como mensajero intracelular

- Funciones del ión Ca2+o Contracción Muscularo División celularo Secrecióno Fecundacióno Transmisión sinápticao Metabolismoo Movimiento celularo Apoptosis

Las concentraciones de calcio intracelular son muy bajas, alrededor de 10¯⁷ M. En el espacio extracelular es 10000 veces mayor o en el RS, o vacuola vegetal.

La diferencia de concentración se debe a la actividad de las bombas de calcio, a que los canales iónicos de calcio se mantienen cerrados.

Calcio inducido por calcio

1. Llega impulso y se abren canals de calcio

2. Estimula RyR

3. Se libera el calcio del RS liso

4. Se une a los miofilamentos delgados Troponina C

5. La bomba de Ca2+ del RE liso secuestra calcio y a la vez sale calcio por el intercambiador Na+/Ca2+ para volver a concentraciones normales

Liberación de calcio por fosforilación

- PI se fosforila a PIP después a PIP2- PIP2 se vuelve DAG + IP3 por la acción de fosfolipasa C beta (PLC-B)- IP3 abre los canales de calcio y se libera

Función del óxido nítrico como mensajero intracelular

- Es un gas inorgánico.- Mensajero extracelular, mediador intercelular.- Se forma a partir de la L-Arginina en presencia de O₂ y NADPH catalizada por la enzima NOS.- Vasodilatador- Inhibe la fosfodiesterasa, manteniendo los niveles de cGMP ↑, ↑ la erección, principio de la

viagra.- Músculo liso relajación

Vía alterna

- Ach se une al receptor- Se detecta la alta concentración de calcio y se activa la sintasa de óxido nítrico (NOS)- Se sintetiza óxido nítrico con la NOS y L-Arginina + O2 + NADHP- El óxido nítrico activa la guanilil ciclasa- GMPc causa un descenso en la concentración de Ca2+- Relajación y vasodilatación

Inhibición de fosfodiesterasa

- Terminaciones nerviosas del pene liberan NO induciendo relajación de vasos sanguíneos penianos

- El sidenafilo inhibe a la fosfodiesterasa de GMPc (esta enzima destruye el GMPc) y se mantienen las concentraciones de GMPc elevadas.

Convergencia:

- Señales de diversos receptores no relacionados convergen para activar un mismo efector- Ejemplos: Ras o Raf

Divergencia:

- Señales del mismo ligando divergen para activar efectores diferentes y conduce a diferentes respuestas. O sea que un solo estímulo emite gran variedad de señales

Comunicación cruzada:

- Las señales van y vienen en diferentes vías

Apoptosis (muerte celular programada)

- Encogimiento del volumen de la célula- Pérdida de adhesión a las células contiguas- Formación de vesículas en la superficie celular- Disección de la cromatina en pequeños fragmentos- Englobamiento rápido del cadáver por fagocitosis- Se eliminan células que sufrieron daños genómicos irreparables- Tambiñen las neuronas que no encuentran su camino al tejido blanco- Contribuye a la homeostasis- Caspasas: proteasas de cisteína que desencadenan la apoptosis

Vías de la apoptosis:

- Extrínseca - Intrínseca