Replicación del ADN - Módulo 1 - PDF

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Módulo 1 Replicación del ADN​ Prof. Rodney Colina - 2024 avanzan en el proceso de síntesis hasta completar la copia. Replicación del ADN A diferencia de las bacterias, que pueden Características generales replicar su ADN continuamente, en eucariotas esto ocurre solo en una etapa Todos los organismos deben generar particular del ciclo celular, la fase S (fase copias de su material genético antes de la de síntesis). Hasta que esta fase no se división celular, para que luego este sea complete, la célula no puede avanzar en transcripto a ARN y puedan generarse el ciclo celular. proteínas a partir de los genes contenidos en esas secuencias de nucleótidos. Iniciación Tanto la replicación como la transcripción de ADN ocurre en el núcleo. Orígenes de replicación Durante la replicación del ADN, se La doble hélice de ADN es normalmente separan las hebras y se forma una muy estable, pero para poder replicarlo, horquilla de replicación donde cada hebra las hebras se deben separar para formar se usa como molde para generar nuevas una horquilla de replicación. moléculas de ADN. Al finalizar la La replicación comienza en secuencias replicación, a partir de una doble hebra de particulares llamadas orígenes de ADN se sintetizan dos ADN doble hebra, replicación. Son secuencias de unas cada uno con una hebra vieja y una recién cientos de bases que atraen a las sintetizada. Esto significa que la proteínas iniciadoras de la replicación. replicación es semiconservativa. En bacterias, solo existe un único origen de replicación, formando dos horquillas de replicación que avanzan en direcciones opuestas hasta duplicar el genoma bacteriano. Estas secuencias suelen contener las bases A y T, debido a que forman enlaces de hidrógeno más débiles y son más fáciles de separar. En la horquilla de replicación se encuentra un complejo multienzimático que contiene a la ADN polimerasa que sintetiza ambas moléculas hijas a partir de las plantillas. Sin embargo, la ADN polimerasa solo puede sintetizar en la dirección 5’ a 3’. La horquilla de replicación es asimétrica. Se sintetiza una hebra continua que precede ligeramente a la síntesis de la hebra discontinua. Este modelo de replicación implica que solo se requiera una ADN polimerasa en la dirección 5’ a 3’. Los eucariotas, debido al mayor tamaño de sus genomas, cuentan con varios orígenes de replicación. Muchas horquillas de replicación pueden actuar La replicación es bidireccional. sobre un mismo cromosoma hasta Comenzada en un punto de la molécula duplicarlo. de ADN el proceso se desarrolla hacia los Una proteína llamada ORC (origin dos extremos de la cadena; en cada lazo, recognition complex) se une a los los extremos u horquillas de replicación orígenes de replicación gracias a otras 1 Módulo 1 Replicación del ADN​ Prof. Rodney Colina - 2024 proteínas auxiliares y esta recluta a otras características es que necesita un OH proteínas que forman el complejo libre en el extremo 3’. Dado esto, necesita pre-replicativo, que contiene una helicasa. un segmento corto de nucleótidos llamado Luego, se agregan otras proteínas cebador o primer. necesarias formando el complejo La enzima que sintetiza los primers es la multienzimático que se encargará de la ADN primasa. Esta sintetiza primers de replicación. ARN. En la hebra líder solo se precisa un único primer al inicio de la burbuja de Apertura de la hélice: helicasas y SSB replicación, pero en la hebra retardada se La doble hélice de ADN es muy estable debe agregar uno para cada fragmento de en condiciones fisiológicas. Se necesita Okazaki. Estos primers luego son de la enzima helicasa y proteínas ligantes removidos y reemplazados por de ADN de cadena sencilla (SSB, single fragmentos de ADN. strand DNA-binding) para separar las hebras. Las helicasas se aislaron como proteínas que hidrolizan ATP cuando están unidas a cadenas simples de ADN. La hidrólisis de ATP puede cambiar la forma de una proteína permitiéndole hacer trabajo mecánico. Las helicasas usan esto para propulsarse a través de la hebra de ADN. Cuando encuentran una región de doble hélice, se siguen moviendo por su hebra, separando la doble hélice. Existen helicasas que funcionan en ambas direcciones, de 5’ a 3’ y 3’ a 5’. Las proteínas SSB se unen fuertemente ADN polimerasa para exponer una única hebra de ADN sin La reacción básica que tiene lugar en la cubrir las bases, que permanecen replicación es una reacción de funcionales como plantillas. No abren el polimerización, de formación de un enlace ADN directamente pero ayudan a las fosfodiéster entre nucleótidos. En una helicasas a estabilizar la conformación de cadena de ADN en crecimiento se la cadena sencilla. Además previenen la incorpora un nucleótido cuya base es la formación de estructuras que dificultan el complementaria a la de la cadena molde. avance de la replicación. Mientras la ADN polimerasa añade nucleótidos, el nucleótido correcto tiene mayor afinidad por la polimerasa que los incorrectos porque el apareamiento correcto es más favorable energéticamente. Además, cuando la polimerasa está unida al nucleótido antes de que este se enlace a la cadena de ADN, la enzima cambia su conformación volviendo más estrecho su sitio activo. Este cambio sucede más rápido con los Elongación nucleótidos incorrectos, permitiendole a la polimerasa confirmar la geometría ADN primasa correcta antes de añadir el nucleótido. Los La enzima que añade los nucleótidos a la nucleótidos incorrectos son más hebra nueva de ADN según la propensos a desenlazarse antes de que la complementariedad de bases se llama polimerasa pueda añadirlo. ADN polimerasa. Una de sus principales Pinza deslizante 2 Módulo 1 Replicación del ADN​ Prof. Rodney Colina - 2024 La ADN polimerasa tiende a disociarse detiene. Los primers de ARN son rápidamente de la cadena de ADN. Para eliminados y reemplazados por que se sinteticen cadenas largas de fragmentos de ADN, pero esto genera continuo, se necesita de la proteína PCNA cortes en la hebra recien sintetizada que forma una pinza deslizante sobre el llamados “nicks”. ADN en la horquilla de replicación. La función de la pinza deslizante es ADN ligasa mantener la polimerasa asociada con la Una vez que son removidos los primers horquilla de replicación. de ARN y sustituidos por segmentos de En la cadena principal, la ADN polimerasa ADN, la enzima ADN ligasa sella las en movimiento está fuertemente unida a separaciones entre los fragmentos que la pinza deslizante, y los dos permanecen previamente eran primers y los otros ya asociados durante mucho tiempo. La ADN sintetizados. polimerasa en la plantilla de la cadena retrasada también hace uso de la pinza Replicación de nucleosomas deslizante, pero cuando la polimerasa En eucariotas, el ADN se encuentra unido alcanza el extremo 5' del fragmento de a proteínas para empaquetarlo Okazaki anterior, la polimerasa se libera (cromatina). Al replicar el material de la abrazadera y se disocia de la genético, nuevas proteínas cromosómicas plantilla. La polimerasa luego se asocia deben ser duplicadas a la misma con una nueva pinza deslizante que se velocidad para que el nuevo ADN sea ensambla en el ceebador de ARN del condensado. siguiente fragmento de Okazaki. Los nucleosomas son la unidad fundamental de la cromatina y se sintetizan en la fase S del ciclo celular. A medida que la burbuja de replicación avanza, las hebras de ADN recién sintetizadas son unidas a histonas viejas y nuevas gracias a factores de ensamblaje de la cromatina (CAFs). Telomerasas En los telómeros de los cromosomas lineales no hay lugar para sintetizar los primers para el último fragmento de Okazaki. Sin ningún mecanismo para Topoisomerasa resolverlo, esto genera que con el tiempo La topoisomerasa impide que la doble los telómeros se vuelvan cada vez más hélice de ADN que está por delante de la cortos. horquilla de replicación se enrolle Las bacterias no tienen este problema demasiado cuando se abre el ADN. Actúa porque sus genomas son circulares. haciendo mellas temporales en la hélice Los eucariotas tienen secuencias para liberar la tensión, las cuales vuelve a especiales en los telómeros que permiten sellar para evitar daños permanentes. la acción de una enzima llamada telomerasa. La telomerasa es una ADN Terminación polimerasa dependiente de ARN, lo que significa que es una enzima que puede Todas las enzimas mencionadas trabajan producir ADN usando un molde de ARN. en conjunto formando un complejo La enzima se une a una molécula de ARN replicativo multienzimático que avanza especial que contiene una secuencia sobre la hebra molde de ADN. Una vez complementaria a la repetición telomérica. que la ADN polimerasa encuentra un La enzima extiende (añade nucléotidos a) fragmento de ADN ya replicado, se la cadena sobresaliente de ADN 3 Módulo 1 Replicación del ADN​ Prof. Rodney Colina - 2024 telomérico al usar este ARN complementario como molde. La mayoría de las células somáticas no 4 Módulo 1 Replicación del ADN​ Prof. Rodney Colina - 2024 suelen tener telomerasa activa, pero esta enzima se encuentra activa en células germinales (las células que producen espermatozoides y óvulos) y en algunas células madre adultas. Maquinaria de corrección Revisión y reparación del ADN Además del apareamiento de bases, la replicación de ADN tiene varios mecanismos para corregir errores en la replicación. El primer paso es la confirmación del apareamiento correcto por la ADN polimerasa. La ADN polimerasa puede detectar el nucleótido correcto porque este tiene una mayor afinidad a la enzima. Además, antes de que el nucleótido sea añadido, la ADN polimerasa sufre un cambio conformacional y es probable que el nucleótido incorrecto se disocie. La actividad 3’-5’ exonucleasa de la ADN polimerasa le permite quitar nucleótidos incorrectos y reemplazarlo por los adecuados. Otros errores no son detectados durante la replicación, sino que son reparados después. En el mecanismo de reparación, un complejo proteico reconoce y se une a la base mal apareada. Un segundo complejo corta el ADN cerca de la pareja errónea y otras enzimas cortan el nucleótido incorrecto junto con un segmento de ADN circundante. Luego, una ADN polimerasa reemplaza la sección faltante con los nucleótidos correctos y una enzima llamada ADN ligasa sella el espacio La escisión puede ser de una base o de una secuencia de nucleótidos. 5 Módulo 1 Transcripción y traducción​ Prof. Matías Victoria - 2024 Transcripción Características generales La transcripción es el primer paso en la expresión génica. Esta etapa consiste en copiar la secuencia de ADN de un gen para producir una molécula de ARN. El proceso comienza con la apertura de una región de la doble hélice y luego una de las dos hebras actúa como molde para la síntesis de una hebra de ARN complementaria. No hay hebra rezagada. La enzima principal de la transcripción es la ARN polimerasa, que cataliza la formación de enlaces fosfodiéster entre nucleótidos. A medida que se sintetiza la hebra de ARN, esta no permanece unida a la hebra En eucariotas complementaria de ADN, sino que se disocia y la doble hélice vuelve a formarse En eucariotas, existen tres ARN con la hebra original. Además, no se polimerasas que transcriben diferentes transcribe en genoma en su totalidad, sino tipos de genes. Los genes que codifican que se transcriben segmentos específicos proteínas son transcritos mayormente por (genes) según la necesidad de la célula. ARN pol II. Esto permite que se puedan sintetizar A diferencia de las bacterias, la ARN pol copias de un mismo gen muy rápido. en eucariotas no puede iniciar la transcripción por sí sola, sino que necesita En bacterias a otras proteínas llamadas factores de transcripción que ayudan a posicionarla La transcripción comienza en secuencias sobre el promotor. particulares del ADN llamados promotores Uno de los promotores más comúnes es a los que la ARN polimerasa puede el TATA box, al que se une un factor de unirse. transcripción llamado TBP (TATA-binding En bacterias, la ARN polimerasa protein). bacteriana cuenta con una subunidad Una vez que los factores de transcripción llamada sigma que reconoce a los se unen al promotor y guían a la ARN pol promotores. La ARN polimerasa puede hacia él, se forma un complejo de enlazarse al promotor y abrir la doble iniciación de transcripción. Los factores de hélice de ADN sin necesidad de una transcripción con actividad helicasa abren enzima helicasa diferente. Luego de la doble hélice de ADN y la ARN pol sintetizar los primeros nucleótidos de la empieza a sintetizar pequeños segmentos cadena, el factor sigma se desprende y la de ARN. Luego, sufre una serie de ARN pol sufre cambios conformacionales cambios conformacionales que le que le permiten deslizarse rápidamente permiten avanzar sobre el ADN sin sobre la hebra de ADN. Esto continúa disociarse. hasta que la enzima encuentra una Dado que el ADN en eucariotas está secuencia terminadora y se detiene. Allí, empaquetado, hay más proteínas que se vuelve a asociar a un factor sigma y intervienen en la transcripción. Hay avanza hasta encontrar otra región con proteínas reguladoras de la expresión promotor para comenzar la transcripción génica llamadas activadores que se unen de vuelta. a secuencias específicas de ADN para atraer a la ARN pol hacia ellas. También se requiere la presencia de una proteína 6 Módulo 1 Transcripción y traducción​ Prof. Matías Victoria - 2024 llamada mediador que comunica a los metil en la guanosina. Esto permite que la activadores con el resto de factores de molécula sea distinguida de otros tipos de transcripción. Se necesitan proteínas ARN en la célula. modificadoras de la cromatina para permitir el acceso a la maquinaria de Splicing transcripción. Las secuencias de los genes están compuestos por intrones, secuencias que no codifican, y exones, los segmentos que sí formarán una proteína. Ambos son transcritos, pero los intrones son removidos mediante el splicing o corte y empalme. Una vez que los intrones son eliminados, otras enzimas unen a los exones restantes para formar la secuencia codificante. El splicing es llevado a cabo por un complejo de snoARNs (small nuclear ARNs) y proteínas llamado spliceosoma. El complejo de transcripción avanza hasta Este proceso también permite el splicing encontrar una secuencia terminadora. alternativo, donde los exones del mismo gen se unen en diferentes combinaciones Tipos de ARN que resultan en transcritos de ARNm diferentes pero relacionados. Esos ARNm ARNm, ARNt, ARNr, etc. pueden traducirse para producir diferentes proteínas con estructuras y funciones Los ARN cuya secuencia se convierte en diferentes, aunque todas vengan de un una cadena de aminoácidos mediante la único gen. traducción, son ARN mensajeros (ARNm). Sin embargo, menos del 2% del genoma Poliadenilación humano tiene genes que codifican para Cuando durante la transcripción aparece proteínas. La mayoría de ARNs cumplen una secuencia llamada señal de otras funciones. poliadenilación en la molécula del ARN , Cada segmento transcripto es una unidad una enzima corta el ARN en dos en ese de transscripción, que generalmente sitio. Otra enzima añade nucleótidos de incluye un único gen, que codifica una adenina (A) en el extremo cortado para única molécula de ARN o de proteína. formar una cola de poli-A. La cola le Los ARN cumplen funciones estructurales brinda al transcrito mayor estabilidad y lo y enzimáticas. ayuda a ser exportado del núcleo hacia el citosol. Procesamiento del ARNm Capping, polyadenilación y splicing En eucariotas, el ARNm debe sufrir una serie de modificaciones para poder ser traducido a proteínas. Estas modificaciones son la adición de una Luego de este procesamiento, el ARNm caperuza en el extremo 5’, la maduro está listo para ser exportado fuera poliadenilación en el extremo 3’ y la del núcleo y ser traducido por los eliminación de los intrones (splicing). ribosomas. Capping Para algunos genes, el ARN es el En el extremo 5’ del ARNm un grupo de producto final. En los eucariotas, estos enzimas añaden un GMP con un grupo genes suelen ser transcritos por la ARN 7 Módulo 1 Transcripción y traducción​ Prof. Matías Victoria - 2024 polimerasa I o la ARN polimerasa III. La de reconocer la secuencia en el ARNm y ARN polimerasa I produce los ARN traer al aminoácido correspondiente. ribosómicos. Tras su síntesis, los ARNr se El ARNt tiene una forma de trébol modifican químicamente, se escinden y se característica que le permite cumplir sus ensamblan en ribosomas en el nucléolo, funciones. Una de sus regiones forma el una estructura subnuclear distinta que anticodón, una secuencia de nucleótidos también ayuda a procesar algunos complementaria al codón del ARNm. complejos ARN-proteína más pequeños de la célula. Otras estructuras subnucleares (como los cuerpos de Cajal y los gránulos de intercromatina) son lugares donde se ensamblan, almacenan y reciclan los componentes que intervienen en el procesamiento del ARN. Ribosomas La traducción sucede en ribosomas, un complejo formado por moleculas de ARN ribosomal (ARNr) y proteínas. Están compuestos por una subunidad grande, que cataliza la formación del enlace peptídico, y una pequeña que brinda la estructura para que el ARNt se pueda posicionar correctamente. Cuando no está sintetizando proteínas, estas subunidades están separadas. Los ribosomas cuentan con cuatro sitios de unión para el ARN. Uno es para el Traducción ARNm y tres son para el ARNt, llamados sitios A, P y E- De ARN a proteína Una vez que el ARNm sale del núcleo, su secuencia de nucleótidos se usa para sintetizar una cadena de aminoácidos. La forma en que el ribosoma “lee” la secuencia de nucleótidos está descrita en el código genético. La secuencia es leída en grupos de tres Iniciación bases llamados codones. El código La traducción inicia con un codón especial genético es repetitivo, es decir, diferentes AUG, que codifica para el aminoácido codones pueden codificar al mismo metionina. En eucariotas, el ARNt aminoácido. Además, hay codones de iniciador unido a la metionina es cargado inicio y terminación de la traducción. El en la subunidad pequeña junto a código genético es universal, aunque hay proteínas llamadas factores de iniciación algunas diferencias. Por ejemplo, el eucariota (eIFs). Una vez encontrado el código genético de la mitocondria es codón de inicio, los eIFs se disocian y las diferente debido a que la maquinaria de subunidades ribosomales se unen para transcripción y traducción es particular. comenzar a moverse sobre el ARNm. El ARNt se ubica en el sitio P del ARN de transferencia ribosoma, dejando el sitio A libre para que Un tipo especial de ARN, llamado ARN de se añada el siguiente aminoácido. transferencia (ARNt) es quien se encarga 8 Módulo 1 Transcripción y traducción​ Prof. Matías Victoria - 2024 Elongación A medida que se lee la secuencia, se agregan aminoácidos a la cadena. El siguiente ARNt entra al sitio A y se cataliza la unión del aminoácido correspondiente al resto de la cadena peptídica. El primer ARNt se desplaza hacia el sitio E (salida), y el recién agregado se mueve al sitio P de forma de liberar el sitio A para el siguiente ARNt. La cadena polipeptidica es sintetizada desde su extremo N-terminal al C-terminal. Terminación La terminación está indicada por codones específicos que no son reconocidos por ningún ARNt. Proteínas llamadas factores de liberación reconocen los codones de terminación y caben perfectamente en el sitio P (aunque no sean ARNt). Los factores de liberación interfieren con la enzima que normalmente forma los enlaces peptídicos: hacen que agregue una molécula de agua al último aminoácido de la cadena. Esta reacción separa la cadena del ARNt, y la proteína que se acaba de formar se libera. Una vez sintetizadas, las cadenas polipeptídicas son liberadas y necesitan plegarse para alcanzar la estructura tridimensional correcta que les permite ser útiles. El plegamiento de muchas proteínas es asistido por chaperonas. Este paso es crucial, ya que el plegamiento incorrecto de proteínas puede llegar a causar enfermedades. Las proteínas incorrectamente plegadas son eliminadas por ubiquitinación 9 Módulo 1 Citoesqueleto​ Prof. Matías Victoria - 2024 debajo de la membrana plasmática y en el citoplasma. Citoesqueleto Tipos de filamentos El citoesqueleto es una red compleja de filamentos y estructuras tubulares en el citoplasma de las células eucariotas. Proporciona soporte estructural, facilita el movimiento celular y organiza los organelos dentro de la célula. Los tres principales componentes del citoesqueleto son los filamentos de actina (microfilamentos), los microtúbulos y los filamentos intermedios, cada uno con funciones específicas y características estructurales distintas. Filamentos de actina (microfilamentos) La actina puede interaccionar con numerosas proteínas motoras y de unión, Los microfilamentos son esenciales para que facilitan procesos como la secreción, la forma de la célula y su locomoción. la endocitosis y la formación de fibras Participan en la motilidad celular y en la musculares en la contracción muscular. formación de estructuras como el cortex Gran parte de las funciones que realizan celular, que proporciona soporte mecánico los filamentos de actina se deben a su y define la forma celular. Además, son asociación con las miosinas, proteínas fundamentales en procesos como la motoras capaces de generar fuerzas de contracción muscular, la formación de tracción con gasto de ATP y moverse por seudópodos (Extensión del citoplasma el filamento de actina hacia el extremo celular que engloba materiales o más. Así, las miosinas pueden arrastrar partículas externas y tiene funciones estructuras celulares a lo largo del locomotoras, alimentarias o de defensa) y filamento de actina, o deslizar unos la división celular. filamentos de actina sobre otros. La miosina aparece en la mayoría de las células y sirve para el desplazamiento intracelular de organelos. Evolutivamente, la miosina I apareció antes que la miosina II. La miosina II se encuentra fundamentalmente en el músculo, aunque Están compuestos por actina, una también aparece en otras células. proteína globular que se ensambla en Cerca de la membrana plasmática hay filamentos largos y delgados que puede una capa de unos 100 nm de espesor aparecer en dos variantes: alfa y beta formada por filamentos de actina, en la actina. La beta actina es la más frecuente corteza celular. Normalmente este y aparece en la mayoría de las células entramado es más grueso en células animales. Su secuencia de aminoácidos diferenciadas que en células que se están difiere ligeramente de la alfa actina, la dividiendo. Esta capa permite a la célula cual abunda en el músculo. Son los resistir y contrarrestar fuerzas mecánicas, filamentos más pequeños de los que o generarlas, así como condicionar la compone el citoesqueleto. Cada forma de las células. Las células animales microfilamento está formado por dos no poseen pared celular, por tanto la hebras de actina enrolladas en forma de forma celular depende en gran medida de hélice, es decir, una sobre la otra. Los los filamentos de actina. La fagocitosis y filamentos de actina se organizan justo endocitosis dependen de los filamentos 10 Módulo 1 Citoesqueleto​ Prof. Matías Victoria - 2024 de actina. También se encuentran en el de orgánulos como las mitocondrias, citoplasma donde se encargan del lisosomas, pigmentos, gotas de lípidos, transporte intracelular. etcétera. Son también necesarios para dirigir el tráfico vesicular. Están formados por heterodímeros de α-tubulina y β-tubulina, que se ensamblan en protofilamentos. Estos protofilamentos se organizan en un tubo hueco que constituye el microtúbulo. Un microtúbulo está formado normalmente por 13 protofilamentos. Los microtúbulos presentan una estructura estable y flexible que se organiza en forma de estrella desde los centrosomas. El estrangulamiento final del citoplasma durante el proceso de división de las células animales se produce gracias a la formación de un anillo de filamentos actina, que, ayudado por la miosina II, va estrechando su diámetro progresivamente hasta la separación completa de los dos citoplasmas de las células hijas. Los microtúbulos son polarizados. Se denomina extremo menos al formado por las α-tubulinas de todos los protofilamentos y más al formado por las β-tubulinas. Los nuevos dímeros de tubulina se añaden con mayor probabilidad al extremo más, lugar preferente de crecimiento del microtúbulo. En el extremo menos predomina la despolimerización. Microtúbulos Los microtúbulos desempeñan un papel clave en la organización interna de la célula, el posicionamiento de organelos y la dirección del transporte intracelular. Los microtúbulos también determinan la forma de orgánulos como el aparato de Golgi y el retículo endoplasmático. También son esenciales en la formación de estructuras como cilios y flagelos, y en la separación de cromosomas durante la división celular. Aparte del papel de los microtúbulos Los microtúbulos son relativamente citosólicos en el movimiento de los inertes en cuanto que no interaccionan cromosomas, participan en el movimiento directamente con otras estructuras 11 Módulo 1 Citoesqueleto​ Prof. Matías Victoria - 2024 celulares. A ellos se asocian unas adición de nuevos dímeros con GTP al proteínas que controlan su crecimiento y extremo más del microtúbulo es mayor organización generalmente conocidas que la tasa de hidrólisis de GTP, se como proteínas asociadas a los mantiene una "caperuza" de GTP en el microtúbulos o MAPs (microtubule extremo, lo que permite el crecimiento associated proteins). La mayoría de ellas continuo del microtúbulo. Sin embargo, si interaccionan con el extremo más la tasa de adición disminuye y la hidrólisis favoreciendo o inhibiendo el crecimiento. de GTP supera a la polimerización, el Hay proteínas que se asocian a los extremo más del microtúbulo tendrá microtúbulos y se desplazan por ellos dímeros con GTP y GDP, lo que provoca hacia el extremo más o hacia el extremo una despolimerización rápida. Si el menos, dependiendo de la proteína. Son extremo se estabiliza y se incrementa la las denominadas proteínas motoras. adición de dímeros con GTP, el microtúbulo volverá a crecer. Los dímeros ​ Quinesina: Familia de proteínas de tubulina con GDP libres durante la motoras que se desplazan al despolimerización se convierten extremo más de los microtúbulos rápidamente en dímeros con GTP y ​ Dineína: Familia de proteínas pueden reincorporarse al microtúbulo. motoras que se mueve a lo largo de los microtúbulos hacia el extremo menos, esencial para el transporte intracelular y el movimiento de cilios y flagelos. Inestabilidad dinámica Los microtúbulos son muy dinámicos y están continuamente polimerizando y despolimerizando, fundamentalmente en su extremo más. La incorporación de nuevos dímeros de tubulina al extremo La concentración de dímeros de tubulina más hace que el microtúbulo crezca en que hay normalmente en el citosol no es longitud. Este crecimiento a veces se suficiente para la formación espontánea detiene repentinamente y el microtúbulo de microtúbulos. Los MTOCs (microtubule comienza a despolimerizarse, llegando a organizing centers) son centros veces incluso a desaparecer, o más organizadores de microtúbulos donde frecuentemente reinicia el proceso de comienza la polimerización de un nuevo polimerización. Estas alternancias entre microtúbulo y donde suelen quedar polimerización y despolimerización se anclados sus extremos menos. Contienen llaman inestabilidad dinámica. complejos moleculares denominados Los dímeros de tubulina libres están anillos de γ-tubulina, estructuras circulares unidos a dos moléculas de GTP. Tras que actúan como moldes sobre los que se unirse a un microtúbulo, uno de estos inician los nuevos microtúbulos. GTP se hidroliza a GDP. Si la tasa de 12 Módulo 1 Citoesqueleto​ Prof. Matías Victoria - 2024 El principal MTOC en las células animales contribuyendo a la estabilidad estructural. es el centrosoma, el cual determina el Se localizan principalmente en la zona número, localización y orientación de los perinuclear y ayudan a mantener la microtúbulos en el citoplasma. Suele tensión interna. Los filamentos haber un centrosoma por célula localizado intermedios son más estables en el cerca del núcleo en la fase G1 o G0 del tiempo que los microtúbulos y los ciclo celular. El centrosoma está formado filamentos de actina. A pesar de ello por un par de centriolos dispuestos de también pueden desorganizarse y volver a forma ortogonal y por material proteico polimerizar, permitiendo que se acorten, denominado material pericentriolar. Los se alarguen y reorganizen. Un mecanismo centriolos son estructuras cilíndricas para ello es mediante fosforilaciones y formadas por 9 tripletes de microtúbulos defosforilaciones por quinasas y que forman sus paredes. fosfatasas, respectivamente, además de por la acción de chaperonas. Existen diferentes proteínas que forman los filamentos según el tipo celular y su ubicación. - Tipos Principales: - Láminas (A, B y C): Forman la lámina nuclear, una red de filamentos que proporciona soporte a la envoltura nuclear. - Vimentinas: Encontradas en células mesenquimatosas, contribuyen a la organización del citoesqueleto. - Queratina: En células epiteliales, forma filamentos que contribuyen a la Filamentos intermedios integridad y resistencia de las capas Los filamentos intermedios están epiteliales. compuestos por monómeros que se - Neurofilamentos: Presentes en células ensamblan en estructuras de hélice alfa nerviosas, proporcionan soporte (coiled-coil), formando dímeros. Estos estructural a los axones. dímeros se combinan en tetrámeros, y En conjunto, los filamentos intermedios ocho tetrámeros se ensamblan para forman una red que conecta el núcleo y formar un filamento similar a una cuerda, se extiende hasta la periferia celular. proporcionando así una resistencia Normalmente los filamentos intermedios mecánica sustancial. del citoplasma están anclados a los complejos de unión que se establecen entre las células vecinas (desmosomas) y entre las células y la matriz extracelular (hemidesmosomas) a través de proteínas de unión. En el núcleo forman la lámina nuclear, un entramado que da forma y aporta cohesión a la envuelta nuclear, y por tanto al núcleo. Proporcionan soporte mecánico a la célula, resistiendo tensiones mecánicas y 13 Módulo 1 Transporte intracelular​ Prof. Rodney Colina - 2024 2. Transporte transmembrana: En este tipo de transporte, las proteínas se Transporte intracelular desplazan a través de membranas Origen evolutivo de los organelos utilizando translocadores proteicos especializados. Este proceso es La célula eucariota primitiva se originó a unidireccional y permite el movimiento de partir de células procariotas. A través de proteínas desde el citosol hacia un proceso de invaginación de la compartimentos topológicamente membrana plasmática, se formaron distintos, como el retículo endoplásmico estructuras membranosas internas que (ER), las mitocondrias, los cloroplastos y eventualmente dieron lugar a los distintos los peroxisomas. organelos eucariotas. Entre estos 3. Transporte vesicular: Este sistema organelos, las mitocondrias y los implica la formación de vesículas cloroplastos tienen orígenes rodeadas de membrana que transportan particularmente destacados. proteínas y otros componentes entre compartimentos que son topológicamente Se postula que las mitocondrias derivan equivalentes. Ejemplos de este tipo de de una célula procariota que fue transporte incluyen el movimiento de fagocitada por una célula ancestral proteínas desde el ER hacia el aparato de eucariota en un evento simbiótico. Este Golgi, y desde el Golgi hacia los evento permitió a la célula huésped lisosomas o hacia el exterior de la célula. aprovechar las capacidades metabólicas del procariota fagocitado. De manera similar, los cloroplastos se originaron a partir de proplastidios, los cuales evolucionaron por invaginación hasta formar los cloroplastos funcionales que conocemos hoy en día. Sistemas de transporte de proteínas El transporte de proteínas dentro de la célula eucariota ocurre a través de varios sistemas que aseguran la correcta localización y función de las proteínas. Estos sistemas se pueden clasificar en tres tipos principales: 1. Transporte regulado: Este sistema permite el tránsito de proteínas entre el citosol y el núcleo a través del complejo Transporte regulado de poros nucleares (NPC). El transporte es bidireccional, facilitando el movimiento El transporte de proteínas y otras de proteínas tanto hacia el núcleo como macromoléculas entre el núcleo y el desde él hacia el citosol. citoplasma es un proceso fundamental para la funcionalidad celular. Este 14 Módulo 1 Transporte intracelular​ Prof. Rodney Colina - 2024 transporte se realiza a través del complejo mediado por la GTPasa-activating protein de poros nucleares (NPC), una (GAP), que se encuentra en el citosol e estructura multiproteica que permite la impulsa la hidrólisis de GTP; y el factor de regulación precisa del intercambio de intercambio de guanina (GEF) que se sustancias entre estos compartimentos. encuentra en el núlcleo y convierte a El mecanismo de transporte regulado es Ran-GDP en Ran-GTP. El citosol contiene fundamentalmente diferente al transporte mayormente Ran-GDP y el núcleo hacia otros organelos, ya que ocurre Ran-GTP debido a la localización de estas mediante poros acuosos y no proteínas proteínas. transportadoras. Esto permite que se puedan transportar proteínas en sus conformaciones plegadas, a diferencia de otros organelos, donde es necesario que se desplieguen. Los NPC están compuestos por proteínas llamadas nucleoporinas. Cada complejo poroso cuenta con uno o más canales acuosos a través de los que pequeñas moléculas pueden pasar por difusión pasiva Una vez que la importina transporta la proteína cargada al núcleo, Ran-GTP se une a la importina. Esta unión provoca la liberación de la proteína cargada dentro del núcleo, permitiendo que esta cumpla su función. La importina, ahora unida a Ran-GTP, regresa al citosol a través del NPC. En el citosol, la Ran-GAP cataliza la Señales de localización nuclear hidrólisis del GTP a GDP, lo que resulta Las proteínas contienen secuencias en la disociación de Ran-GDP de la específicas, denominadas señales de importina, permitiendo que esta última localización nuclear (NLS, por sus siglas esté disponible para otro ciclo de en inglés), que dirigen su transporte hacia transporte. el núcleo. Estas secuencias son Las moléculas que deben ser exportadas reconocidas por proteínas especializadas están marcadas por señales de llamadas importinas, que se asocian con exportación nuclear (NES, por sus siglas las proteínas a transportar en el citosol. en inglés). Estas señales son reconocidas Las importinas se unen a la NLS y a las por receptores nucleares de exportación nucleoporinas. A veces es necesaria la denominados exportinas. participación de proteínas adaptadoras. El proceso de exportación es similar al de importación, pero con una diferencia clave en la función de Ran-GTP. En el núcleo, Ran-GTP promueve la unión de la exportina con su carga. Una vez que la exportina y la carga están en el citosol, la Ran-GAP cataliza la conversión de Ran-GTP a Ran-GDP, lo que provoca la Importación y exportación nuclear liberación de la carga de la exportina y la La energía necesaria para el transporte disociación de Ran-GDP. Las exportinas, nuclear es proporcionada por la hidrólisis al igual que las importinas, regresan al de GTP mediante la GTPasa Ran. Ran núcleo para participar en nuevos ciclos de puede existir en un estado conformacional exportación. activo (con GTP) o inactivo (con GDP). La conversión entre estos estados es 15 Módulo 1 Transporte intracelular​ Prof. Rodney Colina - 2024 desplegada se inserta al canal de translocación, empezando por la secuencia señal. El transporte direccional requiere energía. Se obtiene mediante la hidrólisis de ATP y el gradiente electroquímico de H+ a través de la membrana mitocondrial interna. Una vez que la secuencia de señal ha pasado a través del complejo TOM y se ha unido a cualquiera de los complejos TIM, la translocación adicional a través del TIM requiere un gradiente electroquímico Transporte transmembrana de H+ a través de la membrana interna. Mitocondrias Proteínas de las membranas y espacio intermembrana Las proteínas mitocondriales se sintetizan Las proteínas que se integran en la primero por completo como proteínas membrana mitocondrial interna o que precursoras en el citosol y luego se operan en el espacio intermembrana se translocan a las mitocondrias mediante un transportan inicialmente desde el citosol mecanismo postraduccional. por el mismo mecanismo que transporta Las proteínas dirigidas a las mitocondrias las proteínas a la matriz. contienen secuencias señal específicas En algunos casos, primero se transfieren que facilitan su reconocimiento y a la matriz. Sin embargo, tienen una transporte hacia estos organelos. La secuencia de aminoácidos hidrofóbica mitocondria presenta una estructura de después de la secuencia de señal doble membrana, con una membrana N-terminal que guía la importación a la externa y una membrana interna, que matriz. forman un espacio intermembrana y una Una vez que la secuencia de señal matriz mitocondrial, respectivamente. N-terminal ha sido eliminada por la peptidasa de señal de la matriz, la La translocación de proteínas a través de secuencia hidrofóbica funciona como una las membranas mitocondriales está nueva secuencia de señal N-terminal para mediada por complejos proteicos de translocar la proteína desde la matriz múltiples subunidades que funcionan hacia o a través de la membrana interna, como translocadores de proteínas: el utilizando el complejo OXA como complejo TOM funciona a través de la translocador. membrana externa, y dos complejos TIM, Las proteínas destinadas al espacio los complejos TIM23 y TIM22, funcionan a intermembrana se insertan primero a través de la membrana interna. Estos través de su secuencia de señal complejos contienen algunos hidrofóbica en la membrana interna y componentes que actúan como luego son escindidas por una peptidasa receptores para las proteínas precursoras señal en el espacio intermembrana para mitocondriales y otros componentes que liberar la cadena polipeptídica madura forman el canal de translocación. como proteína soluble Una ruta alternativa hacia la membrana Proteínas de la matriz interna evita por completo la excursión Como primer paso en el proceso de hacia la matriz. En este caso, el importación, las proteínas precursoras translocador TIM23 en la membrana mitocondriales se unen a las proteínas interna se une a la secuencia hidrofóbica receptoras de importación del complejo que sigue a la secuencia señal N-terminal TOM, que reconocen las secuencias señal e inicia la importación, lo que hace que mitocondriales. Las chaperonas se actúe como una secuencia de detención eliminan y la cadena polipeptídica de transferencia que evita una mayor 16 Módulo 1 Transporte intracelular​ Prof. Rodney Colina - 2024 translocación a través de la membrana luego se integran en la membrana interna. Después de que se ha escindido tilacoidal o ingresan al espacio tilacoidal. la secuencia señal N-terminal, el resto de Estas proteínas tienen señales que le la proteína es ingresada a través del permiten el ingreso al estroma, la cual es complejo TOM en la membrana externa cortada por una peptidasa, y tienen otra hacia el espacio intermembrana. señal que inicia el transporte a través de Diferentes proteínas utilizan una u otra de la membrana tilacoidal estas dos vías hacia la membrana interna o el espacio intermembrana. Retículo endoplasmático El RE captura proteínas seleccionadas del citosol a medida que se sintetizan. Estas proteínas son de dos tipos: proteínas transmembrana, que se translocan solo parcialmente a través de la membrana del RE y se incrustan en ella, y proteínas solubles en agua, que se translocan completamente a través de la membrana del RE y se liberan en el lumen del RE. Las secuencias de señal del extremo N-terminal del RE guían no sólo a las En la membrana mitocondrial externa, las proteínas solubles secretadas, sino proteínas son insertadas por el complejo también a los precursores de todas las SAM. demás proteínas producidas por los ribosomas unidos a la membrana rugosa Cloroplastos del RE, incluidas las proteínas de membrana. El transporte hacia el interior de los Translocación cotraduccional cloroplastos también es post-traduccional La translocación contraduccional se y cuentan con señales específicas en el denomina de esta forma debido a que la extremo N-terminal que indican que las traducción continúa al mismo tiempo que proteínas deben ser importadas al la proteína es importada. cloroplasto. La secuencia de señal del RE es guiada a Además, mientras que las mitocondrias la membrana del RE por al menos dos aprovechan el gradiente electroquímico componentes: una partícula de de H+ a través de su membrana interna reconocimiento de señal (SRP) , que para impulsar el transporte, los circula entre la membrana del RE y el cloroplastos, que tienen un gradiente citosol y se une a la secuencia de señal, y electroquímico de H+ a través de su un receptor de SRP en la membrana del membrana tilacoide pero no de su RE. membrana interna, utilizan la hidrólisis de El SRP se une a la secuencia señal del GTP y ATP para impulsar la importación a RE tan pronto como el péptido ha través de sus membranas. emergido del ribosoma. Esto provoca una La entrada en el cloroplasto se consigue a pausa en la síntesis de proteínas; través de complejos translocónicos en las presumiblemente, la pausa le da al membranas de la envoltura externa (TOC) ribosoma tiempo suficiente para unirse a e interna (TIC), que reconocen el péptido la membrana del RE antes de que se y facilitan el transporte al estroma. complete la síntesis de la cadena Los precursores de proteínas del polipeptídica, lo que garantiza que la cloroplasto son translocadas desde el proteína no se libere al citosol. citosol atravesando las membranas en Una vez formado, el complejo dos pasos: primero atraviesan la SRP-ribosoma se une al receptor SRP, membrana doble ingresando al estroma y que es una proteína de membrana integral expuesta solo en la superficie 17 Módulo 1 Transporte intracelular​ Prof. Rodney Colina - 2024 citosólica de la membrana rugosa del RE. En el caso de proteínas transmembrana Esta interacción lleva el complejo de un solo paso, una secuencia de señal SRP-ribosoma a un translocador de N-terminal inicia la translocación, al igual proteínas. El SRP y el receptor SRP se que para una proteína soluble, pero un liberan, y la cadena polipeptídica en segmento hidrofóbico adicional en la crecimiento se transfiere a través de la cadena polipeptídica detiene el proceso membrana. antes de que se transloque toda la El ribosoma unido forma un sello cadena polipeptídica. hermético con el translocador, de modo Esta señal de detención de la que el espacio dentro del ribosoma es transferencia ancla la proteína en la continuo con el lumen del RE y ninguna membrana después de que la secuencia molécula puede escapar del RE. El poro de señal del RE (la señal de inicio de la es una estructura dinámica que se abre transferencia) se haya liberado del solo transitoriamente cuando un ribosoma translocador y se haya escindido. con una cadena polipeptídica en La secuencia de detención de la crecimiento se une a la membrana del RE. transferencia se inserta a la bicapa y permanece allí como un solo segmento α-helicoidal que atraviesa la membrana, con el extremo N-terminal de la proteína en el lado luminal de la membrana y el extremo C-terminal en el lado citosólico. Translocación post-traduccional Para funcionar en la translocación postraduccional, el translocador necesita proteínas accesorias que llevan a la cadena polipeptídica hacia adentro del poro e impulsan la translocación Las proteínas que se transportan al RE mediante un mecanismo postraduccional se liberan primero en el citosol, donde se les impide plegarse al unirse a proteínas Muchas de las proteínas en el lumen del chaperonas. RE están en tránsito, en camino a otros En todos estos casos en los que la destinos; otras, sin embargo, residen translocación se produce sin que un normalmente allí y están presentes en ribosoma selle el poro, sigue siendo un altas concentraciones. Estas proteínas misterio cómo la cadena polipeptídica residentes en el RE contienen una señal puede deslizarse a través del poro en el de retención de cuatro aminoácidos en su translocador sin permitir que pasen iones extremo C que es responsable de retener y otras moléculas. la proteína en el RE. Las secuencias señal N-terminales del RE Algunas de estas proteínas funcionan son eliminadas por una peptidasa señal como catalizadores que ayudan a que las en el lado luminal de la membrana del RE. muchas proteínas que se translocan al RE se plieguen y ensamblen correctamente. Transporte vesicular Caracteristicas El espacio interior de cada organelo membranoso, llamado lumen, es compatible topológicamente con el lumen de los otros organelos. Para transportar 18 Módulo 1 Transporte intracelular​ Prof. Rodney Colina - 2024 moléculas entre ellos, se generan proteínas que colaboran con la formación compartimentos rodeados por membrana de la vesícula, son desprendidas en llamados vesículas. nuevas vesículas revestidas por COPI Las vesículas se forman por gemación de para ser devueltas al RE. la membrana del organelo de orígen y se Todas las proteínas que llegan al aparato fusionan con la membrana del organelo de Golgi, exceptuando las proteínas que la recibe. residentes, son clasificadas en la red trans del Golgi según su destino final. Transporte entre el Golgi y los lisosomas Los lisosomas son organelos que contienen enzimas hidrolíticas que se encargan de digerir macromoléculas. Proteínas de revestimiento Las hidrolasas lisosómicas son Las proteínas de revestimiento le dan a la sintetizadas en el RE y transportadas a vesícula su estructura redondeada y través del aparato de Golgi. Las vesículas ayudan a que se desprenda de la de transporte las llevan hacia endosomas membrana. Además, determinan el origen tardíos que se convierten en lisosomas. y destino de la vesícula. Estas proteínas tienen un marcador Existen tres tipos de proteínas de particular llamado manosa-6-fosfato revestimiento importantes: clatrina, que (M6P), que es agregado en el lumen de la media el transporte entre el Golgi y la cara cis del Golgi. Este es reconocido por membrana plasmática; y las COP (COPI y receptores de M6P en la cara trans del COPII), que se encargan del transporte Golgi y se reclutan adaptinas y clatrinas entre el RE y el Golgi. para formar las vesículas. Las vesículas revestidas por clatrina se Endocitosis forman debido a que receptores de cargamento en la membrana del Golgi Las células ingieren fluído y moléculas del interactúan con proteínas que deben ser exterior por endocitosis, donde regiones transportadas. Otra proteína, llamada de la membrana plasmática se invaginan adaptina, se encarga de hacer que la y se desprenden formando vesículas clatrina se una entre sí y envuelva a las endocíticas. proteínas que deben ser transportadas. La pinocitosis es un tipo de endocitosis, Una vez que la vesícula está lista, una donde la célula incorpora a su interior GTPasa llamada dinamina forma un anillo líquidos mediante la formación de alrededor de la base de la vesícula y pequeñas vesículas en su membrana. Las recluta a otras proteínas para modificar la células forman vesículas pinocíticas que membrana de forma que la vesícula sea luego son devueltas a la membrana liberada. plasmática continuamente. Hay regiones de la membrana plasmática Transporte entre el RE y el Golgi especializadas para la formación de vesículas con clatrina. Una vez que estas Para salir del RE, las proteínas deben vesículas se forman, son transportadas a estar plegadas y ensambladas endosomas y el fluido extracelular es correctamente, de lo contrario internalizado. permanecen en el RE junto a chaperonas Para la endocitosis de macromoléculas, para luego ser desechadas. Las vesículas como el colesterol, estas se unen a que viajan al Golgi son revestidas por receptores de membrana y entran a la COPII y una vez que se desprenden del célula en una vesícula recubierta por RE, comienzan a fusionarse entre sí. Las clatrina a través de los receptores. proteínas residentes del RE que hayan La fagocitosis es otro tipo de endocitosis sido atrapadas en la vesícula, y otras realizado por células especializadas 19 Módulo 1 Transporte intracelular​ Prof. Rodney Colina - 2024 (fagocitos) en organelos llamados fagosomas. Se ingieren grandes partículas, como microorganismos o células muertas. Exocitosis Las proteínas pueden ser secretadas por las células mediante exocitosis de forma constitutiva o regulada. En las vías reguladas, las moléculas se almacenan en vesículas secretoras o vesículas sinápticas, que no se fusionan con la membrana plasmática para liberar su contenido hasta que se recibe una señal adecuada. Mientras que las vías reguladas sólo operan en células secretoras especializadas, en todas las células eucariotas funciona una vía secretoria constitutiva, mediada por el transporte vesicular continuo desde la red trans Golgi hasta la membrana plasmática. 20 Módulo 1 Transporte intracelular​ Prof. Rodney Colina - 2024 La mitocondria Teoría endosimbiótica Mitocondrias y cloroplastos El metabolismo de carbohidratos es completado en las mitocondrias, donde el La teoría endosimbiótica propone que las piruvato generado por la glicólisis es mitocondrias y los cloroplastos se oxidado en CO2 y H2O, produciendo aún originaron a partir de bacterias más ATP. fagocitadas por una célula ancestral Existe una red de mitocondrias, son eucariota. organelos plásticos y móviles. Cambian su Las mitocondrias y los cloroplastos no se forma y se fusionan entre sí. Se asocian a forman de novo, sino que surgen por los microtúbulos para ser transportadas. división de preexistentes, replicando sus La cantidad y orientación de las genomas y ensamblando los mitocondrias depende de la necesidad de componentes necesarios para mantener ATP del tejido: hay una abundancia de su funcionalidad. mitocondrias en las miofibrillas del tejido Los ribosomas presentes en mitocondrias muscular y los flagelos de y cloroplastos presentan sensibilidad a espermatozoides ciertos antibóticos. Este comportamiento refuerza la hipótesis de su origen Estructura bacteriano. La síntesis proteica en estos organelos comienza con una forma modificada de Cada mitocondria tiene dos membranas metionina conocida como que tienen funciones especializadas. La N-formilmetionina (fMet), un rasgo membrana mitocondrial externa (MME) compartido con las bacterias. contiene proteínas de transporte llamadas porinas que forman canales acuosos que permiten el paso de ciertas moléculas. La membrana mitocondrial interna (MMI) está constituída por cardiolipina, que vuelve a la membrana casi completamente impermeable, impidiendo el paso de los protones. Además, la MMI forma invaginaciones llamadas crestas que expanden su superficie de membrana. Entre ambas membranas existe un espacio intermembrana de composición similar al citosol y dentro de la MMI se encuentra la matriz mitocondrial, donde se encuentran ribosomas y ADN. El genoma mitocondrial es circular y está compuesto por un número reducido de genes, careciendo de histonas u otras proteínas asociadas al ADN nuclear. La transmisión de las mitocondrias es predominantemente materna. Durante la fecundación, las mitocondrias del espermatozoide son eliminadas, conservando solo las de origen materno en el cigoto. Este fenómeno permite estudiar patrones de herencia maternal. Puntos importantes 21 Módulo 1 Transporte intracelular​ Prof. Rodney Colina - 2024 ​ Las mitocondrias tienen dos ​ Respiración aeróbica: glucólisis membranas: MME (con canales (glucosa a piruvato) → ciclo de acuosos por porinas) y MMI (casi Krebs (NADH, FADH2 GTP y CO2) impermeable por cardiolipina) → fosforilación oxidativa (NADH y ​ Espacio intermembrana similar al FADH2 ceden e-, O2 es aceptor citosol y una matriz con ADN y final y se reduce a agua). → ribosomas. Síntesis de ATP (Gradiente electroquímico se acopla a la reacción) Respiración aeróbica Metabolismo mitocondrial Todos los organismos eucariotas realizan la respiración aeróbica como método de obtención de energía. Esto se refiere al Los electrones de alta energía generados metabolismo energético mediante el cual por el ciclo de Krebs ingresan a la cadena los seres vivos obtienen obtienen energía de transporte de electrones. En la MMI se de moléculas orgánicas, oxidando algún encuentran proteínas transmembrana que sustrato​ y utilizando oxígeno como forman tres complejos enzimáticos, cada aceptor final de electrones. uno con mayor afinidad por los electrones que el anterior. Etapas de la respiración aeróbica Transportadores de electrones La respiración aeróbica comienza con una 1.​ NADH deshidrogenasa (Complejo etapa anaerobia: la glucólisis. En este I): Acepta e. del NADH y los proceso, la glucosa es oxidada, transporta a una pequeña generando dos moléculas de piruvato por molécula hidrofóbica llamada molécula de glucosa. Además, se genera ubiquinona. ATP y NADH. 2.​ Citocromo b-c1: Acepta electrones El piruvato es transportado a la matriz de que le transfiere la ubiquinona y lo la mitocondria y es convertido en lleva hacia el citocromo c, que se Acetil-CoA. Esta molécula va a ingresar al encuentra en el espacio ciclo de Krebs, donde se obtiene CO2, intermembrana y lleva su electrón GTP, NADH y FADH2. Estas últimas dos al complejo citocromo oxidasa. moléculas dadoras de electrones 3.​ Citocromo oxidasa: acepta continuarán hacia las crestas de la electrones del citocromo C y mitocondria para que se lleve a cabo la transfiere cuatro de estos al fosforilación oxidativa. Los NADH y FADH2 oxígeno. ceden sus electrones a complejos enzimáticos en la MMI finalmente Los electrones pasan por estos reduciendo el O2 a agua, al mismo tiempo secuencialmente hasta que son que se bombean protones hacia el transferidos al oxígeno, que tiene la espacio intermembrana. Estos protones mayor afinidad por los electrones, y este generan un gradiente electroquímico entre es reducido a moléculas de agua. el espacio intermembrana y la matriz que La transferencia de electrones es impulsa la síntesis de ATP. acoplada al pasaje de H+ de la matriz al espacio intermembrana, formando un gradiente de pH a través de la MMI (más básico en la matriz que en el espacio Puntos importantes intermembrana) y un gradiente de voltaje (potencial de membrana) con iones negativos en la matriz e iones positivos en 22 Módulo 1 Transporte intracelular​ Prof. Rodney Colina - 2024 el EIM. Juntos, generan un gradiente Los cloroplastos son parte de una familia electroquímico de protones. de organelos llamados plastidios. Tienen una membrana externa permeable, una membrana interna casi impermeable y un espacio intermembrana que forman la envoltura del cloroplasto. La membrana interna recubre el estroma, un espacio análogo a la matriz mitocondrial que contiene el ADN, ARN y ribosomas del cloroplasto. En el estroma se encuentra una tercer membrana que forma Este gradiente se acopla a la reacción estructuras similares a discos aplastados energéticamente desfavorable de llamados tilacoides. El lumen de cada fosforilación de ADP para dar ATP tilacoide está conectado con el resto de mediante la ATP sintasa. tilacoides, formando el espacio tilacoidal. La ATP sintasa forma un canal hidrofílico a través de la MMI que permite el paso de los protones hacia la matriz a favor del gradiente electroquímico. La ATP sintasa es capaz de producir más de 100 moléculas de ATP por segundo, necesitando del paso de 3 o 4 protones por cada molécula. La ATP sintasa puede actuar en sentidos opuestos, usando la hidrólisis de ATP para bombear protones a través de la membrana. Dentro de los cloroplastos sucede la Otros acoples del gradiente fotosíntesis en presencia de luz solar y los electroquímico productos finales son NADPH y ATP. Las reacciones que tienen lugar durante la fotosíntesis se pueden clasificar como Muchas moléculas pequeñas cargadas reacciones fotosintéticas (dependientes como piruvato, ADP y fosfato inorgánico de luz) y reacciones de fijación de son ingresadas a la matriz, mientras otras carbono (no dependientes de luz). como el ATP son expulsadas hacia afuera de la mitocondria. Las proteínas de transporte acoplan estos movimientos al Fotosíntesis pasaje energéticamente favorable de H+. Reacciones fotosintéticas Por ejemplo, ADP Pi son transportados hacia la matriz junto con H+. La energía derivada de los fotones de la luz solar excita a un electrón de la clorofila (pigmento verde), este electrón de alta energía es transferido a otra molécula cercana de clorofila. Estas moléculas de clorofila se encuentran en fotosistemas, complejos multiproteicos que están compuestos por un complejo antena que captura la luz y lo dirige al centro de reacciones fotoquímicas que se encarga de convertir Cloroplastos la energía lumínica en energía química 23 Módulo 1 Transporte intracelular​ Prof. Rodney Colina - 2024 transferidos al complejo citocromo b6-f en lugar de ser transferidos al NADP+. Luego, son transferidos de nuevo al citocromo b6-f, resultando en el bombeo de protones a través de la membrana tilacoidal formando el gradiente electroquímico necesario para impulsar la síntesis de ATP. Una vez que el electrón excitado llega a las moléculas de clorofila del centro de reacción, este es transferido a una cadena de transporte de electrones. Fotofosforilación no cíclica: Es un proceso de dos pasos donde se produce ATP y NADPH. Se toman electrones del agua y pasan a través del Reacciones de fijación de carbono fotosistema II (PSII) y fotosistema I (PSI) antes de terminar en NADPH. La formación de ATP, NADPH y O2 Cuando la clorofila del fotosistema II (reacciones dependientes de luz) y la absorbe luz, la energía pasa de un conversión de CO2 a carbohidratos (ciclo pigmento a otro hacia el interior hasta de Calvin) son procesos separados. alcanzar el centro de reacción. Allí, el Este último sucede en el estroma del electrón de alta energía pasa a una cloroplasto. Se necesita ATP y NADPH molécula aceptora y es reemplazado por producidos por las reacciones un electrón del agua. Esta división del fotosintéticas para convertir una molécula agua libera oxígeno como subproducto. de CO2 en carbohidrato Estos electrones se mueven hacia plastoquinonas en la membrana que los llevan hacia el complejo citocromo b6-f. Este complejo bombea H+ hacia el espacio tilacoidal formando un gradiente electroquímico que se acopla a la síntesis de ATP por una ATP sintasa. La plastocianina lleva los electrones al aceptor final: el PSI. El electrón llega al fotosistema I y se une al par especial de clorofilas P700 en el centro de reacción. Cuando los pigmentos absorben la energía lumínica y esta pasa hacia el centro de reacción, el electrón en P700 es impulsado hacia un nivel muy alto de energía y se transfiere a una molécula aceptora. El electrón que falta del par especial es reemplazado por un nuevo electrón de PSII (que llega a través de la cadena de transporte de electrones). Los electrones de alta energía son transferidos a la ferredoxina y luego al NADP+ para dar NADPH. Fotofosforilación cíclica: Durante este proceso, solamente se produce ATP y no NADPH ni oxígeno. Los electrones de alta energía del PSI son 24 Módulo 2 Señalización celular Prof. Matías Victoria - 2024 Señalización celular Formas de señalización Las células se comunican entre sí liberando una molécula señal que se une a un receptor de la célula diana (generalmente se encuentra en la membrana plasmática) que recibe la señal y la amplifica, generando una cascada de señalización que genera algún cambio en la célula, por ejemplo, cambiando el metabolismo, la expresión génica, movimientos del citoesqueleto, etc. Una vez que la molécula señal se une al receptor, la cascada de señalizaciones Señalización dependiente de contacto: causada puede alterar la función de Se necesita contacto estrecho entre proteínas o de maquinaria citoplasmática, ambas células. La molécula señal se une o puede llegar al núcleo, donde se a la superficie de la célula diana y solo generan cambios en la expresión génica afecta la célula en contacto con ella. debido a que una proteína se une al ADN Puede operar en largas distancias si las para impulsar la transcripción de genes células en comunicación pueden particulares. Ambas alteran el elongarse para entrar en contacto. comportamiento celular. Paracrina: Las células señalizadoras Receptores de membrana secretan moléculas señales en el fluido extracelular. Estas moléculas suelen ser mediadores locales que solo actúan en la Suelen ser proteínas transmembrana que proximidad de la célula señalizadora. Las reciben una señal y generan una células también pueden producir señales respuesta del lado citoplasmático. Existen a las que ellas mismas responden, diferentes tipos de receptores. llamada señalización autocrina. Receptores acoplados a canales Sináptica: Señalización entre células del iónicos: Una vez que reciben la señal, se sistema nervioso abren canales permitiendo el paso de iones (ej: sodio o calcio) Endócrina: Células endócrinas liberan la molécula señal (hormona) que viaja a Receptores acoplados a proteína G: través del torrente sanguíneo y una vez Los receptores acoplados a proteína G que encuentra a la célula diana reacciona actúan regulando indirectamente la con su receptor. Son comunicaciones actividad de una proteína objetivo relativamente lentas. separada unida a la membrana plasmática, que generalmente es una enzima o un canal iónico. Una proteína trimérica de unión a GTP (proteína G) media la interacción entre el receptor activado y esta proteína diana. Receptores acoplados a enzimas: Los receptores acoplados a enzimas funcionan como enzimas o se asocian directamente con enzimas que activan. Suelen ser proteínas transmembrana de paso único que tienen su sitio de unión al 25 Módulo 2 Señalización celular Prof. Matías Victoria - 2024 ligando fuera de la célula y su sitio polipeptídica que cruza la membrana catalítico o de unión a enzimas en el plasmática siete veces formando una interior. Los receptores acoplados a estructura cilíndrica con un sitio de unión enzimas tienen una estructura para el ligando en el centro. Todos usan heterogénea en comparación con las proteína G para enviar la señal al interior otras dos clases; la gran mayoría, sin de la célula. embargo, son proteínas quinasas o están asociadas con proteínas quinasas, que fosforilan conjuntos específicos de proteínas en la célula diana cuando se activan. Las proteínas quinasas se encargan de activar o inactivar a otras proteínas mediante la fosforilación. Hay dos tipos principales de proteínas quinasas Serina/treonina quinasas: fosforilan La rodopsina es un receptor acoplado a grupos hidroxilo de serinas y treoninas en proteína G que se encuentra en los sus objetivos bastones de la retina humana y es Quinasas tirosina: fosforilan las tirosinas activado por la luz. de las proteínas dianas Cuando una señal extracelular se une a un GPCR, este sufre un cambio conformacional que le permite activar una proteína trimérica de unión a GTP (proteína G) que activa enzimas o canales iónicos en la membrana plasmática. Vía del AMPc Moléculas señalizadoras Los receptores acoplados a proteína G pueden iniciar un sistema que usa a Algunas moléculas señalizadoras AMPc como segundo mensajero. Este es intracelulares, llamadas mensajeros sintetizado a partir de ATP por la enzima secundarios son generados en gran adenilil ciclasa y son destruídos cantidad en respuesta a la activación del rápidamente por AMPc fosfodiesterasas. receptor y viajan hacia otras partes de la Muchas señales extracelulares funcionan célula para enviar la señal. Algunas como aumentando las concentraciones de AMP cíclico y ion Calcio son hidrofílicas y AMPc dentro de la célula. Las señales viajan por el citosol mientras que otras activan GPCR’s que activan una proteína como diacilglicerol son liposolubles y se G estimuladora cuya subunidad alfa se difunden por la membrana plasmática. une y activa la adenilil ciclasa. Otras señales reducen la concetración de AMPc Receptores acoplados a proteína G actuando sobre otros receptores que activan una proteína G inhibidora que (GPCR) inhibe la adenilil ciclasa Vías importantes El AMPc produce sus efectos activando proteínas quinasas dependientes de Los receptores acoplados a proteína G AMPc (PKA’s). Las PKA’s fosforilan son la familia más grande de receptores serinas o treoninas en las proteínas de la superficie celular. Reciben señales dianas regulando su actividad. del medio y de otras células incluyendo El AMPc puede activar un gen que hormonas, neurotransmisores y sintetiza una proteína en particular. Estos mediadores locales. genes activados por AMPc tienen una Los sentidos de visión, olfato y sabor pequeña secuencia regulatoria llamada dependen de estos receptores. Estos CRE (Elemento de respuesta a AMP receptores consisten de una cadena cíclico). Cuando la PKA es activada por 26 Módulo 2 Señalización celular Prof. Matías Victoria - 2024 AMPc, fosforila una proteína reguladora El otro producto, diacilglicerol (DAG) actúa de la transcripción llamda CREB que como un segundo mensajero en la reconoce esta secuencia CREB recruta un membrana plasmática, donde tiene varios coactivador transcripcional llamado CBP roles señalizadores. Actúa en la activación que estimula la transcripción de los genes de la proteína quinasa C (PKC) que objetivos. depende de ion Calcio. El aumento de calcio citosólico inducido por IP3 altera la PKC para que se transloque del citosol a la cara citoplasmática de la membrana plasmática. Ahí se activa por una combinación de calcio, diacilglicerol y un fosfolipido de membrana cargado negativamente. Una vez activada la PKC fosforila proteínas diana que varían dependiendo del tipo celular. El diacilglicerol puede ser separado para producir ácido araquidónico que puede actuar como señalizador o para la síntesis de pequeños lípidos señales llamados eicosanoides Vía de la fosfolipasa C-β Muchos GPCRs actúan a través de proteínas G que activan la enzima fosfolipasa C-beta que se encuentra unida a la membrana plasmática. La fosfolipasa actúa en el fosfolipido inositol fosforilado fosfatidilinositol 4,5-bifosfato (PIP2), que está presente en la mitad interior de la membrana plasmática. La fosfolipasa corta el PI(4,5)P2 para generar los productos inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) y diacilglicerol. La ruta de señalización se divide en dos: El IP3 es soluble en agua y se dispera Los receptores de IP3 y rianodina en el rápidamente por el citosol. Al llegar al RE, RE son estimulados por concentraciones se une y abre canales que dejan el paso bajas a moderadas de Ca2+. Cuando una de Ca2+ (IP3 receptores). El calcio cantidad pequeña de IP3 citosólico activa almacenado en el RE es liberado al receptores IP3 en el RE, la liberación local citosol y aumenta la concentración de de Ca2+ promueve la activación de otros este. La señal se propaga porque el calcio receptores de IP3 y rianodina, resultando influencia la actividad de proteínas en la liberación de más calcio. El feedback intracelulares. positivo genera una onda regenerativa de liberación de calcio que se propaga en la 27 Módulo 2 Señalización celular Prof. Matías Victoria - 2024 célula. Eventualmente la concentración de Ca2+ local inactiva los receptores IP3 y rianodina, deteniendo la liberación de calcio al citosol. Las bombas de calcio reducen la concentración local de calcio citosólico a sus niveles normales. Luego, el feedback negativo desaparece, permitiendo que IP3 induzca otra onda de Ca2+. En algunas condiciones esto se puede ver como óndas oscilatorias de Ca2+ moviendose a través de la célula. Las proteínas objetivo de la calmodulina incluyen las bombas de calcio en la membrana plasmática. Hay una familia de proteínas quinasas llamadas quinasas Ca2+/calmodulina-dependiente (CaM-quinasas) Algunas CaM quinasas fosforilan reguladores de la transcripción como la proteína CREB, activando o inhibiendo la transcripción de ciertos genes. Proteínas G y canales iónicos Las proteínas G pueden activar o inactivar directamente canales iónicos en la membrana plasmática, alterando la permeabilidad iónica y excitabilidad eléctrica de la membrana. Gracias a esto podemos percibir el exterior a través de Calmodulina los sentidos, como el olfato o la vista. La calmodulina es una proteína receptora En el olfato, se usan GPCRs llamados de Ca2+ que transmite la señal de Ca2+. Se receptores olfatorias contenidos en los encuentra en todas las células eucariotas. cilios modificados de neuronas olfatorias. Es una única cadena polipeptídica con Actúan a través de AMPc. Al estimularse cuatro sitios de unión con alta afinidad por por moléculas de aroma, activan una el Ca2+. Cuando se activa por Ca2+ sufre proteína G olfatoria (Golf) que activa un cambio conformacional. No tiene adenilil ciclasa, resultando en un aumento actividad enzimática, funciona uniéndose de AMPc que abre canales catiónicos y activando otras proteínas. regulados por AMPc. Esto permite el paso La calmodulina tiene una forma de de Na+ que despolariza la neurona mancuerna, con dos cabezas globulares olfatoria e inicia un impulso nervioso que unidas por una hélice alfa. Cada cabeza viaja a través del axón hacia el cerebro globular tiene dos sitios de unión para Ca2+. Esta estructura le permite adoptar diferentes conformaciones según la proteína a la que se vaya a unir. 28 Módulo 2 Señalización celular Prof. Matías Victoria - 2024 En la visión, se usa GMP cíclico en lugar encienda la actividad tirosina quinasa de de AMPc. La fototransducción visual es estas colas. Las colas activadas se una de las respuestas más rápidas fosforilan entre sí en varios residuos de mediadas por proteína G conocidas en tirosina. Esto se llama vertebrados. La activación de receptores transautofosforilación. estimulados por la luz causa un aumento La fosforilación de tirosinas en las colas en el nivel de GMPc. Como con el AMPc, del receptor desencadena el ensamblaje la síntesis rápida por guanilil ciclasa y la de un complejo de señalización degradación por gMPc fosfodiesterasa intracelular en las colas. Las tirosinas controla la concentración de GMPc en el recientemente fosforiladas sirven como citosol sitios de unión para señalizar proteínas Los bastones (células fotorreceptoras de que luego pasan el mensaje a otras la retina, responsables de la visión en proteínas. baja condición de luminosidad) pasa una La fosforilación de tirosinas en las colas señal química a una célula nerviosa de la del receptor desencadena el ensamblaje retina, que transmite esta señal a otras de un complejo de señalización células y estas al cerebro. intracelular en las colas. Las tirosinas recientemente fosforiladas sirven como sitios de unión para señalizar proteínas Receptores tirosina quinasas que luego pasan el mensaje a otras (RTKs) proteínas. Vías importantes Muchas proteínas señalizadoras intracelulares pueden unirse a las Hay diferentes tipos de receptores fosfotirosinas en RTK’s activados. acoplados a enzimas, pero los más Amplifican la señal en cadenas de comunes son receptores tirosina quinasas interacciones proteína-proteína. Pueden (RTKs). activar enzimas como la fosfolipasa C-γ El dominio de unión a señal del receptor (PLCγ) que funciona como la fosfolipasa tirosina quinasa está en la superficie C-beta activando la ruta del fosfolípido celular, mi