Biología Celular Alberto MartínePDF 1º Biotecnología Salamanca 2021/2022

BIOLOGÍA CELULAR Salamanca 1º Biotecnología 2021/2022 Alberto Martínez Gómez AM ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca TEMA 1: La célula como unidad básica de los seres vivos ✔ Entidades acelulares ✔ Entidades celulares ✔ Ca...

BIOLOGÍA CELULAR Salamanca 1º Biotecnología 2021/2022 Alberto Martínez Gómez AM ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca TEMA 1: La célula como unidad básica de los seres vivos ✔ Entidades acelulares ✔ Entidades celulares ✔ Características de las células eucariotas ✔ Origen y evolución celular · Entidades acelulares Podemos clasificar las entidades acelulares como aquellas que presentan signos “vitales” intermitentes. Como los priones, viroides y un grupo muy destacado como son los virus. Los priones son unos agentes infecciosos compuestos por una proteína capaz de formar agregados tóxicos. Se trata de proteínas con una estructura secundaria alterada. Un plegamiento incorrecto. No contienen nada de material genético y provocan patologías del tipo de las “encefalías espongiformes”, es decir, un grupo de enfermedades neurodegenerativas letales, que afectan al tejido nervioso de los animales, caracterizadas por la degeneración del tejido cerebral, que adopta forma de esponja, y provoca la muerte del individuo. Un ejemplo es la enfermedad de Creutzfeld-Jakob. En resumen, los priones son unas proteínas mal formadas que pueden llevar a la malformación de otras proteínas y sus consecuentes enfermedades. Los viroides son ARNs desnudos, generalmente circulares (de unos entre 200 y 400 nucleótidos). Utilizan maquinaria celular para replicarse. Estos intervienen en la expresión génica y no codifican proteínas conocidas actualmente. Afectan fundamentalmente a las plantas. Los virus son otras formas de entidades acelulares, causantes de enfermedades, aunque también se pueden usar a nivel de laboratorio como en el proceso de la transducción (transferir ADN desde una bacteria a otra mediante la acción de un virus). Su material genético está recubierto por proteínas (cápsida) e incluso una membrana en algunos casos. Tiene formas variadas de replicación utilizando maquinaria celular. Los virus carecen de metabolismo. Pueden poseer ADN circular o lineal (mono o bicatenario) o ARN lineal (de nuevo, mono o bicatenario). Lo más destacado de los virus es su enzima retrotranscriptasa o transcriptasa inversa (transformar el ARN en ADN). · Entidades celulares Son aquellas que tienen signos vitales continuados. “Teoría celular”: 1. Todos los organismos están compuestos por una o más células. 2. La célula es la unidad estructural de la vida. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca 3. Toda célula proviene de otra existente. 4. Todos los procesos del metabolismo ocurren en las células. Célula: unidad mínima en la que se cumplen de forma continuada todas las características de lo vivo. · Características de las células eucariotas - Individualidad, es decir, posee una estructura bien delimitada. - Moléculas organizadas desafiando la entropía. - Tienen un metabolismo de alto rendimiento. - Son capaces de autorreplicarse, de reproducirse a sí mismas. - Tienen capacidad de responder a estímulos y comunicarse con el medio. - Son capaces de evolucionar mediante la adaptación al medio y sus condiciones. Existen dos tipos de células: CÉLULAS PROCARIOTAS CÉLULAS EUCARIOTAS No posee núcleo y el ADN se encuentra en Tienen núcleo donde se encuentra el ADN una región llamada nucleoide, de manera circular. Pared bacteriana - Ribosomas 70S * Ribosomas 80S * No tienen orgánulos Está perfectamente compartimentada (tiene orgánulos internos, algunos con membrana) No realizan la mitosis Realizan la mitosis y la meiosis Tienen un metabolismo complejo y variado Tienen un metabolismo complejo y variado No poseen citoesqueleto Poseen citoesqueleto que permite el movimiento celular Tienen flagelos diferentes a las de los Poseen cilios y flagelos eucariotas ARNm policistrónico ARNm monocistrónico _ Pueden formar tejidos, órganos y organismos * Los ribosomas 70S y los 80S de los procariotas y los eucariotas, respectivamente, se diferencian en ciertos detalles. Los ribosomas están formados por ARN ribosómico y proteínas asociadas. Aunque la cantidad de ARNr presente en ellos es la misma, son AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca ligeramente diferentes. Además, en los ribosomas de las células eucariotas hay un mayor número de proteínas. La presencia de orgánulos con membrana en las células eucariotas supone la posibilidad de compartimentación: presencia de zonas estancas con diferentes condiciones fisicoquímicas en las que tienen lugar procesos distintos de modo eficiente. La compartimentación celular supone unas condiciones iónicas diferentes, como por ejemplo la diferencia de concentración del ion calcio (Ca2+) entre la mitocondria, el citosol y el retículo endoplasmático rugoso. En la mitocondria y en el RER es mayor ya que se requiere para realizar determinadas funciones o porque se encuentra almacenado. Cuanto más baja es la concentración de Ca2+, menos concentración se necesita para que se dispare. Este también actúa de señalizador químico. Si su concentración fuese muy alta en el citosol, se formarían enlaces de fosfato de calcio, Ca3(PO4)2, procedentes del fosfato inorgánico del ATP, y la célula moriría calcificada. También existen condiciones de pH distintas en cada orgánulo. Cada compartimento (orgánulo) de la célula desarrolla unas funciones específicas de forma eficiente: - El núcleo regula la expresión génica, la exportación de ARN y la importación y exportación de proteínas. - El retículo endoplasmático se encarga de la translocación de proteínas, su modificación y la integración de lípidos de membrana. - Los endosomas distribuyen las proteínas internalizadas para su transporte a otros compartimentos. - Los lisosomas degradan las proteínas internalizadas y las proteínas citosólicas en estrés celular. Las proteínas funcionales del lisosoma proceden de la cara trans del aparato de Golgi. En las células vegetales las funciones de los lisosomas las realiza la vacuola. - La mitocondria es el principal compartimento donde ocurren reacciones del metabolismo energético (respiración aerobia). En la matriz también se producen algunas proteínas. -Los peroxisomas se encargan de realizar procesos oxidativos (𝛃-oxidación de los ácidos grasos y detoxificación del peróxido de hidrógeno). La presencia de compartimentos (coordinados y conectados) supone la aparición de elementos necesarios para preservar la integridad e individualidad de los compartimentos, el desarrollo de sistemas de transporte de elementos entre diferentes compartimentos y mecanismos de señalización que permitan la correcta comunicación entre compartimentos y con el exterior celular. En células eucariotas: PROTISTA FUNGI PLANTAE ANIMALIA Pared celular Algunas Quitina y más Celulosa y más - RE + + + + AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca Mitocondria Normalmente + + + Plastos Algunas - + - Golgi + + + + Lisosomas Normalmente Normalmente Análogos Normalmente Peroxisomas Frecuentes Algunas Normalmente Normalmente Vacuola + + + Pequeño Centriolos Normalmente - Raros + Cilios/flagelos Normalmente - Raros Normalmente · Origen y evolución celular La vida emergió hace unos 3.800 millones de años. Se trata de un sistema químico autosuficiente capaz de experimentar una evolución tipo darwinista: 1. Moléculas sencillas: La Tierra primitiva estaba poblada por moléculas sencillas (según la teoría de Aleksandr Oparin). Miller consiguió, en 1953, recrear las condiciones prebióticas de la Tierra que hicieron posible la formación espontánea de las primeras moléculas orgánicas a partir de estas moléculas sencillas (sopa primordial), con pequeñas descargas eléctricas como fuente de energía. La atmósfera estaba compuesta principalmente por CO2 y N2 con pequeñas cantidades de H2, H2S y CO. 2. Polipéptidos y polinucleótidos: A partir de aminoácidos y nucleótidos surgieron pequeños polipéptidos y polinucleótidos, en un medio compuesto por arcillas, polifosfatos inorgánicos e iones. Al mismo tiempo, se formaron las primeras moléculas anfipáticas como estructuras lipídicas que se dispusieron formando estructuras como micelas, bicapas y liposomas. 3. Moléculas autorreplicantes y autocatalíticas: Según diversas teorías, el ARN sería la primera forma de vida, pues fue la primera molécula en actuar como organizador de las proteínas y de la información genética. A partir de él se desarrollarían los distintos ARNs especializados y el ADN (más estable), que terminaría sustituyendo al ARN como portador de la información genética. Dentro de las membranas biológicas primitivas, surgieron las ribozimas, moléculas formadas por ARN primitivo con propiedades catalíticas y autorreplicantes capaces de unirse a aminoácidos activados. Así las primeras células estarían formadas por una membrana lipídica, ARN y polipéptidos sencillos originados a partir de este ARN. 4. Progenote: Oparin, en 1965, dio a conocer su teoría de la formación del precursor de la primera célula, el progenote. Primero, se formó un protobionte: una gotícula metabólica delimitada por lípidos (microesferas lipídicas). Este constituiría después, por coacervación de otras partículas (unión de polímeros para formar estructuras más complejas), un progenote, el precursor de la primera célula. Según indicaron más tarde otros científicos AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca como Woese y Fox, se trataba de una célula más simple que cualquier célula procariota actual. Este es una microesfera formada por una membrana lipídica, ARN muy primitivo, iones, nucleótidos precursores de proteínas y aminoácidos. Es capaz de realizar procesos metabólicos muy sencillos y compartimentados (autonomía metabólica). 5. Urgenote: Se trató del primer ancestro anaeróbico con el ADN. El incremento de la complejidad de los procesos metabólicos llevados a cabo por los precursores de las primeras células y la evolución del ARN a otros especializados y a ADN darían lugar a su formación. El urgenote es capaz de proliferar y de seleccionar nutrientes a través de su membrana, lo que causa una modificación de su metabolismo. Evolucionan en las primeras células procariotas anaeróbicas, que realizan la glucólisis para autoabastecerse. Aparecen posteriormente las cianobacterias, que sustituyen la glucólisis por la fotosíntesis oxigénica, formándose una atmósfera con oxígeno, una prueba de ello es la formación de estromatolitos (formaciones calcáreas en el mar como resultado de actividad vital de cianobacterias). Ello permite la proliferación de procariotas aeróbicos, con un metabolismo oxidativo, mucho más eficiente que la glucólisis de los procariotas anaeróbicos. 6. Urcariota: Es considerado el ancestro de la eucariota. Lynn Margulis propuso en 1970 la teoría endosimbionte, que explica la formación de la primera célula eucariota. La fagocitosis de células procariotas capaces de realizar la respiración celular y la fotosíntesis por la célula urcariota darían lugar, respectivamente, a las mitocondrias y los cloroplastos, orgánulos exclusivos de células eucariotas (endosimbiosis). Gracias a los mesosomas, mediante invaginaciones de la membrana y por compartimentación, se irían formando los distintos precursores de los orgánulos (incluido el núcleo) de las células eucariotas actuales. La compartimentación hace posible la realización simultánea de varios procesos metabólicos. Estos precursores de las células eucariotas, los urcariotas, crecen y evolucionan hasta convertirse en las primeras células eucariotas. Mitocondrias y cloroplastos poseen ADN, sin embargo, a día de hoy se conoce que son orgánulos semiautónomos porque su material genético no tiene toda la información necesaria para generar todo el contenido que los compone. Como apoyos de la teoría de endosimbiosis en estos orgánulos se puede mencionar que poseen unos ribosomas similares a los de los procariotas; un ADN autónomo, circular y sin histonas; ambos presentan una doble membrana y a su vez entre ellas presentan alguna disimilitud. Marguilis, propuso también que los flagelos eucariotas se adquirieran por simbiosis con bacterias espiroquetas. Al último ancestro común universal se le conoce con el nombre de LUCA (Last Universal Common Ancestor). Se le considera como la primera célula eucariota de la que surgieron las arqueobacterias, las bacterias y las células eucariotas. Entre bacterias y eucariotas, y entre arqueobacterias y eucariotas ha habido muchos intercambios genéticos a lo largo de AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca la evolución, por lo que presentan ciertas características en común. Se barajan principalmente dos teorías sobre el origen del núcleo de las células eucariotas: - Fusión: Eucarionte (procariota con algunos compartimentos) + bacteria - Fusión: Arqueobacteria + bacteria 7. Pluricelularidad: La adhesión y el anclaje de diversas células posibilitó la aparición de colonias celulares donde estas ya no vivían aisladas, sino que desarrollaron mecanismos de comunicación entre ellas. Se polarizaron y se formaron así tejidos que, creciendo y evolucionando, se fueron especializando y coordinando para dar lugar finalmente a órganos y sistemas como el endocrino, nervioso, etc. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca TEMA 2: La membrana plasmática ✔ Concepto ✔ Ultraestructura ✔ Composición química ✔ Estructura molecular ✔ Funciones de la membrana ✔ Modificaciones de la membrana ✔ Origen y biogénesis · Concepto de membrana plasmática: Estructura de naturaleza lipoproteica que delimita un territorio celular concreto y determina la individualidad celular. Es una estructura bien definida y de apariencia constante a ME (microscopía electrónica) en cualquier tipo celular. Este concepto puede ampliarse a todas las membranas celulares. Su grosor varía de una membrana a otra, siendo el grosor estándar de 7.5 nm. La membrana más gruesa es la membrana plasmática. Se habla de ultraestructura de la membrana plasmática porque esta es estudiada desde la microscopía electrónica, ya que no es posible desde la óptica (estructura). En microscopía electrónica, se pueden distinguir 2 zonas densas y otra central que lo es menos. Las zonas más densas coinciden con las partes polares de los fosfolípidos, y las menos densas con las partes hidrofóbicas (apolares) de estos. Las zonas polares forman las 2 hemimembranas de la membrana plasmática, la citosólica (interna) y la externa. Otro factor significativo puede ser que el tetraóxido de osmio (OsO4), también utilizado en el laboratorio como fijador, se deposita en las partes polares de los fosfolípidos, haciendo que se distingan las zonas más densas. La mejor célula para el estudio de la membrana plasmática son los glóbulos rojos (o eritrocitos), ya que carecen de orgánulos y de núcleo en los mamíferos. · Composición química: La membrana plasmática está formada por macromoléculas como lípidos, proteínas y glúcidos. Cada uno aporta una o varias características fundamentales: - Los lípidos, 40% de la membrana, actúan como armazón estructural, y aporta las funciones y características generales (y particulares) de las membranas. - Las proteínas, 52% de esta, aportan las funciones específicas de la membrana. - Por último, los glúcidos, 8%, se encuentran unidos a lípidos y/o proteínas y son determinantes en la función celular. *Las proporciones de cada una de las macromoléculas están tomadas de un eritrocito* AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca Se ha observado que la relación proteínas/lípidos es muy diferente en las distintas membranas. Si bien en la membrana plasmática vegetal la proporción de lípidos es ligeramente mayor (0,9); no ocurriría lo mismo con la membrana plasmática de un hepatocito, siendo la proporción de proteínas mayor hasta en un 50%; o en la membrana mitocondrial interna del mismo, (3,6) donde la proporción de proteínas es mucho mayor que la de los lípidos. Como caso contrario, sirve como ejemplo las membranas de las vainas de mielina (que recubren el axón de las neuronas) en la cual, la relación proteínas/lípidos es de 0,25, lo que significa que hay 4 veces más lípidos que proteínas. Lípidos: Hay 3 tipos de derivados lipídicos presentes en las membranas: fosfolípidos, esteroles y glucolípidos. Los fosfolípidos derivados del DAG (diacilglicerol) están formados por una molécula de glicerol unida mediante reacción de esterificación a 2 ácidos grasos y el tercer grupo alcohol está unido a un grupo fosfato. Este da mayor polaridad a la cabeza que va unida a una molécula nitrogenada (como la colina, etanolamina o la serina) o al inositol. Entre los fosfolípidos derivados del diacilglicerol podemos encontrar algunos como: la fosfatidil etanolamina, fosfatidil colina, fosfatidil serina (-) y fosfatidil inositol (-). Estos dos últimos tienen carga neta negativa y en función de dónde se sitúen en la membrana confieren la carga a un lado u otro. La presencia de ácidos grasos saturados o insaturados resulta fundamental, ya que a mayor número de insaturaciones más fluidez y por tanto mayor permeabilidad que si no los hay. Entre los diferentes tipos de movimientos que realizan los fosfolípidos podemos destacar el desplazamiento lateral en la misma hemimembrana, movimiento de rotación, movimiento lateral de las colas y el flip flop (cambio de hemimembrana, realizado por medio de la enzima flipasa). Gracias a este último movimiento, las dos hemimembranas crecen por igual, pues los fosfolípidos sólo se forman por la hemimembrana interna. Los fosfolípidos se sitúan de forma asimétrica entre las dos hemimembranas. Sin embargo, los que tienen AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca carga negativa siempre se encuentran por dentro, para equilibrar el voltaje negativo del interior celular. Los esfingolípidos se caracterizan por la presencia en ellos de una molécula de ceramida. Esta está formada por 2 ácidos grasos y serina (lo que en los derivados del DAG sería el glicerol). Las ceramidas se sintetizan en la piel, en una capa justo debajo del estrato córneo, el estrato de transición. Distinguimos la esfingomielina (ceramida+fosfato+colina), fosfoetanolamina (ceramida+fosfato+etanolamina) y la fitoesfingosina (muy común en vegetales). Los esteroles son un grupo de lípidos insaponificables, que son muy abundantes en las membranas plasmáticas eucariotas, sin embargo están ausentes en procariotas. El más importante es el colesterol. Este está formado por la unión de un grupo hidroxilo polar a unos anillo esteroideos y una cola hidrófoba. Su grupo polar se sitúa cerca de las cabezas de los fosfolípidos. Se distribuyen de manera equilibrada entre las dos hemimembranas. Su presencia disminuye la permeabilidad de estas, ya que aumenta su dureza y rigidez. Uno de sus componentes, los anillos esteroideos, interaccionan con los ácidos grasos de los fosfolípidos en la región cercana a la cabeza, lo que aporta rigidez. Se distribuyen en proporciones similares entre ambas hemimembranas. Por último encontramos los glucolípidos. Se trata de lípidos con restos hidrocarbonados situados siempre hacia el exterior. Podemos clasificar los glucolípidos como los derivados del DAG (diacilglicerol) y los glucoesfingolípidos. Proteínas: Las proteínas son las moléculas que, generalmente, se encuentran en mayor proporción en las membranas plasmáticas y son las que proporcionan a dichas membranas sus características específicas. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca Las proteínas en las membranas pueden ser integrales (como las proteínas transmembrana), o periféricas. Las proteínas integrales son aquellas que atraviesan la membrana (proteínas transmembrana) y aparecen a ambos lados de los fosfolípidos. Existen proteínas llamadas unipaso ya que atraviesan la membrana una sola vez por completo. Hay proteínas que realizan el paso hasta 12 veces. La composición aminoacídica de las proteínas transmembrana ha de ser tanto polar como apolar, ya que cuando estas atraviesan la membrana están presentes en un medio apolar formado por cadenas de ácidos grasos, por lo que deberán tener aminoácidos con características hidrofóbicas. Las proteínas periféricas pueden estar unidas a otras proteínas mediante uniones electrostáticas (muy débiles) o a lípidos mediante enlace covalente, garantizando una unión estable. Por ejemplo, hay proteínas que cuando se dice que sufren una miristoilación es porque se unen con el ácido mirístico, anclado en la membrana. Las proteínas en la membrana aportan a esta sus características específicas. Estas son distintas según las distintas proteínas: antígenos, receptores, canales y poros, transportadores, enzimas, proteínas G (que intervienen en la señalización celular) o conectores. Algunos ejemplos pueden ser la bomba de Na+/K+ (actúan como transportadoras, bombean activamente Na+ al exterior de las células y K+ hacia el interior, para equilibrar el voltaje negativo) las integrinas (conectan los filamentos de actina intracelulares con las proteínas de la matriz extracelular), los receptores del factor de crecimiento derivado de las plaquetas (une el PDGF extracelular y, en consecuencia, genera señales intracelulares que inducen el crecimiento y la división de las células) y la adenilato ciclasa (tiene actividad enzimática, cataliza la producción de AMP cíclico intracelular en respuesta a señales extracelulares). AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca Glúcidos: Son el componente minoritario de las membranas plasmáticas. Se encuentran unidos a proteínas o a lípidos y aparecen exclusivamente en la hemimembrana externa. Forman el glucocálix. Este tiene funciones importantísimas, como son: · El reconocimiento y la fijación de sustancias · El reconocimiento celular · La estabilización de plegamientos de proteínas de membrana · Relación con los componentes de la matriz extracelular · Propiedades inmunitarias, como son la determinación de los grupos sanguíneos. La unión de un monosacárido a galactosamina determina el grupo B, a N-acetil-glucosamina el grupo A y la no unión a nada el grupo 0. · Estructura de las membranas: El modelo de mosaico fluido fue propuesto en 1972 por Singer y Nicolson y postula para la membrana que esta es fluida debidos los movimientos de lípidos y proteínas y a su asimetría. Además, la bicapa es muy sensible al calor (colas hidrófobas de los lípidos), puesto que con una pequeña variación de temperatura pasa rápidamente al estado geliforme y fluidiforme. Esto es debido a que el punto de fusión de los ácidos grasos es relativamente bajo por las insaturaciones de las cadenas que los forman. A mayor número AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca de insaturaciones, menos estabilidad y más sencillo es romper los enlaces, por tanto menos temperatura necesaria para fundirlos. Existe otro modelo, el de balsas, propuesto por Simons y Ikore en 1997, que mejora y actualiza el modelo del mosaico fluido. Postula que no toda la membrana se mueve por igual, sino que existen balsas o microdominios menos fluidos que el resto de la membrana, pues son más ricas en colesterol y glucoesfingolípidos. En estas zonas fluye todo en conjunto como un todo. La función de las balsas lipídicas es concentrar componentes de la membrana para formar compartimentos funcionales. Poseen proteínas con funciones comunes y complementarias que están más juntas, y por tanto, son más eficientes. La membrana también está regionalizada, puesto que, por ejemplo, en el caso de las células con microvellosidades, hay un mayor predominio de proteínas en la cara apical respecto de la basal; además, presenta uniones a otras células en la cara lateral. Además es asimétrica, pues la hemimembrana citosólica es distinta a la exterior. Solo hay glucocálix en la hemimembrana externa, las cargas negativas predominan en la interna, y los lípidos y las proteínas no están igualmente distribuidos entre ambas hemimembranas. Así en la exterior se encuentran la esfingomielina, glucolípidos, fosfatidilcolina y el colesterol; mientras que la interior cuenta con la fosfatidilserina, fosfatidilinositol y fosfatidiletanolamina. · Funciones de la membrana: - Límite celular - Transporte de elementos - Generación y transmisión de señales bioeléctricas, como en las células musculares y en las neuronas. Sin embargo, hay una diferencia entre ambas células: las neuronas son capaces de integrar varios tipos de señales bioeléctricas y modular las señales, cosa que las musculares no pueden hacer. - Comunicación intercelular - Adhesión intercelular y con la matriz extracelular AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca Transporte a través de la membrana Transporte de pequeñas moléculas: En función del número de sustancias que se transportan, hablamos de varios tipos de transporte: · Uniporte: solo se transporta una sustancia · Cotransporte: se transportan varias sustancias: - Simporte: el transporte se produce en el mismo sentido - Antiporte: el transporte ocurre en distinto sentido En función del lugar por el que atraviesen la membrana las moléculas distinguimos varios tipos de transporte: AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca Difusión simple o pasiva: Las moléculas atraviesan la membrana. Al ser a favor de gradiente (de mayor a menor concentración) no conlleva gasto de energía. Las moléculas que se transportan son: · Moléculas hidrofóbicas como el O2, CO2… pasan muy sencillamente la membrana. · Moléculas pequeñas polares no cargadas. · Moléculas grandes polares no cargadas: como la glucosa, aunque en poca cantidad. Las moléculas polares cargadas, como aminoácidos e iones, no pasan por la bicapa por difusión simple debido a su baja permeabilidad. Hay que destacar que las insaturaciones en los ácidos grasos de los fosfolípidos provocan que la fluidez de la membrana sea mucho mayor. Transporte mediado por proteínas: El transporte pasivo o difusión facilitada, tampoco conlleva gasto energético, pues está a favor de gradiente. Intervienen proteínas de canal (o canales) y proteínas transportadoras (o “carriers”) y los ionóforos. Los canales son proteínas que forman un canal permanente (como su nombre indica) que se abren o cierran en función del cambio conformacional de dichas proteínas. Este cambio puede estar provocado por diversos estímulos: - Ligando: unión de una sustancia determinada - Voltaje: cambio en el potencial de la membrana (como en las neuronas) - Nucleótidos cíclicos: como el AMP y el GMP cíclico - Concentración iónica - Estimulación mecánica Son muy específicos para los iones (hay canales que solo permiten la entrada de calcio y no de sodio, aunque el radio del primero sea mucho mayor, ya que el canal se ajusta al radio de dicho elemento). La velocidad de paso de los iones por estos canales es de 1 millón por segundo. Destacan las acuaporinas que permiten el paso del agua con mucha facilidad. Las proteínas transportadoras o “carriers” no forman un canal en sí. Cuando se les une una molécula concreta a transportar cambian de conformación lo que les permite introducir o expulsar materia de la célula. Los que transportan glucosa son los más abundantes, pero también se suele transportar azúcares, aminoácidos, nucleótidos. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca Los ionóforos son característicos de los procariotas. Son proteínas liposolubles que captan el elemento a transportar y sin cambiar de conformación son capaces de transportarlos al otro lado de la membrana. Hay algunos ejemplos como la gramicidina A o la Valinomicina. Transporte activo: Se produce en contra del gradiente electroquímico, por lo que hay un gasto de energía en forma de ATP o GTP. Hay tres mecanismos de transporte activo: · Bombas iónicas: hay tres tipos generales: - Bombas de clase P: un ejemplo claro de ella es la bomba Na+/K+, la cual utiliza ATP para bombear iones contra del gradiente. Consume el 25% del ATP de un organismo para mantener la homeostasis de los iones Na+, un voltaje de -40V. Expulsa tres iones Na+ e introduce dos K+. La energía se gasta creando el gradiente electroquímico. - Bombas de clase V: se encuentran en la membrana de lisosomas y endosomas. Su función es acidificar el medio bombeando protones H+. - Bombas de clase F: presentes en la membrana mitocondrial interna y en la membrana de los tilacoides de los cloroplastos. Su estructura es al igual que la de tipo V, compleja, con una parte integral y otra periférica o Fo y F1 respectivamente en la que la parte F1 tiene la capacidad catalítica del ATP con 3 subunidades con capacidad de hidrólisis del ATP que van rotando como en las anteriores. Generalmente son transportadores de protones. Ejemplo claro es la ATPasa. · Transporte activo dirigido por canales iónicos: se usa para transportar glucosas o moléculas similares. Aquí el gasto de energía de la célula está en generar un gradiente de sodio al lado exterior de la membrana. · Transportadores ABC (ATP binding cassette): son característicos de procariotas aunque también aparecen en las células cancerígenas. Por medio de la hidrólisis del ATP se produce un cambio conformacional que expulsa aminoácidos, azúcares o péptidos en células procariotas y sustancias como fosfolípidos o productos xenobióticos (que no pertenecen a la célula), como fármacos. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca ·Transporte de macromoléculas: Endocitosis: Hay varios tipos: · Fagocitosis: la célula engloba partículas grandes como restos de células muertas o partículas víricas. Un ejemplo de fagocitosis puede ser la que realizan los macrófagos durante la respuesta inmunitaria. · Pinocitosis: toma sustancias disueltas del medio externo. · Endocitosis mediada por receptor: son capaces de captar sustancias (ligandos) que reconocen los receptores que se sitúan en la membrana y que solo reconocen a unos ciertos tipos de moléculas. Se lleva a cabo mediante el proceso: - La célula crea una invaginación en la membrana, normalmente donde hay balsas lipídicas con un número elevado de receptores que tienen gran afinidad por el ligando. - Se forman fosetas que inducen el pliegue de la membrana. Dichas fosetas se pierden cuando la vesícula se encuentra en el citoplasma y se cierra el hueco formado, por medio de la proteína dinamina. - Para que liberen el ligando, se introducen en la vesícula protones para que se acidifique el interior de esta. - Por último se forman vesículas revestidas con clatrina, (aunque también pueden ser de coatómeros, formado por las unidades básicas COP I y COP II), que es una proteína en forma reticular que envuelve a la molécula. La red está formada por subunidades denominadas trisqueliones (unión de 3 cadenas pesadas y 3 cadenas ligeras) que al polimerizar adquieren una cierta curvatura, lo que va tirando de la membrana, formando la invaginación. · Endocitosis independiente de receptor: los receptores captan cualquier tipo de sustancias, de tal manera que se forman caveolas. Estas caveolas (invaginaciones de la membrana) poseen otras proteínas en forma reticular que las envuelve, las caveolinas 1, 2 y 3. En este tipo de endocitosis no se ha descubierto que se provoque revestimiento. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca Exocitosis: Al contrario que la endocitosis, la exocitosis es el proceso de expulsión de moléculas normalmente procedentes del aparato de Golgi, que están contenidas en vesículas que se asocian a la membrana en un proceso que posee tres pasos: - Aposición - Adherencia a la membrana gracias a proteínas fusogénicas. Ejemplo de ello son las proteínas SNARE, que por medio de la hidrólisis de GTP se produce la fusión de la vesícula más la membrana plasmática. - Fusión, liberando el contenido al exterior Además de expulsar sustancias al exterior, la exocitosis también sirve para renovar la membrana plasmática, con la adición de vesículas a esta. Transcitosis: Este proceso permite a una sustancia atravesar todo el citoplasma de una célula. Ocurren en lugares como el torrente sanguíneo, donde se captan sustancias por endocitosis. Estas, son transportadas por las células endoteliales hasta la célula diana donde va dirigida. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca Modificaciones de la membrana ✔Adhesión (temporal o estable) ✔Comunicación celular Adhesión celular: La adhesión celular es un proceso mediante el cual las células pueden hacer contacto con el medio extracelular u otras células, permitiéndoles regular diversos procesos como la morfología, la proliferación y la migración. Es sumamente importante. No solo tiene funciones de mantener las células juntas sino que pueden intervenir en muchos procesos, como la transcripción. Entre el conjunto de proteínas que participan, se encuentran las integrinas, las selectinas, algunos miembros de la superfamilia de las inmunoglobulinas y las cadherinas. Las integrinas están formadas por dos subunidades 𝝰 (18 tipos, y algunos autores afirman que 20) y 𝛃 (8 tipos). Poseen dos dominios: - Dominio extracelular: que tiene forma de cabeza globular (grupo amino) unidas a cationes divalentes (Ca2+, Mg2+, Mn2+) capaz de unirse a diferentes elementos extracelulares (fibronectina, fibrinógeno…). Esta está conectada a la cola carboxílica por puentes disulfuro. - Dominio intercelular: es relativamente más largo y puede interactuar con diferentes ligandos que son capaces de activar la integrina, provocando así su afinidad por ligando externos. También ocurre a la inversa (señales interior-exterior). AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca Las selectinas son de la familia de las glucoproteínas transmembrana. Son capaces de reconocer y unirse a oligosacáridos específicos presentes en la superficie de otras células, dependientes de Ca2+ para que se produzca la unión. Hay selectinas L o leucocitarias, E o endoteliales y P o plaquetarias. Presentan interacciones heterófilas, es decir se pueden unir selectinas de distinto tipo (L-E, E-P…). Se diferencian entre ellas por su porción extracelular, la longitud y su contenido en calcio. Son también específicas para los distintos tipos celulares. Los miembros de la superfamilia de las inmunoglobulinas son proteínas transmembrana formada por diferentes dominios, cuya función es la de mediar en las uniones célula-célula de linfocitos y otras células inmunitarias, o en los elementos del sistema nervioso. La unión es independiente de Ca2+ y suelen presentar interacciones homofílicas. Por último, las cadherinas son una familia de glucoproteínas transmembrana que median la unión entre células en un proceso que requiere Ca2+. La unión suele producirse entre cadherinas similares presentes en células adyacentes formando dímeros paralelos. Se pueden anclar tanto por su extremo como por sus dominios laterales, hecho que hace que se anclen en mayor o menor medida y con mayor o menor espacio. Las mejor estudiadas son la E (epitelial), N (neuronal) y P (placentaria). En este caso sí se producen uniones homofílicas, es decir, se unen exclusivamente con otras cadherinas de su misma familia. Uniones célula-célula: AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca - Zónula: unión de toda la periferia de la pared (a modo de cinturón), el anclaje ocupa todo el diámetro y perímetro de la célula, por ejemplo la región apical de las células epiteliales del intestino. - Fascia: ocupa solo una zona - Mácula: ocupa solo una zona más pequeña que la fascia, es una unión puntual. Las uniones ocluyentes (o estrechas, tight junction) establecen una unión muy íntima, pues ambas membranas se anclan de manera muy estrecha, y prácticamente las hemimembranas externas de las dos células se ponen en contacto o se fusionan. Destaca la zónula ocluyente, donde el desplazamiento de los componentes de la membrana está limitado. Este tipo de uniones son muy frecuentes en lugares como en las células epiteliales y cardíacas. A pesar de todo, no son uniones fijas. En ocasiones, las células pueden deshacer esa unión (como en el caso de las células cancerígenas, que para liberarse y realizar la metástasis deben romper las uniones ocluyentes). Participan en ella fundamentalmente 3 tipos de proteínas: - Ocludina: mantiene la estabilidad de la unión - Claudina: hay 20 tipos, todas ellas decisivas en la adhesión. Los diferentes tipos de claudina hacen que la unión ocluyente sea más o menos permeable (se ha llegado a distinguir que permiten el paso de iones). - JAM: participan en la adhesión y en la estabilidad de la unión - Hay otras como la nectinas, que participan en la unión, y la afadina y las ZO (1, 2 y 3) que ponen en contacto las ocludinas y las claudinas con los filamentos de actina del citoesqueleto. Normalmente la presencia de este tipo de unión provoca polaridad celular y una regionalización de la membrana, (como ocurre en las células epiteliales del intestino). Además se han detectado una serie de patologías asociadas a las proteínas que forman estas uniones: ·Síndrome de pérdida de magnesio: Claudina 16 · Delección en ratones, muerte embrionaria: afadina · Síndrome de paladar hendido/labio leporino: nectina-1 En las uniones adherentes hay un pequeño espacio, destacamos dos tipos: AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca - Zónula adherente (desmosoma en banda): aparece después de la zónula ocluyente. Intervienen las cadherinas (que se unen entre sí en el espacio extracelular), interactúan con cateninas 𝛂, 𝜷 y p120, que a su vez intervienen de intermediarias para unirse con los filamentos de actina del citoesqueleto, que se unen con otras zónulas adherentes. La catenina 𝜷 y p120 también participan en mecanismos de señalización. Cuando se separa cualquier componente de la unión, las cateninas 𝜷 envían una señal al núcleo. - Mácula adherente (desmosoma): la estructura es similar al de la zónula adherente, aunque con algunas diferencias: Las cadherinas que forman las uniones son de un tipo especial (desmogleína y desmocolina, ambas muy específicas). Relacionada con la desmogleína está el pénfigo foliáceo, enfermedad ampollosa mediada por autoanticuerpos en la cual los anticuerpos frente a la desmogleína 1 determinan la pérdida de adhesión de los queratinocitos en las capas superficiales de la epidermis, formándose ampollas. Las cateninas 𝛂, 𝜷 y p120 se sustituyen por la placoglobina, la placofilina y la desmoplaquina. Cumplen la misma función que las primeras, sin embargo, en vez de contactar con los filamentos de actina del citoesqueleto contactan con filamentos intermedios del mismo (que son mucho más gruesos). Los tipos anteriores de proteínas están en mayor proporción que los presentes en las zónulas adherentes, de tal forma que forman una especie de placa densa visible en microscopía electrónica, son más densas a los electrones. · Uniones célula-matriz: Intervienen principalmente las integrinas. Dos tipos: - Adhesiones focales: son uniones puntuales transitorias de las células con el sustrato. Ocurren cuando la célula quiere desplazarse. Esta ancla a los elementos de la matriz para desplazarse gracias a los filamentos de actina (es fundamental por ejemplo en el desarrollo embrionario). Esta provoca una entrada de información del exterior que puede determinar procesos como la adhesión, la proliferación o la supervivencia. Cuando se establece la unión entre las diversas células y el medio hay algunos tipos de proteínas intermediarias (Focal Adhesion Kinase) que envían al núcleo información para que este sepa que la unión está activa. Estas proteínas FAK intervienen en procesos de fosforilación que desencadenan una cadena de reacciones que termina en la regulación de la expresión génica. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca - Hemidesmosomas: se trata de uniones permanentes de la célula con la lámina basal de la matriz extracelular. En ellas, las integrinas y la BP180, a través de las proteínas que forman la placa de los desmosomas (desmoplaquina, placoglobina, placofilina), se unen a los filamentos intermedios de queratina, en el interior celular, y a los filamentos de laminina y colágeno en el exterior. · Comunicación intercelular: Las uniones GAP (o uniones en hendidura) pueden aparecer en cualquier lugar de la membrana. No se encargan de la adhesión intercelular, por lo que no hay que incluirlas en los tipos de unión. Están formadas por conexinas. Estas son proteínas integrales de la membrana. En seres humanos se han identificado 21 tipos que se engloban en tres familias que son específicas de células y tejidos diferentes. Los conexones son 6 conexinas dispuestas concéntricamente dejando un poro central de 1,5 nm. Pueden abrirse o cerrarse ante la presencia de determinados ligandos. Estas son ensambladas en el aparato de Golgi, no en la superficie celular. La unión Gap queda formada cuando los conexones de una célula se unen con los de otra. Por ello, tienen que existir sistemas de regulación para que los conexones aparezcan en los lugares enfrentados en las células. El mecanismo de las uniones Gap no se sabe con exactitud, sí se sabe que es un mecanismo muy dirigido y que son menos selectivas que los canales iónicos. Permiten la difusión de moléculas menores a un KDa (kilodalton) entre células adyacentes. Se cree que son susceptibles de regulación de su apertura por fosforilación de las conexinas y/o cambios en la concentración iónica. Son importantes en diversos tejidos como el tejido nervioso (durante la sinapsis eléctrica), el tejido muscular (contracción, sobre AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca todo en el tejido cardíaco), tejidos vasculares (conexión metabólica) y durante el desarrollo embrionario (señales hormonales). Entre las patologías asociadas a elementos de las uniones Gap encontramos la sordera por el no intercambio de K+ (conexina Cx26/𝜷1), neuropatías desmielinizantes de Charcot-Marie-Tooth (conexina Cx32/𝜷1) o las cataratas en el cristalino (conexinas Cx46/𝛂3; Cx50/𝛂8). Por otra parte, en las células vegetales, encontramos los plasmodesmos. Estos permiten la comunicación celular, mediante el paso de sustancias entre dichas células a través de la pared celular. Son estructuras que atraviesan la pared celular y conectan los citoplasmas de ambas zonas. Están formados por túbulos de RE, los desmotúbulos, y una pequeña región del citoplasma que conecta las células adyacentes, estos se forman durante la citocinesis de la división celular en vegetales. Hay algunos factores que regulan la apertura y el cierre de estos canales (como por ejemplo la infección por un patógeno de dicha célula). AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca TEMA 3: El núcleo ✔ Concepto ✔ Características generales ✔ Composición general ✔ Ultraestructura ✔ Transporte ✔ Cromatina ✔ Nucléolo ✔ Ribosomas · CONCEPTO: Podemos definir el núcleo como el orgánulo característico y diferencial de las células eucariotas, siendo el centro rector de la actividad celular, en el que se llevan a cabo procesos como la replicación del ADN o la transcripción de este a ARN. Controla la herencia, diferenciación y la actividad de la célula. Se encuentra limitado por la lámina nuclear, 2 membranas que forman la envuelta nuclear (la membrana nuclear externa, MNE, y la membrana nuclear interna, MNI) entre las cuales queda un espacio intermembrana de entre 10 y 50 nm. · CARACTERÍSTICAS GENERALES: 1. La apariencia de la cromatina varía en función de la fase del ciclo celular en la que nos encontremos, presentándose como tal en interfase (en la que además también se distingue el nucléolo) y condensada en forma de cromosomas durante la división. 2. El número de núcleos varía. Normalmente poseen un solo núcleo (mononucleadas), aunque algunas células son binucleadas (hepatocitos) o multinucleadas, que según cómo se formen distinguimos varios tipos: a. Sincitio: provienen de varias células uninucleadas fusionadas en las que después desaparecen las membranas plasmáticas que las separan (como ocurre en las células del tejido muscular estriado esquelético), formando decenas o incluso cientos de núcleos. b. Plasmodio: se produce por varias divisiones nucleares sin división posterior del citoplasma, sin citocinesis. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca 3. El núcleo tiene posición y morfología variable, que dependerá de los tipos celulares. Los núcleos pueden presentar escotaduras (como en los monocitos). También existen núcleo poliglobulados, es decir, un solo núcleo con distintos glóbulos unidos entre sí. · COMPOSICIÓN QUÍMICA: ⚝ ¿Por qué el ARN posee un porcentaje tan bajo en la envuelta nuclear? Debido a la presencia de ribosomas, los ARN atraviesan la membrana nuclear para ser traducidos. · ULTRAESTRUCTURA: ENVUELTA NUCLEAR Está formada por: · Membrana nuclear externa (6-8 nm): podría considerarse una continuación del retículo endoplasmático rugoso. Su composición proteica es similar a la de las membranas de este, aunque además posee proteínas de anclaje para elementos del citoesqueleto y ribosomas asociados. · Cisterna perinuclear (10-50 nm): que se comunica con la luz del retículo endoplasmático. · Membrana nuclear interna (6-8 nm): presenta proteínas integrales específicas (Emerina, LBR… ) que se unen a los filamentos que constituyen la lámina nuclear. Cuanto más internas las membranas, más delgadas son. Durante la mitosis la envoltura nuclear se desintegra y va a formar parte del retículo endoplasmático. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca LÁMINA NUCLEAR Consta de una red de filamentos intermedios en contacto con la membrana nuclear interna (MNI) que son determinantes en la integridad mecánica, tamaño y forma del núcleo celular, así como en la localización de los poros nucleares. También parece tener papeles decisivos en el anclaje de la cromatina a ella. Está formada en su mayoría por filamentos intermedios de la clase V, que se denominan láminas, (de 10 nm de diámetro). Estos filamentos se ensamblan y desensamblan por procesos de fosforilación (si se fosforilan se desensamblan y viceversa, por medio de la enzima fosfatasa, que elimina el grupo fosfato). Participa en procesos de regulación o silenciamiento de genes durante la replicación y la transcripción del ADN. La heterocromatina que no se transcribe queda unida a la lámina nuclear. Mutaciones en los genes que codifican la lámina nuclear dan lugar a enfermedades graves como la “Progeria de Hutchinson-Gilford”, trastorno genético progresivo que acelera el envejecimiento de los niños. Tipos de láminas · Tipos A y C: provienen del mismo gen y se diferencian a través del splicing alternativo de ARNm. Aparecen en células completamente diferenciadas y pueden presentar modificaciones en diferentes tejidos. · Tipos B: B1 y B2: están presentes en todas las células nucleadas. Gracias a un proceso de isoprenilación postraduccional (adición de grupos prenilo, moléculas hidrofóbicas, a una proteína) se asocian a proteínas de la membrana interna como Emerina o LBR (Laminin B Receptor), para poder inducir la formación de la nueva lámina tras la división celular, teniendo solo que polimerizar las láminas A y C. Funcionan como un apoyo mecánico a la envuelta nuclear, constituyen lugares de unión para las fibras de cromatina, intervienen en la regulación de procesos como la replicación y la transcripción del ADN, ensamblan y desensamblan la envuelta nuclear durante los procesos de división de la célula y determina la localización de los poros nucleares. Uniones Los dos tipos de láminas se asocian a diferentes proteínas ancladas a la MNI (unas 12) y a otras solubles en el Nucleoplasma (LAP-2 tipo A). · Con la cromatina, gracias a un tipo concreto de proteínas intermediarias. · Con el citoesqueleto, gracias a las proteínas intermediarias como nesprina y SUN, mediante las que se establece una unión directa entre la lámina y el AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca citoesqueleto. La nesprina se une con filamentos de actina, mientras que la SUN con microtúbulos. Esta interacción citoesqueleto-lámina determina, entre otras cosas, la posición del núcleo en la célula. Es muy importante, puesto que gracias a este mecanismo de conexión la información del exterior celular puede llegar al núcleo. El proceso de polimerización de las láminas se lleva a cabo por desfosforilación. Dos láminas se unen asociándose por sus cabezas y entrelazando sus colas formando un dímero. Estos se asocian paralelamente entre sí para formar el polímero. Varios polímeros se vuelven a unir paralelamente, formando filamentos. En su conjunto, estos filamentos forman una especie de malla, la lámina nuclear. Proceso contrario es el de la despolimerización de las láminas, mediante fosforilación, la cual se inicia por la activación de la enzima CDk (Kinasa dependiente de ciclina), que cobrará gran importancia en la división celular. Se realiza de diferente manera dependiendo del tipo de lámina: - Láminas A y C: los filamentos de las láminas se desensamblan por la fosforilación, quedando sueltos en la célula los dímeros de las láminas con restos de fosfato. - Láminas B (B1 y B2): al estar isopreniladas, tras la fosforilación, los dímeros de láminas B que se obtienen quedan unidos a restos de la membrana nuclear interna. Desensamblaje de la envuelta nuclear: Gracias a un proceso de fosforilación (el grupo fosfato hace que no se puedan unir), por la activación de la CDk (Kinasa dependiente de ciclina), al final de la fase G2, se produce la despolimerización de las láminas, lo que produce la desaparición de la envuelta nuclear cuando va a tener lugar un proceso de división (las ciclinas regulan cuando pasa la célula de fase durante la división celular), formando pequeñas vesículas. Las láminas A y C se liberan, aunque las láminas B quedan unidas a las vesículas derivadas de la desaparición de la MNI. Esto último tiene gran importancia puesto que las láminas B sirven como soporte para repolimerizar la nueva lámina nuclear. Posteriormente, AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca se desensamblan los poros nucleares y se fosforilan las proteínas integrales de membrana, se libera la heterocromatina y el núcleo como tal desaparece. Patologías asociadas: · Distrofia muscular o de Emery-Direfuss, provocada por una mutación en el gen de la Emerina. · Distrofia esquelética o de Greenberg: mutación en el receptor de L.B. · Síndrome de la progeria de Hutchinson-Gilford: mutación en el gen de la Lámina nuclear. POROS NUCLEARES: Son complejos macromoleculares situados en la envoltura nuclear a través de los cuales tiene lugar el paso de distintos elementos entre el núcleo y el citoplasma y viceversa. Poseen una estructura octamérica. Donde hay poros nucleares no hay lámina nuclear ni heterocromatina asociada a esta. Están formados por nucleoporinas, 30 tipos que aparecen repetidos varias veces, se clasifican según su función: - De anclaje: unen el complejo a la envuelta nuclear. - Estructurales - Nucleoporinas FG: son decisivas en el funcionamiento del complejo del poro. Tienen repeticiones de fenilalanina y glicina dispuestas hacia el interior del canal de manera desordenada, y forman una malla hidrofóbica que impide la libre difusión de moléculas mayores de 9 nm (a pesar de que el tamaño del canal es notablemente superior). Algunas pueden sufrir cambios de conformación o reordenamiento que hacen que el diámetro de la abertura del poro modifique su diámetro. Son fundamentales en el transporte. Estructura: · Andamiaje: que fija el complejo a la envoltura nuclear. · Anillo citoplasmático: del que surgen ocho filamentos citoplasmáticos. · Nucleoporinas FG: recubren el conducto, con sus dominios FG desordenados extendidos hacia la abertura, formando una malla hidrofóbica. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca · Anillo nuclear: del que surgen ocho filamentos que forman la canasta nuclear. ⚝· TRANSPORTE NÚCLEO-CITOPLASMA: Es el proceso o conjunto de procesos mediante los cuales se intercambian sustancias entre el interior del núcleo y el citoplasma. Es un proceso fundamental para el funcionamiento de la célula. Tipos · Difusión pasiva: solo pasan partículas de hasta 9 nm. No requiere energía · Transporte mediado por señal: (requiere energía). Intervienen las carioferinas que pueden ser de dos tipos: - Importinas: reconocen en el elemento a transportar una señal de localización nuclear o NLS, para introducir dicho elemento en el núcleo. Esta señal está formada por aminoácidos básicos (como la lisina) unidos en una misma secuencia o separados por otros aminoácidos. - Exportinas: similar a las importinas pero hace que las sustancias sintetizadas en el núcleo se transporten al exterior. Reconocen una señal de exportación celular (NES). También intervienen otro tipo de carioferinas, las proteínas RAN. Estas son una familia de proteínas G monoméricas asociadas a GTP (en el núcleo) o a GDP (en el citoplasma) y que son decisivas en el transporte núcleo-citoplasmático. La transición entre las dos formas está mediada por: - Ran GEF (Guanine exchange factor): factor de intercambio de nucleótidos y guanina, en el núcleo. - Ran GAP: proteína activadora de GTPasa, en el citoplasma. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca La asociación a GTP/GDP en función de si entran o salen del núcleo nos lleva a hablar del ciclo RAN-GTP/RAN-GDP: La RAN-GDP entra en el núcleo mediante el complejo de poro y por acción de RAN-GEF y con gasto de energía toma un grupo fosfato pasando a ser RAN-GTP. Esta molécula sale del núcleo asociada a la molécula a transportar y a una exportina. En los filamentos citoplasmáticos del poro interacciona con la RAN-GAP, liberando un nuevo grupo fosfato y pasando a ser RAN-GDP de nuevo. IMPORTACIÓN: Se importan proteínas ribosomales y nucleolares, histonas, factores de transcripción y factores de replicación. · Señales de localización nuclear (Fundamentalmente compuestas por aminoácidos básicos con secuencia única). 1. Las moléculas que van a ser importadas contienen NLS, que es reconocida por una importina. 2. El complejo molécula+importina reacciona con los filamentos citoplasmáticos del poro. 3. Las interacciones con diferentes nucleoporinas FG, van dirigiendo el complejo molécula+importina hacia la cestilla nuclear del poro para acabar finalmente en el núcleo. 4. En el núcleo, el complejo molécula+importina se disocia debido a la unión de Ran-GTP a la importina. Así, queda la molécula libre y, por otra parte, la importina unida a Ran-GTP. Posteriormente, la importina debe ser enviada al citoplasma para realizar un nuevo ciclo. A partir de estas fases, ya hablamos realmente de una exportación: 5. El complejo importina-Ran-GTP es transportado hacia el citoplasma a través de interacciones con las nucleoporinas FG. 6. Asociada a los filamentos citoplasmáticos se encuentra Ran-GAP que hidroliza un grupo fosfato del Ran-GTP convirtiéndolo en Ran-GDP. 7. Esto hace que Ran-GDP y la importina pierdan afinidad, el complejo se desestabilice y la importina quede, de nuevo, libre en el citoplasma. 8. Ran-GDP pasa al núcleo, donde es transformado en Ran-GTP por la actividad de Ran-GEF. EXPORTACIÓN: 1. Las moléculas a ser exportadas contienen NES que es reconocida por una exportina. 2. El complejo molécula+exportina es reconocido por Ran-GTP, que se une también al complejo. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca 3. Las interacciones con diferentes secuencias FG presentes en las nucleoporinas van dirigiendo el complejo molécula+exportina+Ran-GTP hacia los filamentos citoplasmáticos del poro para acabar finalmente en el citoplasma. 4. En los filamentos citoplasmáticos del poro se sitúa Ran-GAP que, al pasar por el complejo, se hidroliza un grupo fosfato y se transforma en Ran-GDP. Esto hace que se pierda afinidad entre los elementos del complejo y se disocien. 5. La exportina posteriormente es importada al interior nuclear. EXPORTACIÓN NUCLEAR DE ARNm: Son transportados asociados a proteínas formando complejos ribonucleoproteicos. · Los ARNm una vez procesados en el núcleo, se asocian a un complejo de, al menos, 20 proteínas. · Los heterodímeros formados por NXF1 (factor 1 de exportación nuclear) y NXT1 (transportador 1 de exportación nuclear) se unen al ARNm y funcionan como factores de exportación nuclear. · Los dímeros de NXF1 y NXT1 interaccionan con las secuencias FG de las nucleoporinas del poro. · La helicasa Dbp5, con la hidrólisis del ATP, elimina los complejos NXF1 y NXT1 y otras proteínas quedando el ARNm en condiciones de ser traducido. · Además, a lo largo del proceso de exportación se van eliminando las proteínas a las que está asociado. Este proceso es independiente del RAN. NXF1 y NXT1 son realmente los factores que intervienen en el transporte. REGULACIÓN DEL TRANSPORTE NÚCLEO-CITOPLASMA: Hay señales que hacen que en un determinado momento no sea necesaria la importación de según qué sustancias. Para ello un factor IkB bloquea la NLS, provocando que la importina no reconozca la molécula y no entre al núcleo. En otras ocasiones otros factores fosforilan algunos elementos de la NLS, de tal manera que las importinas no son capaces de reconocer dicha molécula. · CROMATINA: · Eucromatina (90%): cromatina en estado descondensado. Es transcripcionalmente activa. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca · Heterocromatina (10%): cromatina condensada. Es inactiva o muy poco activa, es decir, no se transcribe o lo hace muy poco. Suele estar asociada al nucléolo y a la envuelta nuclear (salvo en los lugares donde se localizan los poros nucleares). Podemos distinguir dos tipos: - Facultativa: cromatina inactiva de forma específica en diferentes fases de la vida o en determinados tipos celulares que puede llegar a descondensarse en diferentes momentos de la vida del organismo. - Constitutiva: permanece en estado compactado durante todo el ciclo celular en todas las células. Suele contener el ADN de telómeros y centrómeros y secuencias repetidas. Aparece localizada fundamentalmente en regiones periféricas del cuerpo. NIVELES DE EMPAQUETAMIENTO: · Nucleosoma o collar de perlas: nivel mínimo de empaquetamiento del ADN. Un tramo de ADN en doble hélice de unas aproximadamente 150 pares de bases (pb) se asocia a un octámero de histonas de cuatro tipos diferentes (H2A, H2B, H3 y H4). Las histonas son dinámicas (sobre todo en su extremo amino) de modo que dejan accesible el ADN a las numerosas enzimas con las que interactúa. El grosor mínimo del collar de perlas es de 11 nm mientras que el de la hebra de ADN es de 2 nm. Posteriormente se descubrió que se puede asociar una histona más, la H1, dando lugar al cromatosoma (nucleosoma+H1). Este agrupa 168 pares de bases, y el lazo internucleosómico, 40-80. Igualmente, no aparece esta configuración de forma natural en el núcleo. Se descubrió que existía por la adición de diferentes sustancias químicas. Cobran gran importancia las modficiaciones de las histonas: así una metilación (CH3-) ayudará a la condensación de la cromatina, una acetilación (CH3CO-) ayudará a la descondensación de esta. · Solenoide: el ADN forma una hebra de unos 30 nm de longitud. En él, los cromatosomas se enrollan de 6 en 6 formando el solenoide. Es una de las formas en las que se encuentra la eucromatina (que es transcripcionalmente activa por lo que necesita estar poco empaquetada). · Regiones SAR en la cromatina: Son regiones no codificantes conservadas en el genoma que son capaces de interaccionar con proteínas no histónicas. Estas uniones contribuyen a un nivel de empaquetamiento superior al de 30 nm. · Andamio proteico del cromosoma: se produce cuando el solenoide se enrolla alrededor de unos ejes de proteínas no histónicas, dando lugar a bucles de 300 nm de diámetro. Así es como se encuentra la heterocromatina (10% de la cromatina) que es transcripcionalmente inactiva. · Cromosomas: los complejos proteína SMC mantienen la estructura del cromosoma. Hay varios tipos: AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca - Metacéntricos: el centrómero se sitúa en la mitad del cromosoma, por lo que ambas cromátidas presentan longitudes similares. - Submetacéntricos: la longitud de una cromátida es ligeramente mayor que la de otra. - Acrocéntricos: una cromátida es notablemente mayor que otra. - Telocéntricos: sólo se aprecia una cromátida pues el centrómero está localizado en el extremo del cromosoma. TERRITORIOS CROMOSÓMICOS: Normalmente se piensa que los cromosomas en el núcleo mitótico están ordenados aleatoriamente. Sin embargo cada par de cromosomas homólogos se distribuye en una zona concreta del núcleo. Además, se ha comprobado que en el núcleo hay lugares donde se regula la expresión génica. Cuando los genes van a ser expresados, la cromatina que codifica esos genes se encuentra en lugares muy específicos del núcleo (normalmente cerca del centro de este) donde se piensa que se encuentra la maquinaria necesaria para que esto pueda realizarse. Los lugares de represión de la expresión genética se encuentran cerca de la lámina nuclear. OTROS TIPOS DE CROMOSOMAS: · Cromosomas politécnicos: se descubrieron en la glándula salival de la mosca del vinagre (Drosophila). Pueden llegar a tener hasta 1024 cromátidas. Esto es posible gracias a un proceso de endomitosis, proceso en el que hay numerosas duplicaciones de ADN pero sin que se lleguen a separar. · Cromosomas plumados: los cromosomas homólogos están unidos. Hacia los lados de cada cromosoma aparece ARN en transcripción. Esto ocurre en la profase I de la meiosis, en la producción de oocitos. Esto ocurre para que cuando el óvulo sea fecundado, pueda tener suficiente material para poder generar el embrión en fecundación externa. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca ·NUCLÉOLO: · Se puede definir como la manifestación de actividad del núcleo. Es el lugar donde ocurren la transcripción y el procesamiento del ARNr y la formación de las subunidades ribosomales. · No se rodea de ninguna membrana y se organiza alrededor de las regiones de los cromosomas. Tienen las regiones organizadores nucleolares (genes para sintetizar ARNr presentes en unos cromosomas concretos). · Durante la división celular desaparece puesto que la región organizadora nucleolar queda empaquetada, no siendo necesaria la síntesis de proteínas. · COMPOSICIÓN: · Proteínas (70-90%): son lo más abundante debido a que los ribosomas se forman en su mayoría por ribonucleoproteínas. · ARNr (10-30%): donde incluimos: - ARN transcrito en el nucléolo (por la ARNpol I): ARNr 28S, 5,8S y 18S. - ARN transcrito fuera del nucléolo (por la ARN pol III): ARNr 5S. · ADN (2%): que es el que codifica el ARN. · ORGANIZADOR NUCLEOLAR: En humanos estos genes se encuentran en 5 cromosomas diferentes. En ellos, los genes que los codifican se repiten varias veces y están separados por un ADN espaciador que no se transcribe (es una secuencia no codificante). La parte que contiene los genes del organizador nucleolar confluye en una zona determinada del núcleo, formando el nucléolo. En la maduración intervienen el ARNpn. En ella el pre-ARNr, que en principio es de 45S, se divide en fragmentos de 28S, 18S y 5,8S. Estos fragmentos junto con el fragmento de 5S que viene de otra parte del núcleo y junto con ribonucleoproteínas forma la subunidad mayor del ribosoma. · PARTES DEL NUCLÉOLO: · Organizador nucleolar/centro fibrilar: es menos denso a los electrones que el resto del nucléolo. Contiene el ADN con los organizadores nucleolares. Es el lugar de la síntesis del ARNr. · Parte fibrilar/componente fibrilar denso: es más denso a los electrones en microscopía electrónica. Rodea el centro fibrilar. Son fibrillas de ARN de entre 5 y 8 nm. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca · Parte granular/componente granular: intermedio entre ambos. Posee gránulos densos de 15-20 nm, aunque su densidad a los electrones es intermedia entre los dos. Lugar de procesamiento del ARNr. · EXPORTACIÓN DE SUBUNIDADES RIBOSÓMICAS: · Subunidad 40S: se exporta conteniendo un ARN 20S que sufre modificaciones posteriores, convirtiéndose definitivamente en 18S. Su síntesis y ensamblaje en el núcleo es muy rápido y se exporta en poco tiempo. · Subunidad 60S: el procesamiento y ensamblaje en el núcleo es mucho más lento y complejo. Además, el tiempo para su exportación también es mayor. Durante su maduración de las subunidades se generan sitios de unión para adaptadores de la exportación como Nmd 3 que es reconocido por la exportina 1. A las subunidades a exportar se les unen diversos factores para realizar la exportación, entre ellos el NXT1, como en los ARNm. Dichos factores interaccionan con los dominios FG de las nucleoporinas y se produce la exportación en un proceso independiente de RAN. · CUERPOS NUCLEARES: Son lugares específicos, dentro del núcleo, de asociación de proteínas y ARNs implicados en la síntesis, ensamblaje y almacenamiento de la maquinaria necesaria para la expresión génica. Entre ellos destacan: · Cuerpos de Cajal: al microscopio los detectamos con fibralarina o con colina. · GEMS: (cuerpos de géminis de Cajal). · Speckles: se detectan con gránulos de intercromatina. · RIBOSOMAS: Los ribosomas son unos orgánulos sin membrana formados por dos subunidades de ARNr y proteínas. Estas subunidades ribosomales se forman en el núcleo y únicamente se unen durante el proceso de traducción (por lo que su función es la de síntesis de proteínas), que ocurre en el citoplasma. Pueden encontrarse asociados a la envuelta nuclear, a la membrana del RER, libres en el citoplasma, en la matriz de las mitocondrias o en el estroma de los cloroplastos. Sus estructuras son ácidas, que miden en torno a 25 nm y tienen unos 4200 KDa de peso. Su número depende del tipo celular y de su necesidad por producir proteínas. Hay una variación morfológica entre los ribosomas de procariotas y de eucariotas, no solo la diferencia en tamaño. En el aspecto de microscopía electrónica aparecen como puntitos muy densos a los electrones, de tamaño homogéneo. · SÍNTESIS DE PROTEÍNAS: AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca La fase de la síntesis proteica tiene varias etapas: 1. Iniciación: la subunidad pequeña del ribosoma se une a la cadena de ARN en la secuencia 5’, donde reconoce la caperuza de metil-guanosina trifosfato. Posteriormente se une el aminoacil-ARNt-transferasa (ARNt unido a un aminoácido) al ARNm. Después se acopla la subunidad grande para formar el complejo ribosomal o complejo activo. 2. Elongación: los aminoácidos transportados por los diferentes ARNt se van uniendo a otros provocando el crecimiento del péptido formado. 3. Terminación: unos factores de liberación provocan que se libere la cadena peptídica, momento en el que el ARNm y las subunidades ribosómicas se separan. · POLISOMAS/POLIRRIBOSOMAS: Normalmente, a cada ARNm se acoplan multitud de ribosomas formando una cadena de polirribosomas, aunque a veces se opta por que un ribosoma transcriba un mismo gen varias veces. Los polisomas normalmente tienen una forma helicoidal, gracias a una serie de factores que ponen en contacto la caperuza de metil guanosina trifosfato invertida metilada en el nitrógeno 7 del extremo 5’, con la cola de poliA en el extremo 3’. · DESTINO DE LAS PROTEÍNAS: · Proteínas sintetizadas en ribosomas libres en el citosol: tienen como destino el núcleo y otros orgánulos como mitocondrias, cloroplastos o peroxisomas, aunque también pueden quedars en el citosol para formar parte del citoesqueleto. Todas las proteínas formadas llevan unos péptidos de señalización que permiten al orgánulo reconocer dicha proteína. Estas proteínas además no tienen puentes disulfuro ya que la proteína que crea dichos puentes no es funcional en condiciones de pH del citoplasma (disulfuro isomerasa). · Proteínas sintetizadas en los ribosomas adheridos a la membrana del RER: son casi siempre glucoproteínas que tienen como destino ser secretadas al exterior celular. Para ello, la proteína entra en el retículo endoplasmático. Las proteínas sintetizadas pueden ir dirigidas a la membrana plasmática, a la formación de vesículas o de lisosomas. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca · PROTEÍNAS QUE INTERACCIONAN CON LAS PROTEÍNAS FORMADAS: · Chaperonas: familia de proteínas de pequeño tamaño que participan en el proceso de síntesis proteica, concretamente en el proceso de plegamiento de la proteína (pues la funcionalidad de las proteínas se debe a la conformación tridimensional). Normalmente detiene o retrasa el plegamiento de las proteínas manteniéndolas lineales, para que puedan introducirse en orgánulos, etc… aunque hay otros tipos que inducen su plegamiento. Por ejemplo, la proteína que vaya a entrar en la matriz mitocondrial, se mantiene lineal gracias a las chaperonas citosólicas. Las presentes en la matriz ayudan a su plegamiento. · Ubiquitinas: se unen a proteínas defectuosas para marcarlas como tal y ser degradadas en el proteosoma. Este posee unos receptores en los extremos que detectan ubiquitina. En el interior posee el proteosoma 20S, formado por 4 subunidades formadas por proteasas, donde se separan los péptidos mal plegados en aminoácidos para que puedan ser reutilizados. Una manera de detectar que una proteína está mal plegada es que en un medio hidrofílico, como es el citoplasma, es muy raro que una proteína exhiba en su superficie aminoácidos hidrofóbicos, lo que nos indica que la proteína está mal plegada. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca TEMA 4: Sistema de Endomembranas ✔ Retículo endoplasmático ➔ Definición ➔ Estructura y ultraestructura ➔ Composición química ➔ Funciones ✔ Aparato de Golgi ➔ Concepto ➔ Composición química ➔ Funciones ✔ Lisosomas ✔ Vacuolas vegetales El sistema de endomembranas es un sistema a través del cual la célula procesa materiales en diferentes compartimentos y los traslada, bien a otros compartimentos, o bien al exterior celular, empaquetados en el interior de vesículas (secreción y renovación de membrana). Paralelamente existe un vía endocítica, conectada con este sistema, que provee a la célula de materiales tomados del exterior. Son compartimentos limitados por una unidad de membrana. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca · RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO Orgánulo formado por un conjunto de túbulos y cisternas que ocupan aproximadamente el 10% del volúmen celular (aunque esto es variable de un tipo celular a otro). Existen dos tipos: el retículo endoplasmático liso y el retículo endoplasmático rugoso. Ambos interconectados entre sí. Características 1. Puede fenestrarse, es decir, dejar huecos en los que haya otros orgánulos. 2. Su membrana tiene 7 nm de grosor, siendo más delgada que la plasmática al no poseer glucocálix. 3. El lúmen, que es el espacio interior del retículo, mide unos 30-50 nm de ancho. 4. La cantidad de RE y la proporción entre los dos tipos varía en función del tipo celular y la necesidad que tenga de sintetizar distintas moléculas como lípidos o proteínas. FUNCIONES DEL RE: Pueden intercambiar sus funciones y convertirse en RE del otro tipo en función de las necesidades celulares. En general, las funciones del retículo endoplasmático son: Estructurales: - Interacción con el citoesqueleto Morfogénicas - Envuelta nuclear - Plasmodesmos Metabólicas - Síntesis y exportación de lípidos y proteínas - Detoxificación - Recambio y formación de membranas - Secreción celular · RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO RUGOSO (RER): Es considerado la continuación de la membrana nuclear externa y ocupa un 95% del volúmen celular en células productoras de proteínas, distribuyéndose uniformemente por todo el citoplasma. Posee ribosomas adheridos a las paredes por la acción de diferentes proteínas (riboforinas). Su estructura consta de sáculos o cisternas aplanadas. Entre sus funciones destacamos la síntesis de algunos carbohidratos, proteínas, y la glucosilación de estas (modificación inicial de las proteínas por la adición de carbohidratos). AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca · Péptido señal: secuencia específica de aminoácidos que determina el lugar donde se sintetiza una proteína y su orgánulo de destino. Esta secuencia de aminoácidos está cerca del extremo amino terminal de las proteínas y hace que el polipéptido emergente y el ribosoma que lo está sintetizando se dirija y se ancle a la membrana del retículo endoplasmático. Se ha demostrado que todas las proteínas poseen de alguna u otra manera un péptido señal. TRANSLOCACIÓN: Es el paso de proteínas producidas por los ribosomas al interior del retículo. Podemos distinguir dos tipos de translocación: - Cotraduccional: los ribosomas están asociados a la membrana del RER. Las proteínas, según son sintetizadas, se van introduciendo en el lúmen de este. - Postraduccional: la traducción ocurre en los ribosomas libres en el citoplasma. La proteína, una vez producida, se introduce en el interior del RER. TRANSLOCACIÓN COTRADUCCIONAL: Intervienen factores como la partícula de reconocimiento de la señal (SRP) formado por ARN y 6 proteínas; el receptor SRP en la membrana del RER; canal de translocación, el translocón y la peptidasa señal en la cara interna de los sacos del retículo. 1. La síntesis proteica comienza en un ribosoma libre en el citoplasma. Cerca del extremo N-terminal de la proteína aparece una secuencia de entre 6 y 15 aminoácidos hidrofóbicos (péptido señal), precedidos por 1 o 2 aminoácidos con carga positiva. 2. El péptido señal es reconocido por la SPR, ribonucleoproteína formada por 6 polipéptidos y un pequeño ARN (7S). 3. Se produce la formación del complejo SRP-péptido señal-ribosoma, con la unión de la SRP al péptido naciente y al ribosoma y se detiene la traducción de la proteína. 4. El complejo formado se une al receptor de SRP (heterodímero formado por dos subunidades 𝛼 y 𝛽), que se encuentra en la membrana del RER. Cuando esto ocurre, la subunidad 𝛼 capta GTP y se refuerza la unión entre el complejo y el receptor. 5. El complejo también interacciona con un translocón (que es un complejo multiproteico Sec61𝛼, Sec61𝛽 y Sec61𝞬 y que está formado por dos semicilindros con capacidad de estar cerrados formando un solo cilindro o estar abiertos, permitiendo que la proteína pase) situado en la membrana del retículo. 6. Se separa el SRP del complejo y el péptido señal interacciona con el translocón, que se abre y permite el paso de la proteína. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca 7. Continúa la síntesis de la proteína atravesando el translocón. Cuando el péptido señal llega a la luz del retículo, la peptidasa señal corta el péptido señal. 8. A medida que el resto de la proteína va entrando en la luz, se van uniendo diversas chaperonas (BIP) que, con la hidrólisis de ATP, impulsan el paso del péptido hacia la luz. 9. Una vez finalizado el paso de la proteína, se produce la disociación del complejo y el cierre del translocón, quedando la proteína dentro del RER. 10. Las proteínas se asocian con chaperonas para facilitar su correcto plegamiento y posteriormente sufrirán modificaciones como glucosilaciones o establecimiento de puentes disulfuro. TRANSDUCCIÓN DE PROTEÍNAS CON UN PASO TRANSMEMBRANA: Más o menos a la mitad de su proceso de síntesis aparece una secuencia que permite que dicha proteína quede adosada a la membrana. El proceso es el siguiente: · Aparece la secuencia de la detención de la transferencia-anclaje, secuencia de 22 aminoácidos hidrofóbicos, que provoca que el translocón se abra lateralmente. Esto hace que los aminoácidos interaccionen con la parte apolar de los fosfolípidos de la membrana, quedando allí insertados. *Las proteínas no siempre tienen el extremo carboxilo hacia el interior y el amino hacia el exterior. * · El translocón se cierra y la síntesis de la proteína continúa hacia el citoplasma. Hay gran variabilidad con relación a este proceso. La síntesis de las proteínas multipaso (con varios pasos fragmentos incluidos) en la membrana es similar a las de las unipaso, salvo porque la proteína posee varias secuencias de detención de la transferencia-anclaje. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca PROTEÍNAS ANCLADAS A LA MEMBRANA POR ANCLAS GPI: Las proteínas ancladas a la membrana por anclas de glucosil-fosfatidil-inositol (formadas por dos cadenas de ácidos grasos unidas a una molécula de inositol) se sintetizan como proteínas transmembrana normales. Sin embargo, siguen un proceso diferente: Una transaminasa corta el extremo N-terminal en una región cercana al paso transmembrana y traslada la proteína a un ancla preformada de GPI. Este tipo de anclaje permite una mayor movilidad de las proteínas. Además, las proteínas que poseen este tipo de anclaje pueden liberarse fácilmente de la membrana. Un ejemplo de ventaja de esta situación es la unión entre los linfocitos y los patógenos gracias a interacciones proteína-proteína. Cuando el patógeno tiene anclada las proteínas de esta forma, al producirse la unión con el anticuerpo libera la proteína y se aleja. MODIFICACIONES DE LAS PROTEÍNAS: · N-glucosilación: (en residuos de asparagina en secuencias Asn-x-Ser o Asn-x-Thr). En el proceso, una molécula de dolicol posee un oligosacárido unido a él. Gracias a la enzima oligosacariltransferasa, este oligosacárido se une a una cadena lateral de un aminoácido de asparagina gracias a un enlace N-glucosídico. Normalmente tiene lugar en proteínas transmembrana. Las glucosas que tenía unidas el oligosacárido se pierden cuando este se une a la proteína. Esas glucosas son la señal para que la oligosacariltransferasa sepa que el oligosacárido está completamente formado. · Otras modificaciones: - Empaquetamiento y correcto plegamiento de las proteínas: la chaperona Bip y otras chaperonas participan en el correcto plegamiento. - Establecimiento de puentes disulfuro, gracias a la acción de la proteína disulfuro isomerasa en la luz del retículo. Son frecuentes en las proteínas sintetizadas en el RER, y raros en las proteínas sintetizadas en el citosol. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca CONTROL DE CALIDAD: 1. Inicialmente se eliminan 2 restos de glucosa. 2. Varias chaperonas (calnexina y calreticulina, entre otras) eliminan un nuevo resto de glucosa y proceden a realizar el plegamiento. 3. Diferentes sensores del plegamiento determinan si se ha realizado de forma correcta (por ejemplo, la ausencia de regiones hidrofóbicas en la superficie). 4. En caso de mal plegamiento puede añadirse de nuevo una glucosa y repetir el ciclo. 5. Ante la imposibilidad de alcanzar un buen plegamiento, el complejo EDEM1 elimina los residuos de manosa y la proteína es, mediante el sistema ERAD (degradación asociada al RE) exportada al citosol para su degradación. * Asimetría de las membranas: proteínas y lípidos glucosilados en la luz del sistema de endomembranas quedarán hacia el exterior en la superficie celular. · RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO LISO (REL): Está formado por cisternas en forma de tubo y se distribuye uniformemente por todo el citoplasma igual que el rugoso. Ocupa el 95% del volúmen celular en células productoras de lípidos (como en las células de Leydig, que se sitúan en los testículos). Entre sus funciones destacamos la síntesis de lípidos, hormonas esteroideas, secuestro de calcio en las células musculares y la detoxificación (oxidación de compuestos para ser eliminados). COMPOSICIÓN QUÍMICA: Varía según sea rugoso o liso. En general: Membrana: - Lípidos (30%): tienen colas cortas y muy insaturadas, con poco colesterol, lo que permite una mayor fluidez de la membrana. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca - Proteínas (70%): receptores de ribosomas (riboforina) en RER, enzimas de translocación y de glucosilación de proteínas, enzimas relacionadas con el metabolismo lipídico, NADH y NADPH reductasas, citocromos b5 y p450. Luz o lúmen: - Peptidasa señal - Disulfuro Isomerasa (la que crea los puentes disulfuro en las proteínas) - Chaperonas - Precursores proteicos inmaduros - Peroxidasa FUNCIONES DEL REL: SÍNTESIS Y MODIFICACIÓN DE LÍPIDOS: La mayor parte de los lípidos de membrana se sintetizan en el REL salvo: - Esfingomielina y glucolípidos (que se sintetizan en el RE-golgi). - Algunos lípidos de membranas mitocondriales y de cloroplastos son sintetizados en sus propias membranas. Las enzimas que participan en la biosíntesis de fosfolípidos son proteínas integrales de membrana del RE con su lugar activo dirigido hacia el citosol. Los fosfolípidos recién sintetizados se insertan en la hemimembrana citosólica. Posteriormente, unas enzimas llamadas flipasas intercambian fosfolípidos entre ambas hemimembranas gracias a un movimiento denominado flip-flop. EXPORTACIÓN DE FOSFOLÍPIDOS DESDE EL REL A OTRAS MEMBRANAS: Se realiza a través de la proteína intercambiadora de fosfolípidos. Esta proteína tiene una parte interna hidrofóbica que le permite captar el fosfolípido y poder transportarlo a través del medio hidrofílico de la célula. Este mecanismo de transporte desde la zona en la que se sintetiza hasta los orgánulos de destino es un mecanismo altamente regulado, aunque no se ha identificado el proceso. TRANSFORMACIONES RER-REL: En función de las necesidades de la célula, el RER puede transformarse a REL (por ejemplo si hay necesidad de detoxificar muchas sustancias) o viceversa (cuando la célula necesita gran cantidad de proteínas). AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca TRÁFICO VESICULAR: Estos movimientos de cargas se realizan a través de vesículas, que pueden viajar entre orgánulos en un sentido u otro. Cuando se fusiona una vesícula con una membrana, no solo vierte el contenido que lleva la vesícula sino que la membrana de la vesícula pasa a formar parte de la membrana del orgánulo. Del retículo endoplasmático parten vesículas con elementos a la cara cis del golgi. A medida que las sustancias pasan por los diferentes sáculos del aparato de Golgi tiene lugar la maduración y el empaquetamiento y clasificación de los elementos que pasan por él (proteínas normalmente). Una vez que el contenido llega a la cara trans, puede ir a tres vías diferentes, dos de las cuales son vías secretoras (vierten su contenido al exterior y las vesículas se unen con la membrana): · Formación de vesículas lisosomales (lisosomas primarios): que contienen hidrolasas ácidas para la degradación de moléculas. · Secreción regulada: Sólo se produce la liberación cuando es necesaria una determinada sustancia (ej: la insulina cuando hay mucha cantidad de azúcar) · Vía secretora constitutiva: se produce continuamente. Vierten el contenido al exterior de manera continuada. TRANSPORTE DE PROTEÍNAS Y LÍPIDOS DESDE EL RE: Las vesículas que emergen desde el RE se fusionan formando un compartimento intermedio entre el RE y el Golgi llamado CIREG. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca VESICULACIÓN: Las vesículas que van del RE al Golgi llevan un contenido específico, seleccionado antes de formar la vesícula. El proceso es el siguiente: · Unos receptores en la membrana interna reconocen a su ligando específico (selección de la carga). Estos receptores se encuentran unidos en su parte externa a unas proteínas adaptadoras. · Estas proteínas adaptadoras ponen en relación los receptores con los elementos de la cubierta. · A las proteínas adaptadoras se les unen otras proteínas que forman la cubierta (clatrina, COP I = Coatómero, COP II = coatómero II…) que inducen la curvatura de la membrana. · Hay GTPasas de dos tipos (ARF y SAR1) que dirigen el ensamblaje y desensamblaje de la cubierta. * El gasto de energía tiene lugar en el acercamiento de las membranas porque la fusión de estas es instantáneo. · Además, hay proteínas SNARE que identifican la procedencia de la vesícula y el destino de la misma. Su funcionamiento es el de llave-cerradura. TIPOS DE CUBIERTA: · Clatrina: se forma por la polimerización de trisqueliones. Reviste las vesículas originadas en la membrana plasmática y las que viajan del Golgi al endosoma. Las proteínas ARF-GTP dirigen el ensamblaje de la cubierta. AMG ⚝ Biología Celular 1º Biotecnología Salamanca · COP I: está formada por coatómeros. Al igual que en la clatrina, la proteína ARF-GTP dirige el ensamblaje y desensamblaje de la cubierta. Reviste las vesículas que viajan en dirección retrógrada en el aparato de Golgi y las que viajan del aparato de Golgi al RE. COP II: la proteína SAR1 dirige el ensamblaje y desensamblaje de la cubierta. Reviste las vesículas que viajan desde el RE al aparato de Golgi. * Las vesículas que van unidas a proteínas dinámicas de microtúbulos, no suelen ir libres en el citoplasma. RECONOCIMIENTO VESÍCULA-DIANA: La identidad de las vesículas y su reconocimiento por parte del orgánulo o membrana destino viene marcado por un mecanismo universal mediado por las proteínas SNARE. Una vez que las vesículas han perdido la cubierta, en la cara citosólica de las vesículas quedan accesibles unas proteínas transmembrana (vSNARE) que indican la identidad de la vesícula y determinan la membrana con la que han de fusionarse. En la cara citosólica de la membrana diana se encuentran otras proteínas transmembrana (tSNARE) que reconocen específicamente las vSNARE que deben contener las vesículas para fusionarse con ellas (es decir, que solo reconoce un tipo concreto). En caso de no ser reconocida, la fusión no se producirá. RECUPERACIÓN DE PROTEÍNAS RESIDENTES EN EL RE: Es bastante común que algunas enzimas luminales del retículo (que se encuentran en la luz del mismo) entren por error en las vesículas que van al Golgi. Si bien la vía normal es en sentido al Golgi, la vía retrógrada se usa para recuperar enzimas importantes en el retículo o por algún error. El CIREG, que se encuentra entre el RE y el aparato de Golgi, tiene la función de captar los elementos que deben volver al RE. Esto también ocurr