Apuntes de Biología Celular (PDF)

BIOLOGÍA CELULAR Tema 1. La célula La vida apareció en la Tierra hace unos 3800 millones de años. Se trata de un sistema químico autosuficiente, capaz de experimentar una evolución darwinista. Diferenciamos entre entidades acelulares y entidades celulares. Entidades acelulares: no muestran signos vitales continuados. - Priones: agentes infecciosos compuestos por una proteína cuya estructura secundaria ha sido alterada, es decir, tiene un plegamiento incorrecto y carentes de material genético. Son capaces de formar agregados tóxicos, causando patologías como las encefalopatías espongiformes. - Viroides: moléculas de ARN desnudos, generalmente circulares y formados por entre 200 y 400 nucleótidos. Interfieren en la expresión genética, dando lugar a proteínas desconocidas. Infectan principalmente a plantas. - Virus: formados por cadenas de ADN o ARN circular o lineal, bicatenario o monocatenario. Su material genético está recubierto por proteínas que forman la cápsida e incluso por una membrana. Tiene formas variadas de replicación utilizando la maquinaria celular y carecen de metabolismo propio. Entidades celulares: muestran signos vitales continuados. Robert Hook descubre la célula en 1665 y en la segunda mitad del siglo XVII Anton Van Leewenhoek observa a través del microscopio animaliculos en gotas de agua, sangre… La teoría celular es desarrollada por Schleiden, Schwann y Virchow. - Todos los organismos están compuestos por una o más células. - La célula es la unidad estructural de la vida. - Toda célula proviene de otra preexistente (aunque se creía falso hasta que Pasteur desmintió la teoría de la generación espontánea). La célula es la unidad mínima en al que se cumplen de forma continuada todas las características de lo vivo: - Individualidad: tiene una estructura bien delimitada. - Sus moléculas organizadas desafiando la entropía. - Tiene un metabolismo complejo de alto rendimiento. - Autorreplicación. - Responde a estímulos y se comunica con el medio. - Tiene capacidad de evolucionar. Hay dos tipos de células: procariotas y eucariotas. PROCARIOTAS: Hay dos tipos de células procariotas: las arqueobacterias y las bacterias. Las arqueobacterias son extremófilas y poco comunes hoy en día. En cambio, las bacterias son los organismos procariotas más comunes hoy en día, habiendo una gran variedad de ellas. Características de las células procariotas: - Poseen membrana y pared bacteriana (de polisacáridos y péptidos). - Ribosomas 70s. - Un nucleoide, zona del citoplasma donde se encuentra el material genético (ADN bicatenario circular). Carecen de núcleo. - ARNm policistrónico, capaz de sintetizar varias proteínas, algo que no ocurre en células eucariotas. - Flagelos con estructura distinta a la de los flagelos eucariotas. - No hay mitosis como tal, ya que no se forma el huso acromático. - No hay orgánulos membranosos ni citoesqueleto. - Metabolismo complejo y variado. A los mesosomas se les atribuyen distintos orígenes: errores en la preparación de la muestra o estructuras con función metabólica. EUCARIOTAS: Características de las células eucariotas: - Material genético rodeado por una envuelta nuclear, formando el núcleo. - Material genético complejo, asociado a proteínas (histonas) para formar cromosomas. - Llevan a cabo procesos de división celular: mitosis y meiosis. - Poseen compartimentación interna (orgánulos con membrana, núcleo…), lo que supone una ventaja a la hora de mantener la condiciones fisicoquímicas necesarias para determinados procesos. La compartimentación supone la necesidad de comunicar y coordinar entre sí cada parte de la célula, lo que da lugar a la aparición de elementos con este fin, como el citoesqueleto. - Todos los transportes se realizan mediante vesículas salvo los transportes al núcleo, ya que, este se hace por los poros nucleares. (Preguntas examen) Componentes de la célula eucariota: - Membrana plasmática (bicapa de fosfolípidos y proteínas). - Citoplasma: o Citosol (medio acuoso del citoplasma) o Orgánulos: ▪ Sin membrana: ribosomas y centriolos. ▪ Una membrana: sistema endomembranoso (retículo endoplasmático liso y rugoso, aparato de Golgi, endosomas, lisosomas), vacuolas y peroxisomas. ▪ Dos membranas: plastos y mitocondrias. o Inclusiones. o Citoesqueleto. - Núcleo: o Envuelta nuclear (membrana nuclear interna y externa, poros nucleares, lámina nuclear…). o Nucleoplasma (medio interno del núcleo, similar al citosol). o Cromatina (material genético descondensado). o Nucleolo. Las células eucariotas están polarizadas. Esto se debe a la ordenación específica de los orgánulos de la célula. Por ejemplo, en las células epiteliales del intestino delgado, encontramos una cara apical con cilios, mientras que la cara basal está en contacto con el tejido conjuntivo y es donde se encuentran el RE y el núcleo. ORÍGEN Y EVOLUCIÓN CELULAR El origen de la vida en la Tierra se remonta hasta hace 3800 millones de años. En ese entonces, las características que hicieron posible la aparición de formas orgánicas fueron la presencia de agua y la atmósfera de la Tierra, donde se encontraba gran parte de esta agua. La atmósfera de la Tierra se debe a la fuerza gravitatoria que el planeta ejerce sobre los gases que se encuentran en él. Además, la distancia entre el Sol y la Tierra es la ideal para la aparición de la vida. A partir de una atmósfera reductora y gracias a cianobacterias, pasamos a una atmósfera oxidante, rica en oxígeno. Esta atmósfera facilita la vida, aunque supone una desventaja para los organismos, por lo que estos se oxidan, los llamados ROS Moléculas sencillas > Polipéptidos y polinucleótidos > Ribozimas (moléculas autorreplicantes y autocatalíticas) > Progenote (primera célula, con ARN) > Urgenote (desarrollan los primeros compartimentos internos) > Urcariotas (ancestros eucariotas) > Pluricelularidad. MOLÉCULAS SENCILLAS Oparin trata de definir cuáles eran las condiciones de la atmósfera primitiva, es decir, las condiciones prebióticas (CO2, N2, H2S, CO). Para ello, elaboró la teoría de la sopa primordial, que demostró con un experimento (simular las condiciones prebióticas para luego administrarle descargas eléctricas). En este experimento, Oparin obtuvo moléculas orgánicas simples. POLIPÉPTIDOS Y POLINUCLEÓTIDOS Stanley Milley logró aislar, a partir de una disolución con la composición de los océanos primitivos y con descargas eléctricas, algunas moléculas orgánicas, que solían ser aminoácidos sencillos y algunas moléculas equiparables a nucleótidos. Más tarde, se originaron los lípidos, en los que una cadena hidrófila se unió a una parte polar, originando una molécula anfipática. RIBOZIMAS Cuando una serie de moléculas anfipáticas se disponen en el medio se pueden dar lugar a dos tipos de moléculas: micelas y liposomas. Los liposomas dentro tienen un medio hidrofílico, en el que se pueden quedar atrapadas ribozimas (ARN), dando lugar a las células primitivas. Las ribozimas evolucionaron, pudiendo interaccionar con aminoácidos, originando moléculas más y más complejas, que darían lugar a diferentes tipos de ARN. Más tarde apareció el ADN, lo que supuso un gran salto evolutivo, ya que este es más estable que el ARN. PROGENOTE O PROTOBIONTE Oparin propuso la idea de la coacervación, la unión de distintos tipos de moléculas (por atracciones electrostáticas) dando lugar a lo que él llamaba gotículas metabólicas. Más tarde, se denominó progenote a las gotículas. Los progenotes son solo microesferas proteinoides que contienen sustancias almacenadas. En cambio, los protobiontes tienen además autonomía metabólica. URGENOTE Son los ancestros anaerobios de los procariotas (sin necesidad de O2, por lo que su rendimiento energético es bajo). Poseen ADN y membranas especializadas que les permiten la selección de nutrientes. Siguieron varias rutas metabólicas: - Heterótrofos: o Anaeróbicos: asimilan sustancias del medio sin O2. o Aerobios: obtienen energía por la oxidación de compuestos orgánicos. - Autótrofos: realizan la fijación de CO, en compuestos orgánicos a partir de radiación solar y de SH2 o de H2O (fotosíntesis) u otros compuestos, por lo que se libera O2 a la atmósfera. URCARIOTA Se produjeron invaginaciones en la membrana que dan lugar a expansiones en el interior de la célula que originaron estructuras con membrana simple. En las células eucariotas el RER y el núcleo están conectados La teoría endosimbiótica, desarrollada por Lynn Margulis, explica la formación de las células eucariotas. Tanto los plastos como las mitocondrias (seres heterótrofos aerobios) proceden de procariotas aerobios que establecieron endosimbiosis con el organismo que los fagocitó: un procariota anaerobio. Así, los organismos comenzaron a incorporar oxígeno a su metabolismo. Las mitocondrias surgen de la endosimbiosis con procariotas aerobios capaces de realizar la respiración celular. Los cloroplastos surgen de la endosimbiosis con un procariota fotosintético, lo que permite obtener materia orgánica a partir de luz solar y dióxido de carbono. La simbiosis se mantiene porque la célula hospedadora retiene material genético de la célula fagocitada, dando lugar a una relación de dependencia. Puntos que apoyan la teoría endosimbiótica: - Ribosomas de mitocondrias y cloroplastos muy similares a los de procariotas (70s). - ADN autónomo, circular y sin histonas. - Doble membrana, una de ellas procedente de la vesícula autofágica (la externa, la membrana plasmática de la célula que los fagocitó) y otra la propia del organismo fagocitado (la interna). - La membrana interna de las mitocondrias posee mecanismos que bombean protones, de maneras similar a las procariotas. PLURICELULARIDAD Las células procariotas no dan lugar a organismos pluricelulares, aunque pueden agruparse formando colonias (agregados de células) en las que no existe especialización. Las células eucariotas se agrupan formando tejidos, agrupaciones de células que desarrollan una función concreta, gracias a la especialización celular (la especialización implica procesos de polarización, adhesión y coordinación celular). También se crea la matriz extracelular, que conecta los tejidos. La coordinación celular es regulada por el sistema nervioso y el sistema endocrino. A partir de un ancestro común (LUCA) se producen una serie de ramificaciones evolutivas. Siempre se pensó que las arqueobacterias estaban más lejos del proceso evolutivo que las bacterias, pero no es así. (Se pensó que de las arqueas derivarían las bacterias procariotas, no obstante, se sabe que ambas evolucionaron a la vez). Las arqueobacterias habitan en ambientes extremos en los que hay pocos elementos para sobrevivir, como pueden ser medios acidófilos, termófilos, helófilos, vivir dentro de otros organismos… Las eubacterias incluyen micoplasma, cianobacterias, espiroquetas, clamidias… Las eucariotas se dividen en protistas (menos evolucionados y unicelulares), metafitas (plantea/ reino de las plantas), metazoa (animalia/ reino de los animales) y fungi (hongos). Tema 2. Las membranas celulares La membrana es una estructura de naturaleza lipoproteica que presenta una organización más o menos constante y que delimita un territorio celular concreto, determina la individualidad celular. El grosor aproximado de la membrana plasmática es de 7,5 nm. El grosor de las membranas disminuye a medida que nos adentramos en la célula. La membrana plasmática se forma a partir del sistema de endomembranas, aunque por lo general su grosor es superior al de estas. La membrana no es una estructura fácilmente visible mediante microscopia, es más, no son visibles mediante microscopia óptica. La membrana se intuye, puesto que delimita la célula. Para observarla se usa tetróxido de osmio, acetato de uranio y citrato de plomo , que se adhiere a las cabezas de los fosfolípidos. Composición química: - Lípidos: aportan el armazón estructural a la membrana, al igual que sus funciones y características generales y particulares de las membranas. - Proteínas: aportan las funciones específicas (reconocimiento celular, canales de transporte…) de las membranas. - Glúcidos: unidos a lípidos y/o a proteínas (glucoproteínas o glucolípidos) son determinantes en la función celular. Por ejemplo, los glúcidos son importantes para la adhesión celular. La composición estándar de la membrana plasmática es: 52% proteínas, 40% lípidos y 8% glúcidos (estudio en eritrocitos, ya que prácticamente carecen de orgánulos, por lo que obtener la membrana es sencillo). En una membrana plasmática vegetal, la proporción entre proteínas y lípidos es de 0,9; en la membrana plasmática de los hepatocitos es de 1,5, vaina de mielina: 0,25 y en el extremo contrario, la membrana mitocondrial interna de los hepatocitos: 3,6. En resumen, la proporción varía según el tipo celular. LÍPIDOS Los lípidos están formados por una parte hidrófila (las cabezas polares) y por una parte hidrófoba (las colas de ácidos grasos). De esta manera, la parte hidrófila se sitúa hacia el exterior de la membrana y la lipófila hacia dentro. Por ello se habla del carácter anfipático de los lípidos. En medio acuoso los lípidos adquieren tres estructuras: - Bicapa lipídica (como la membrana) - Micelas (monocapas) - Liposomas (bicapas lipídicas con contenido hidrófilo) Hay dos grandes grupos de lípidos, los fosfolípidos (70-80%), que pueden derivar del diacilglicerol (DAG) o ser esfingolípidos. Los esteroles (20-25%), que no existen en bacterias. También están los glucolípidos, fosfolípidos unidos a glúcidos. Por ello existen también los glucoesfingolípidos. FOSFOLÍPIDOS: - Derivados del diacilglicerol (DAG): están formados por glicerol, dos ácidos grasos, un grupo fosfato (que aporta polaridad junto con el glicerol) y una base nitrogenada (colina, etanolamina, serina…) o un monosacárido. Los restos acilo (ácidos grasos) son de longitud variable, aunque suelen ser de cadenas más largas en animales que en vegetales; además, pueden ser ácidos saturados o insaturados. Las insaturaciones son fundamentales en las membranas, ya que dichas insaturaciones dan lugar a ángulos en los brazos de los fosfolípidos, favoreciendo la fluidez y permitiendo que distintas sustancias atraviesen las membranas. Los cuatro fosfolípidos derivados del DAG: fosfatidil etanolamina (carga total neutra), fosfatidil colina (carga total neutra), fosfatidil serina (carga negativa) y fosfatidil inositol (carga negativa). - Esfingolípidos: en vez de glicerol poseen serina y en vez de dos ácidos grasos, uno de ellos es sustituido por un alcohol de cadena larga. El grupo formado por la serina, el ácido graso y el alcohol (esfingosina) se le conoce como ceramida. La ceramida puede llevar unidos el grupo fosfato y otras moléculas, como la colina (esfingomielina o fosfocolina), la etanolamina (fosfoetanolamina). La fitoesfingosina (la más frecuente en vegetales). -Las ceramidas son fundamentales a la hora de proporcionar impermeabilidad a nuestra piel, cuando se nos arruga la piel en los baños, es debido a que el jabón arrastra las ceramidas y el agua nos pasa a la piel y como no toda esta está unida al tejido conjuntivo, algunas partes se estiran y otras quedan pegadas. ESTEROLES: - Abundan en eucariotas, pero son inexistentes en las procariotas. - Son más abundantes en la membrana plasmática que en otro tipo de membranas. Son el colesterol, que abunda sobre todo en animales y el estigmasterol y el fitoesterol, que abundan en vegetales. - El colesterol está formado por un grupo hidroxilo polar, anillos esteroideos y una cola hidrofóbica. - Los esteroles se distribuyen de manera equilibrada entre las dos hemimembranas. - Su presencia disminuye la permeabilidad de la membrana, incrementa su dureza. Los anillos esteroideos interaccionan con las colas de fosfolípidos en la región cercana a la cabeza (más rigidez). La cabeza polar del colesterol interacciona con la cabeza polar de los fosfolípidos. A bajas temperaturas el colesterol evita una mayor rigidez de la membrana, pues evita el empaquetamiento de los fosfolípidos. GLUCOLÍPIDOS (lípidos con restos hidrocarbonados situados hacia el exterior): - Derivados del DAG: o En bacterias y vegetales. o Tienen restos de Gal o Glc. o En animales: galactosilpalmitoilglicerol. - Glucoesfingolípidos: o Exclusivos de animales. o Derivados de esfingolípidos. o Glúcidos de tamaño y composición variable. DISTRIBUCIÓN DE LOS ELEMENTOS EN LA BICAPA (la bicapa lipídica es asimétrica, es decir la membrana externa y la interna son asimétricas debido a la disposición de lípidos) - Fosfolípidos: los fosfolípidos con carga negativa suelen estar en la cara interna de la membrana plasmática, mientras que los de carga neutra se disponen de manera más aleatoria, aunque abundan en la cara externa. Como resultado, el interior de la célula tiene carga negativa. Las flipasas son enzimas que permiten que los fosfolípidos cambien de posición. - Esteroles: se distribuyen en proporciones similares entre ambas hemimembranas. - Glucolípidos: aparecen exclusivamente por la hemimembrana externa. Por lo tanto, las vesículas tienen glúcidos en el interior para que al fusionarse queden por fuera. La parte glucídica de la molécula está orientada hacia el exterior de la membrana plasmática y es un componente fundamental del glucocálix, donde actúa en el reconocimiento celular y como receptor antigénico. PROTEÍNAS Hay varios tipos de proteínas, que pueden ser muy simples, pasando solo una vez a través de la membrana o más complejas con varios pasos. Además, pueden estar asociadas a las membranas, unidas a los lípidos o a otras proteínas. Clasificación: - Según su localización: o Proteínas integrales o transmembrana: atraviesan las membranas de lado a lado, unipaso o multipaso. Una parte de la proteína es hidrófila, siendo la que se encuentra fuera de la membrana, mientras que la que se encuentra en el interior de la membrana es al fracción lipófila. o Proteínas asociadas con la membrana: proteínas g, que se encuentran en el interior celular unidas de forma muy débil y cuando llega algún neurotransmisor a la célula, estás proteínas se liberan al interior celular (Ej: cóclea en el oído) o Proteínas ancladas a lípidos: El lípido tiene cierta afinidad a los fosfolípidos de la membrana y están unidos, a ese lípido se una la proteína. o Proteínas periféricas (mediante lípidos o glúcidos): proteínas con uniones débiles a la membrana, por lo que pueden soltarse con mucha facilidad. Algunas de estas últimas están unidas mediante las anclas GFI, de glucosidil fosfatidil inositol. En otros casos están unidas simplemente mediante una cadena de ácido graso (ácido mirístico, 24 C). - Las proteínas al estar dentro de la membrana plasmática, deben tener unos aminoácidos hidrófobos que se coloquen junto a las colas de los ácidos grasos. - Según su función: o Receptores o Antígenos o Formación de canales o poros o Transportadores o Enzimas o Proteínas G (transducción de señales) o Conectores, en muchos casos para el citoesqueleto El movimiento de las proteínas en la membrana plasmática está limitado por diferentes factores. Destacan las uniones estrechas (zonas de unión entre membranas que no pueden ser atravesadas), la relación entre el citoesqueleto y la matriz extracelular, la presencia de agregados proteicos y la viscosidad de la bicapa lipídica GLÚCIDOS (son minoritarios dentro de la membrana plasmática) - Aparecen asociados a proteínas (glucoproteínas) o a lípidos (glucolípidos) en la hemimembrana externa (¡¡SOLO SE ENCUENTRAN AHÍ!!), formando lo que se conoce como glucocálix. El aglucón es la parte no glucídica unida al glúcido. - Funciones: o Reconocimiento y fijación de sustancias o Reconocimiento celular (sobre todo durante el desarrollo, ya que determina su posición dentro del organismo) o Estabilización de plegamientos de proteínas de membrana, si estos glúcidos fallan, la proteína no se plegará correctamente y no cumplirá su función. o Propiedades inmunitarias (grupos sanguíneos, dependen de un monosacárido dentro de un glucolípido, es muy importante a la hora de trasplantes o trasfusiones) o Relación con los componentes de la matriz extracelular CARACTERÍSTICAS DE LA MEMBRANA MODELO DEL MOSAICO FLUIDO (Singer y Nicholson) (Hay nuevas teorías más acertadas que esta) La membrana plasmática es una bicapa formada por fosfolípidos y esteroles con proteínas asociadas. Además, en su cara externa posee el glucocálix. La membrana plasmática tiene una estructura de mosaico fluido (propuesta por Singer y Nicolson). Proponen que los lípidos forman una balsa más o menos fluida en la que se mueven los componentes proteicos. Según esta teoría, la fluidez la aportan los lípidos, que tienen cuatro tipos de movimientos (rotación, flip-flop, difusión lateral y flexión). La polaridad de la membrana se debe al movimiento de flip-flop, gracias a las enzimas flipasas. Si se proporciona calor a las colas de los lípidos, estos pierden rigidez, aumentando la fluidez y permeabilidad de las membranas. MODELO DE BALSAS LIPÍDICAS (LIPID RAFTS) Microdominios de la membrana formados por los fosfolípidos más rígidos y mayor cantidad de colesterol. Su función es concentrar componentes de la membrana para formar compartimentos funcionales. Dichas balsas se mueven dentro de la membrana plasmática. En las balsas lipídicas abundan el colesterol y proteínas con funciones afines o complementarias, que tienen que estar cerca. OTRAS CARACTERÍSTICAS - Asimetría: la composición de sus dos hemimembranas varía. En la capa externa (capa E) predominan la fosfatidil colina, la esfingomielina, los glucolípidos y las glucoproteínas. En cambio, en la capa interna encontramos fosfatidil etanolamina, fosfatidil serina y fosfatidil inositol, ácidos insaturados y carga negativa; además, es más fluida que la capa externa - Fluidez y movimiento de los componentes. - Puede presentar regionalización: zonas diferenciadas de la membrana con distinta composición y función. FUNCIONES DE LA MEMBRANA - Límite celular - Transporte de elementos (permeabilidad selectiva) - Generación y transmisión de señales bioeléctricas (transducción de energía). Las neuronas son capaces de procesar la información que le llegue y de ahí actuar, por otra parte, las células musculares reaccionarán ante cualquier estímulo, no lo procesarán. - Comunicación intercelular - Adhesión intercelular y con la matriz extracelular. - Además, se haya compartimentada, por lo que presenta zonas ideales para la actividad bioquímica. TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA (Muy importante, examen) TRANSPORTE DE PEQUEÑAS MOLÉCULAS (monosacáridos, ácidos nucleicos…) 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. o Simporte: el transporte se produce en el mismo sentido o Antiporte: el transporte ocurre en sentidos distintos TRANSPORTE PASIVO Es el transporte de pequeñas moléculas directamente a través de la membrana, sin gasto de ATP y siempre a favor de gradiente. Las moléculas que se transportan son: - Moléculas hidrofóbicas como el O2, CO2… - Moléculas pequeñas polares no cargadas - Moléculas grandes polares no cargadas, como la glucosa, aunque en pequeñas cantidades Las moléculas polares cargadas (aminoácidos e iones) no atraviesan la membrana plasmática por difusión simple. La naturaleza de los fosfolípidos influye en la permeabilidad de la membrana. Las colas lipídicas cortas e insaturadas favorecen la permeabilidad de la membrana. Hay dos tipos de transporte pasivo: - Difusión simple: no intervienen proteínas transportadoras, sino que las sustancias se difunden directamente a través de la membrana. Se transportan gases, moléculas hidrófobas y moléculas polares pequeñas que atraviesan la bicapa sin ayuda. - Difusión facilitada: requiere la ayuda de proteínas, que pueden ser proteínas canal, proteínas transportadoras o permeasas o ionóforos(procariotas). También se hace a favor del gradiente. o Proteínas canal: complejos multiméricos de 6 proteínas que forman permanentemente un canal acuoso que atraviesa la membrana y que puede estar abierto o cerrado, según determinados estímulos. Los canales son selectivos, pero menos que los transportadores. La apertura y el cierre de los canales está regulada por distintos estímulos: ▪ Ligando (característico de los neurotransmisores en las neuronas) ▪ Voltaje (la transmisión del impulso nervioso) ▪ Nucleótidos cíclicos (la concentración de AMP cíclico o GMP cíclico) ▪ Concentración iónica ▪ Estimulación mecánica, Ejemplo: cuando escuchamos nuestras células del oído tienen unas membranas que vibran y contactan con unos cilios de las células abriéndose así un canal iónico que genera el impulso eléctrico. o Proteínas transportadoras o “carriers”: No abren un canal, sino que captan sustancias muy específicas, habiendo de distintos tipos. Captan la molécula a transportar (llamada ligando), cambian de conformación y permiten el paso de la molécula. Suelen transportar azúcares, aa, nucleótidos… o Ionóforos: proteínas liposolubles que transportan iones a través de la membrana. Son canales que siempre están abiertos, no están regulados. Algunos microorganismos que atacan a otros lo hacen insertando ionóforos en las membranas de sus objetivos. Son característicos de procariotas. TRANSPORTE ACTIVO Transporte de moléculas con gasto de ATP y por lo tanto, en contra de gradiente. Hay tres tipos de transporte activo: - Bombas iónicas: conforman una macrofamilia: o Bombas de clase P: -Bomba sodio-potasio, bomba hidrógeno-potasio o bomba de calcio. La bomba sodio potasio capta tres iones de sodio procedentes del interior celular, lo que favorece la desfosforilación del ATP, liberando energía y permitiendo el cambio de conformación de la bomba. Así, se libera el sodio al exterior celular, lo que deja libres los huecos para dos iones de potasio procedentes del exterior celular. Así, se libera el fósforo unido a la bomba, lo que provoca otro cambio estructural. Finalmente, el potasio se libera al interior celular, comenzando otra vez el mismo proceso. Este es un modelo de cotransporte antiporte. El exterior tiene más Na+, mientras que e interior de la célula tiene más K+ -Bomba glucosa: El transportador funciona cogiendo dos Na+ por cada glucosa debido al enorme gradiente de Na+ que hay, en sí no se gasta ATP en este proceso, sino que se gasta cuando se genera el gradiente con la anterior bomba sodio-potasio- o Bombas de clase V: bombean protones al interior de los lisosomas para acidificar el medio o Bombas de clase F: bombean protones en las membranas mitocondriales internas y en las tilacoidales, para generar una diferencia de gradiente electroquímico. - Transportador activo dirigido por gradientes iónicos: es un transportador que capta dos iones de sodio junto con una molécula de glucosa. Al captarlos los libera al interior celular. Esto se consigue gracias a la afinidad del sodio por entrar a la célula, debido a la diferencia de gradiente generada con la bomba anterior (ahí es donde se gasta ATP). Este transporte tiene lugar, por ejemplo, en las células del epitelio intestinal, en su cara apical. - Transportadores ABC: una superfamilia característica de procariotas que suele tener dos subunidades transmembrana y dos ATP-asas, que hidrolizan ATP. Se descubrieron al observar microorganismos insensibles a determinados fármacos o antibióticos. Muchas células tumorales son inmunes a la quimioterapia debido a estos transportadores. Expulsan las sustancias perjudiciales de la célula. TRASNPORTE DE MACROMOLÉCULAS Los complejos macromoleculares atraviesan la membrana mediante endocitosis (del medio extracelular al medio intracelular), exocitosis (del medio intracelular al extracelular) o transcitosis. ENDOCITOSIS Proceso en el que la célula introduce macromoléculas o microorganismos a su interior mediante invaginaciones de la membrana plasmática. Puede ser de dos tipos: - Fagocitosis: la célula engloba la sustancia mediante los fagosomas y la digiere gracias a los lisosomas. Se da en macrófagos y para ingerir sustancias grandes y sólidas. - Pinocitosis: se emplea para sustancias de menor tamaño y líquidas. Hay dos tipos de endocitosis dependiendo de la presencia o ausencia de un receptor: - Endocitosis por volumen (sin receptor): la célula genera invaginaciones (caveolas) e incorpora a su interior todo lo que se encuentre en su superficie, de manera inespecífica. Se produce un reciclaje de la membrana plasmática, ya que hay parte que pasa al interior de la célula y es digerida/reciclada por la célula. - Endocitosis mediada por receptores: es más específica, pues está regulada por receptores. Pueden ser sustancias como hormonas, proteínas, colesterol… Participan receptores específicos agrupados en regiones concretas de la membrana en alta concentración (lipidic rafts). Dato: Las hormonas esteroideas atraviesan la membrana plasmática y nuclear sin necesitar de receptores. En la endocitosis mediada por receptor, los receptores captan los ligandos y forman fosetas revestidas (invaginaciones ligeras) y vesículas revestidas de proteínas, trisqueliones (entre ellas la clatrina, el cop1 y el cop2), que generan la curvatura de la membrana. Una vez formada la vesícula, estas proteínas se desensamblan. EXOCITOSIS Estas membranas surgen del sistema de endomembranas (aparato de Golgi). Una vesícula se fusiona con la membrana y vierte su contenido. Este es un proceso con tres pasos: aposición, adherencia a la membrana gracia a proteínas fusogénicas y fusión, liberando el contenido al exterior. Una vesícula que vaya a ser exocitada tiene que reconocer a que membrana se une, tras lo cual las membranas se fusionan. Al producirse exocitosis se liberan productos al medio extracelular, pero también se añade nueva membrana a la célula, reponiendo así su membrana. Es un proceso que requiere GTP. El movimiento de estas vesículas está controlado por las proteínas SNARE, hay de dos tipos V y T. TRANSCITOSIS Permite a una sustancia atravesar todo el citoplasma de la célula. Los productos se empaquetan en vesículas, atraviesan el citoplasma y luego se liberan en el lado opuesto de la célula. MODIFICACIONES DE LA MEMBRANA ADHESIÓN CELULAR (¡¡¡Importante para examen!!!) Sirve para mantener las células juntas e interviene en procesos como la transcripción. Las proteínas que participan son: - Integrinas: formadas por dos subunidades alfa y beta. Ayudan a la unión célula-matriz extracelular. Son capaces de mandar señales al interior de la célula para mostrar cómo se encuentra el exterior celular. Poseen dos dominios: o Dominio extracelular: que tiene forma de cabeza globular capaz de unirse a diferentes elementos extracelulares (fibronectina, fibrinógeno…) o Dominio intracelular: 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). - Selectinas: son de la familia de las glucoproteínas transmembrana. o Son capaces de reconocer y unirse a oligosacáridos específicos presentes en la superficie de otras células, aunque es necesario Ca2+ para que se produzca la unión. o Hay tres tipos de selectinas: ▪ Selectinas E, en las células endoteliales. ▪ Selectinas P, en plaquetas y células endoteliales. ▪ Selectinas L, en leucocitos. o Presentan interacciones heterófilas. - Miembros de la superfamilia de las inmunoglobulinas (IgSF): familia de 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 homófilas. - Cadherinas: o Familia de glucoproteínas transmembrana que median la unión entre células en un proceso que requiere Ca2+. o La unión suele producirse entre cadherinas similares presentes en células adyacentes formando dímeros paralelos. o Cuando la concentración de Ca2+ es baja se encuentran inactivas, mientras que si aumenta la concentración se ponen erguidas y tienen la capacidad de unirse a otras cadherinas. o Las mejor estudiadas son la E (epitelial), N (neuronal), P (placentaria). ADHESIÓN CÉLULA-CÉLULA - Según la superficie celular que abarca: o Zónula: modificación en la membrana similar a un cinturón que envuelve todo el contorno celular. o Mácula: uniones puntuales de tamaño pequeño (más común). o Fascia: uniones puntuales de mayor tamaño. - Según afecte al espacio intercelular: o Ocluyentes: el espacio intercelular es inexistente. Prácticamente hay una fusión de las membranas. Destaca la zónula ocluyente, donde el desplazamiento de los componentes de la membrana está limitado. Participan en ellas tres tipos de proteínas: ▪ Ocludina: mantienen la estabilidad de la unión. ▪ Claudina: hay 20 tipos, todos ellos decisivos en la adhesión. ▪ JAM: participan en la adhesión y en la estabilidad de la unión. ▪ Otras: como la nectina, que participa en la unión, y la afadina y las Z0 (1, 2 y 3) que ponen en contacto las ocludinas y las claudinas con los filamentos de actina del citoesqueleto. Las proteínas de una célula se asocian con el mismo tipo de proteínas de la otra célula. Normalmente, la presencia de este tipo de unión provoca polaridad celular y una regionalización de la membrana. Además, se han detectado una seria de patologías asociadas a las proteínas de estas uniones: ▪ Síndrome de pérdida de magnesio. (Claudina 16) ▪ Deleción en ratones, muerte embrionaria. (Afadina) ▪ Síndrome paladar endidio/labio lepronio. (Nectina-1) o Adherentes: hay un pequeño espacio. Destacan dos tipos: ▪ 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 alfa, beta y p 120 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 beta también participa en mecanismos de señalización. Cuando se separa cualquier componente de la unión, las cateninas beta 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). Las cateninas alfa, beta y p120se sustituyen por placoglobina, la placofilina y 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. UNIONES CÉLULA MATRIZ La matriz celular está compuesta principalmente por glucoproteínas, destacando el colágeno, las lamininas, los proteoglicanos o las fibronectinas. Los tejidos conjuntivos están principalmente formados por matriz extracelular. las proteínas que priman formando la unión son las integrinas, predominando el dominio beta sobre el alfa, sobre todo en las uniones con el colágeno. Hay dos tipos de uniones de las células al sustrato: - Las uniones permanentes anclan la célula a un sustrato (la lámina basal), mediante los hemidesmosomas (ya que en vez de célula hay matriz extracelular, formando tan solo la mitad de un desmosoma). - Estos se unen a filamentos intermedios. Los hemidesmosomas son uniones bastante estables en el tiempo. Están formadas por proteínas transmembrana de unión (integrinas y BP180). Se produce una interacción con elementos de la matriz extracelular como la laminina y el colágeno 4, responsables de que la piel esté tersa. Tiene mucha importancia en la morfología y fisiología de las células. Estas uniones están presentes en todos los epitelios y son fundamentales para aportar estabilidad a los tejidos. Algunos elementos que diferencian los hemidesmosomas de los desmosomas son la presencia de integrinas o la presencia de queratina, pues forman parte de los epitelios. Las integrinas se unen a la matriz extracelular y la queratina gracias a la plectina, la distionina y la laminina. - Las uniones focales también están unidas mediante integrinas, pero en vez de a filamentos intermedios como en los hemidesmosomas, están unidas a filamentos de actina. Son uniones puntuales y lábiles, es decir, están constantemente formándose y deshaciéndose, lo que permite el movimiento de las células (desarrollo embrionario, por ejemplo). Hay elementos que repelen la unión celular, modificando la trayectoria que sigue la célula. A través de proteínas de enlace como la vinculina o a alfa actinina, el citoesqueleto se une a la matriz extracelular, lo que permite arrastrar todo el citoplasma. Algunos de estos elementos comunican con el núcleo, para hacerle saber si la célula está unida o no al sustrato. También regulan la entrada de la información del exterior, que puede determinar procesos como la adhesión, la proliferación o la supervivencia. Si las células no están adheridas al sustrato, estas no pueden dividirse, por lo que es fundamental asegurarse de que lo están al hacer cultivos. Además, la vida de la célula se reduce. COMUNICACIÓN INTERCELULAR - Uniones GAP o Se encuentran en las zonas basolaterales de la célula. o Las uniones GAP están formadas por las conexinas, unas proteínas integrales. o Se han descubierto 21 conexinas diferentes, englobadas en 3 familias: alfa, beta y gamma; específicas de células y tejidos diferentes. o Las conexinas se unen para formar un conexón. Seis subunidades de conexinas dispuestas concéntricamente dejando un poro central de 1,5 nm. Son ensamblados en el aparato de Golgi y cuando surgen por gemación llegan a la membrana plasmática y se colocan en ella. o Para formar una unión en hendidura o gap junction, surgen zonas de membrana donde tiene lugar la acumulación y alineación de conexones de la membrana, ya que, carece de sentido que haya conexiones GAP en una zona específica de la célula mientras que en la otra célula las conexiones estén en otra zona de la membrana. o Las uniones GAP permiten la difusión de moléculas de menos de 1 KDa entre células adyacentes. o Son poco selectivas, menos incluso que los canales iónicos. o Se cree que son susceptibles de regulación (apertura/cierre) por fosforilación de las conexinas y/o cambios en la concentración iónica. o Destaca su importancia en el tejido nervioso (sinapsis eléctrica), tejido muscular (contracción), tejidos avasculares como el óseo (conexión metabólica: nutrientes, ATP…), desarrollo embrionario, señales hormonales… - Plasmodesmos o Son aperturas en la pared celular, que conecta el citoplasma de células vegetales adyacentes. o Al formarse la lámina media (fragmoplasto) en la división celular, quedan algunas cisternas de retículo endoplasmático, que dan origen a los plasmodesmos. o Permiten la comunicación mediante el paso de sustancias entre células vegetales a través de la pared celular. o En el centro aparece una expansión del RE (desmotúbulo) y, a su alrededor, se encuentra una pequeña región citoplasmática que conecta las células adyacentes. o Son susceptibles de regulación (apertura/cierre). Esto último se descubrió al infectar a plantas, observándose que las células vecinas a la infectadas, cerraban sus plasmodesmos para defenderse de la infección. EL NÚCLEO CELULAR CONCEPTO - Es el centro rector de la actividad celular, donde se guarda el DNA, que se transcribe a RNA. - Es un componente fundamental de las células eucariotas. - Controla la herencia, la diferenciación y la actividad de la célula. - Está limitado por la envuelta nuclear (no membrana), formada por dos membranas, MNE y MNI con una separación entre ambas. CARACTERÍSTICAS GENERALES - La apariencia del material nuclear varía en relación del ciclo celular. Durante la interfase podemos observar la cromatina (ADN descondensado), mientras que durante la división se observa el DNA condensado formando los cromosomas. Además, en la división ciertas estructuras nucleares desaparecen. - El número de núcleos puede variar. Normalmente poseen un solo núcleo (mononucleadas), aunque algunas células pueden presentar dos (binucleadas) o más núcleos (multinucleadas). o Sincitio: provienen de varias células uninucleadas fusionadas en las que después desaparecen las membranas plasmáticas que las separan (como en las células de tejido muscular estriado esquelético). o Plasmodio/Cenocito: se produce por varias divisiones nucleares sin división posterior del citoplasma. - El núcleo tiene posición y morfología variables en función del tipo celular. Dicha posición está determinada por el citoesqueleto de la célula. La morfología suele estar adaptada a la forma de la célula a la que pertenece. Destacan los núcleos con indentaciones (citoplasma parece meterse en el núcleo) o los núcleos lobulados. COMPOSICIÓN QUÍMICA La envuelta nuclear: - 75% de proteínas (poros nucleares, que son complejos multiproteicos), - 20% de lípidos - 4% de RNA (ribosomas unidos a MNE) - 1% de DNA (parte de la cromatina está adherida a la membrana nuclear interna, de ahí el ligero porcentaje de ADN) El interior nuclear: - Agua - 70% de proteínas (enzimáticas y estructurales) - 15% de DNA - 5% de RNA - 5% de iones - Cofactores, etc. ULTRAESTRUCTURA En la ultraestructura del núcleo podemos observar zonas más electrodensas y otras menos, correspondiéndose con la heterocromatina (más condensada) y la eucromatina (menos condensada). La heterocromatina predomina principalmente en la periferia del núcleo y asociada al nucleolo. - Membrana nuclear externa (6 y 8 nanómetros): 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. - Cisterna perinuclear (10-50 nanómetros): que se comunica con la luz del retículo endoplasmático. - Membrana nuclear interna (6-8 nanómetros): presenta proteínas integrales específicas (emerina, LBR…) que se unen a los filamentos que constituyen la lámina nuclear. Durante la mitosis la envuelta nuclear se desintegra y va a formar parte del retículo endoplasmático. LÁMINA NUCLEAR Es una red de filamentos intermedios en contacto con la 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 la replicación y transcripción de la cromatina anclada a él, no solo tiene función de sostén de la membrana nuclear, sino que, tiene funciones reguladoras. Composición: está formada por filamentos intermedios de clase V, denominados láminas (10 nm diámetro). Estos filamentos se ensamblan y desensamblan por procesos de fosforilación. Tienen forma de bastón en alfa-hélice con dos dominios no helicoidales en los extremos (cabeza y cola), forman dímeros dos tipos de láminas distintos. - Tipos de láminas: o Tipos A y C: provienen del mismo gen y se diferencian a través de splicing alternativo del ARNm. Aparecen en células completamente diferenciadas y pueden presentar modificaciones en diferentes tejidos. o Tipos B (B1 y B2): presentes en todas las células nucleadas. Gracias a un proceso de isoprenilación postraduccional (adición de grupos prenilo/ác grasos a una proteína) se asocian a proteínas de la membrana interna como Emerina o LBR, para poder inducir la formación de la nueva lámina tras la división celular, teniendo solo que polimerizar las láminas A y C. - Funciones: o Aportan un apoyo mecánico a la envuelta nuclear. o Constituyen lugares de unión para las fibras de cromatina. o Intervienen en la regulación de procesos como la replicación y transcripción del ADN. La heterocromatina se fija en los extremos del núcleo para mantenerse alejada de los centros de replicación/transcripción. o Ensamblaje y desensamblaje de la envuelta nuclear durante los procesos de división de la célula. o Determina la localización de los poros nucleares. - Uniones: (¡¡IMPORTANTE PARA EXAMEN!!) Los dos tipos de láminas se asocian a diferentes proteínas, ancladas a la MMI (unas 12) y a otras solubles en el nucleoplasma (LAP-2 tipo A). o Con la cromatina, gracias a un tipo concreto de proteínas intermediarias. o Con el citoesqueleto, gracias a proteínas intermediarias como nesprina (MNI)y SUN (MNE), se establece una relación directa entre la lámina y el citoesqueleto. La nesprina se une con filamentos de actina, mientras que la SUN se une 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. Polimerización de las láminas: se lleva a cabo por desfosforilación: o Dos láminas se unen asociándose por sus cabezas y entrelazando sus colas, formando un dímero. o Estos dímeros 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. Despolimerización de las láminas: se produce por fosforilación, iniciada con la activación de la enzima CDk (kinasa dependiente de ciclina). Se realiza de diferente manera dependiendo del tipo de lámina. o Láminas A y C: los filamentos de las láminas se desensamblan por la fosforilación, quedando sueltos en la célula los dímeros de láminas con restos de fosfato. o 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, por la activación de CDk 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 (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 se desensamblan los poros nucleares y se fosforilan las proteínas integrales de membrana, se libera la heterocromatina y el núcleo como tal desaparece. POROS NUCLEARES / COMPLEJO DEL PORO NUCLEAR Son complejos macromoleculares situados en la envuelta nuclear a través de los cuales tiene lugar el paso de distintos elementos entre el núcleo y el citoplasma y viceversa. Son octaméricos y dejan en su espacio central un hueco. CARACTERÍSTICAS: - Estructura octamérica - Están formados por nucleoporinas: 30 tipos que aparecen repetidos varias veces y que se clasifican según su función: o De anclaje: unen el complejo a la envuelta nuclear o Estructurales: forman la estructura del complejo del poro nuclear o Nucleoporinas FG: tienen abundantes repeticiones, presentan expansiones ricas en fenilalanina y glicina y son fundamentales en el transporte. ESTRUCTURA: - Andamiaje: 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 apertura, formando una malla hidrofóbica. - Anillo nuclear: del que surgen ocho filamentos que forman la canasta nuclear. Transporte núcleo-citoplasma Nunca es a través de vesículas 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: pasan partículas de hasta nueve nanómetros y 40 kilodaltons y no requiere energía, a favor del gradiente. - Transporte mediado por señal: para moléculas de entre 9 y 40 nanómetros, requiere energía y unas moléculas que actúen como señales (cadena de aminoácidos) y en él intervienen las carioferinas, que pueden ser de dos tipos: o Importinas: reconocen la NLS (señal de localización nuclear) en el elemento a introducir al núcleo. La NLS está formada por aminoácidos básicos (lisina) unidos en una misma secuencia (única) o separados por otros aminoácidos (secuencia bipartita). o Exportinas: que reconocen NES (señal de exportación nuclear) y hacen que las sustancias se transporten al exterior nuclear. Para la exportación de ARN, se emplean proteínas específicas que posibilitan su exportación del núcleo. ESTO VA A SER MUY IMPORTANTE: PUEDE CAER EN EXAMEN La familia RAN está formada por proteínas G monoméricas y aportan la energía a la importación y a la exportación. En el citoplasma aparecen partículas RAN unidas a GDP, mientras que en el núcleo, el mismo RAN está unido a GTP. De esta manera, el RAN-GDP pasa a RAN-GTP gracias al Ran GEF (factor de intercambio de nucleótidos de guanina, se sitúa en el interior nuclear), mientras que la acción contraria está regulada por el RAN-GAP (se sitúa en los filamentos citoplasmáticos del poro nuclear). Esto es el 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 nuclear (se importan al interior del núcleo proteínas ribosomales, nucleolares, histonas, factores de transcripción y de replicación): 1. Las moléculas a ser importadas contienen NLS (señal de localización nuclear), que es reconocida por una importina, que poseen dos subunidades (alfa y beta). 2. El complejo molécula + importina interacciona con los filamentos citoplasmáticos del poro. 3. Las interacciones con diferentes secuencias FG (fenilalanina y glicina), presentes en distintas nucleoporinas van dirigiendo el complejo molécula + importina hacia la cestilla nuclear del poro para acabar finalmente en el interior del 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 exportada al citoplasma para realizar un nuevo ciclo. A partir de estas fases se habla realmente de la 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 libre en el citoplasma. 8. Ran-GDP pasa al núcleo, donde es transformado en Ran-GTP por la actividad de Ran-GEF. Exportación nuclear (Se exportan subunidades ribosomales, RNAm, RNAt y RNAsn (pequeño nuclear)): 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, formando un trímero (RAN-GTP + molécula + exportina) 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 vuelve al núcleo por sí sola, al igual que el RAN-GDP. Este transporte puede estar regulado, gracias a que, existen proteínas que pueden bloquear la entrada colocándose sobre la NSL, también se pude bloquear la importación mediante la fosforilación de la NSL y hasta que no pierda esos fosfatos no puede entrar al núcleo. Este proceso se suele dar cuando la célula va a dividirse. Exportación nuclear de ARNm: Primero hay que diferenciar entre ARN´s relativamente sencillos, con un numero bajo de bases, como el ARNsn o el ARNt. Estos ARN tienen una NSL propia que es reconocida por una exportina directamente. En cambio, los ARN grandes (ARNm y las subunidades del ribosoma), son exportados por mecanismos más complejos, convirtiéndose en nucleoproteínas. Los ARNm, una vez procesados en el núcleo, se asocian a un complejo de, al menos, 20 tipos de proteínas. Destacan 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 NXF1 y NXT1 interaccionan con las secuencias FG de los complejos de poro. La helicasa Dbp5, con hidrólisis de ATP, elimina los complejos NXF1 y NXT1 y otras proteínas, quedando el ARNm en condiciones de ser traducido. Posteriormente, NXF1 y NXT1 y otras proteínas son importadas al núcleo. Este transporte es independiente de Ran. El gasto de energía en este proceso está en la helicasa, ya que, esta se encarga de separar los factores NXF1 y NXT1 de la cadena de RNA. Hay señales que hacen que en un determinado momento no sea necesaria la importación de algunas 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: en torno al 90% de la cromatina del núcleo, encontrándose en estado descondensado. Es cromatina activa, que puede transcribirse. Heterocromatina: en torno al 10% de la cromatina del núcleo, está condensada y es cromatina inactiva, se encuentra unido a la lámina nuclear y al nucléolo. Hay 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 los telómeros y los centrómeros y secuencias repetidas. Aparece localizada fundamentalmente en regiones periféricas del núcleo. Los cambios de heterocromatina a eucromatina vienen determinados por modificaciones en las histonas. Las más corrientes son acetilaciones o metilaciones. Las acetilaciones descondensan la cromatina, mientras que las metilaciones la condensan. Destaca la importancia de la histona H1, que abre el paso a las polimerasas para que se puedan unir a la cadena. Niveles de empaquetamiento: - Nucleosoma o collar de perlas: nivel mínimo de empaquetamiento del ADN. Un tramo de ADN en doble hélice de unos 150 pares de bases 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. Se puede asociar una histona más, la H1(más importante), dando lugar al cromatosoma. Este agrupa 168 pares de bases y el lazo internucleosómico (entre 40 y 80 pares de bases). Esta configuración no aparece de forma natural en el núcleo, sino que existe por la adición de diferentes sustancias químicas, solo se descondensa a ese punto cuando va a ser transcrito, luego vuelve a condensarse más - Solenoide: el ADN forma una hebra de unos 30nm de longitud. 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: 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 mediante la formación de bucles en la cadena. - Andamio proteico del cromosoma: aparece 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 de proteínas SMC mantienen la estructura del cromosoma (grado máximo de empaquetamiento de la cromatina, que alcanza su mayor grado de compactación durante la metafase). Hay varios tipos: o Metacéntricos: el centrómero se sitúa en la mitad del cromosoma, por lo que ambas cromátidas presentan longitudes similares. o Submetacéntricos: la longitud de una cromátida es ligeramente mayor que la de la otra. o Acrocéntricos: una cromátida es notablemente mayor que la otra. o Telocéntricos: sólo se aprecia una cromátida, pues el centrómero está localizado en el extremo del cromosoma. Territorios cromosómicos: Cada par de cromosomas homólogos tiene su localización específica en el núcleo. se ha comprobado que hay lugares en el núcleo 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 (cerca del centro por lo general) 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. Pueden llegar a tener hasta 1024 cromátidas. Esto es posible gracias a un proceso de endomitosis, en el que hay numerosas duplicaciones de ADN pero sin que se lleguen a separar. - Cromosomas plumados: cromosomas homólogos unidos. Hacia los lados de cada cromosoma aparece ARN en transcripción, sobre todo ARNm y ARNr. 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, ya que, esas proteínas sirven para formar el Vitelio que será almacén de proteínas del huevo. Nucléolo (¡¡Importante!!) El nucléolo es el lugar donde ocurre 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, los cuales tienen regiones organizadoras nucleolares (con genes que sintetizan el ARNr, presentes en algunos cromosomas concretos). Durante la división celular desaparece, puesto que la región organizadora nucleolar queda empaquetada, no siendo necesaria la síntesis de proteínas. Composición química: - 2% de DNA, el DNA organizador nucleolar, a partir del cual se transcribe el RNA del nucleolo - 10-30% de ARNr, del que hay varios tipos: transcrito por la ARNpol I (28 S, 5.8S 18S) y transcrito por la ARNpol III (5s) fuera del nucleolo. - 70-90% proteínas, las más abundantes debido a que los ribosomas están formados por ribonucleoproteínas. Organizador nucleolar El organizador nucleolar es el ADN en el que se encuentran los genes que darán lugar al pre ARNr de 45 s que posteriormente será procesado. En humanos estos genes se encuentran en 5 cromosomas diferentes(13,14,15,21,22). En ellos, los genes que lo codifican se repiten varias veces y están separados por un ADN espaciador (secuencia espaciadoras) que no se transcriben. La parte que contiene los genes del organizador nucleolar confluye en una zona determinada del núcleo, formando el nucleolo. En algunos casos no todos coinciden en el mismo lugar, por lo que aparecen células con dos nucleolos. En la maduración interviene el ARNpn. El pre-ARN 45s sufre un procesamiento para dar lugar a tres ARN: 28 S, 5.8S y18S. Estos fragmentos junto con el de 5 S que viene de otra parte del núcleo y junto con ribonucleoproteínas forma la subunidad mayor del ribosoma. Partes del nucleolo Parte de la heterocromatina está asociada al nucleolo. El nucleolo es menos electrodenso que la heterocromatina. Además, en su interior encontramos zonas más electrodensas que otras. Esto se debe a las distintas fases del nucleolo El nucleolo tiene tres regiones: - Organizador nuclear/centro fibrilar: similar a la eucromatina, es el lugar donde llegan las hebras de ADN que codifican para el ARN ribosómico. Es menos denso a los electrones que el resto del nucleolo. - Parte fibrilar/componente fibrilar denso: casi tan densa como la heterocromatina, siendo la parte más densa del nucleolo, está formada por las hebras de ARN ribosómico que se empaquetan entre sí (5-8nm). Rodea al centro fibrilar. - Parte granular/componente granular (G): tiene una densidad intermedia. Está compuesta por el ARNr, que comienza a ser procesado y adquiere aspecto granulado. Además, a este ARN se le asocian proteínas, formando las subunidades de los ribosomas. Así, la parte granular está formada por ARNr y proteínas. Van adoptando la conformación esférica de las subunidades mayor y menor de los ribosomas. Exportación de subunidades ribosómicas Las proteínas son importadas desde el citosol. Después, las subunidades ribosómicas son exportadas en tiempos distintos. Subunidad menor (40S): se exporta conteniendo un ARNr 20S que sufre modificaciones posteriores convirtiéndose definitivamente en 18 S. Su síntesis y ensamblaje en el núcleo es muy rápido y se exporta en poco tiempo. Subunidad mayor (60S): el procesamiento y ensamblaje en el núcleo es mucho más lento y complejo. Además, el tiempo para su exportación también es mayor. En la maduración de las subunidades se generan sitios de unión para adaptadores de la exportación como Nmd3 que es reconocido por la exportina 1 (Crm1). A las subunidades a exportar se les unen diversos factores para realizar la exportación. Entre ellos se les une NXT1 (como en los ARNm). Estos factores interaccionan con los dominios FG de las nucleoporinas y se produce la exportación. Una vez en el citoplasma los diferentes factores de exportación se separan de las subunidades ribosómicas. El ciclo del nucleolo Mientras una célula está en interfase hay nucleolo, aunque no se vea. El nucleolo desaparece cuando la célula entra en procesos de división, ya que se detiene la síntesis proteica, por lo que los ribosomas no son necesarios. Vuelve a aparecer cuando reaparece el núcleo. Lugares específicos, dentro del núcleo, de asociación de proteínas y ARN´s implicados en la síntesis, ensamblaje y almacenamiento de la maquinaria necesaria para la expresión génica. Los cuerpos nucleares o de Cajal se identifican gracias a proteínas como la fibrilarina y la coilina. Son lugares donde se ensamblan nucleoproteínas. Los speckles o granos de intercromatina tienen una función desconocida. Pueden existir hasta 5 nucleolos, ya que, existen 5 cromosomas con la información para sintetizar las subunidades de los ribosomas. Cuerpos nucleares Son lugares específicos dentro del núcleo, de asociación de proteínas y ARN´s implicados en la síntesis, ensamblaje y almacenamiento de la maquinaria necesaria para la expresión génica. Entre ellos destacan: - Cuerpos de Cajal: al microscopio se detectan con fibralarina o con colina. - GEMS: cuerpos géminis de Cajal. - Speckles: se detectan granos de intercromatina. Ribosomas Los ribosomas son 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 la síntesis de proteínas), que ocurre en el citoplasma. Pueden encontrarse asociados a la envuelta nuclear, a la membrana del retículo endoplasmático rugoso, libres en el citoplasma, en la matriz de las mitocondrias o en el estroma de los cloroplastos. Son estructuras 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 y de tamaño entre ribosomas de eucariotas y procariotas. A microscopía electrónica de transmisión aparecen como puntitos negros, de tamaño homogéneo. Existen los polirribosomas o polisomas, muchos ribosomas que traducen el mismo ARNm, produciendo muchas proteínas. Dan lugar a estructuras helicoidal, ya que hay factores que unen la cola de poliA con la capucha de metil guanosin trifosfato. Síntesis de proteínas La fase de síntesis proteica tiene varias etapas: - Iniciación: la subunidad pequeña del ribosoma se une a la cadena de ARN en la secuencia 5´UTR o región líder que no se traduce. Posteriormente se une el aminoacil-ARNt (ARNt unido a un aminoácido) al ARNm. Después se acopla a la subunidad grande para formar el complejo ribosomal o complejo activo. - Elongación: los aminoácidos transportados por los diferentes aminoacil-ARNt se van uniendo unos a otros provocando el crecimiento del péptido formado. - Terminación: unos factores de liberación provocan que se libere la cadena peptídica, momento en el que el ARNm y las subunidades ribosómicas se separan. Destino de las proteínas (¡¡Importante!!) - Proteínas sintetizadas en los ribosomas adheridos a la membrana del RER: la exocitosis. Para ello, la proteína entre en el RE. Las proteínas sintetizadas pueden ir dirigidas a la membrana plasmática, a la formación de vesículas o de lisosomas. Se ha detectado que hay partes del RE que dan lugar a pequeñas vesículas que forman parte del peroxisoma, con una pequeña carga proteica. - Proteínas sintetizadas en ribosomas libres en el citosol: van al núcleo, mitocondrias, plastos, peroxisomas o se quedan en el citosol formando parte del citoesqueleto. Todas las proteínas formadas llevan unos péptidos de señalización que permiten al orgánulo reconocer dicha proteína y que ésta lo atraviese, las que no lo poseen se quedan libres por el citoplasma y pueden formar el citoesqueleto… Proteínas que interaccionan con las proteínas formadas - Chaperonas: una super familia de proteínas de pequeño tamaño y con funciones relacionadas con el plegamiento de las proteínas. Las chaperonas reconocen regiones específicas de las proteínas y se unen a ellas. Algunas chaperonas dirigen el plegamiento, asegurándose de que se consiga la estructura terciaria de forma adecuada. Otras, en cambio, evitan el plegamiento hasta determinado momento. Las proteínas sintetizadas en el RE son las únicas con puentes disulfuro. Para que estos puentes se establezcan, es necesario que no se plieguen las proteínas hasta ser modificada. Las chaperonas evitan este plegamiento. Ej.: en la importación de proteínas a la mitocondria, las proteínas se mantienen desplegadas gracias a las chaperonas, hasta introducirse en el interior de la membrana, donde hay otras chaperonas que la pliegan. - Ubiquitinas: cuando una proteína está mal plegada los aa hidrofóbicos están en la superficie de la proteína. Las ubiquitinas son los mecanismos de las células para eliminar las proteínas envejecidas o mal plegadas de la célula. para ello se unen a proteínas defectuosas, marcándolas como tal y posibilitando su degradación en el proteasoma. En el interior posee el proteasoma (20S), formado por 4 subunidades formadas por proteasas, donde se separan los péptidos mal plegados en aa, que pueden ser reutilizados. A este proceso se le llama ubiquitinación. Una posible manera de detectar que una proteína está mal plegadas es que en un medio hidrofílico, como es el citoplasma, es muy raro que una proteína exhiba en superficie aminoácidos hidrofóbicos, lo que nos indica que una proteína está mal plegadas. SISTEMA DE ENDOMEMBRANAS Sistema a través desde el 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). El sistema de endomembranas tiene relación con el sistema endocítico, que provee a la célula de materiales tomados desde el exterior. Componentes del sistema de endomembranas (orgánulos con una sola membrana): - Retículo endoplasmático - Aparato de Golgi - Lisosomas - Endosomas - Vacuolas - Vesículas de secreción celular Todos ellos están en contacto entre sí, debido a su papel en procesos de biosíntesis, maduración de sustancias y de secreción. Transporte intracelular: - Vesicular - Transmembrana - Regulado, como en el caso del núcleo Retículo endoplasmático Es un orgánulo formado por un conjunto de túbulos y cisternas que ocupan aproximadamente el 10% del volumen celular (aunque esto es variable). Existen dos tipos: el retículo endoplasmático liso y el rugoso. Ambos están conectados entre sí.. Características: - Puede fenestrarse: dejar huecos en los que haya otros orgánulos. - Su membrana tiene 7 nm de grosor, siendo más delgada que la plasmática al no poseer glucocálix. - El lumen, el espacio interior del retículo, mide unos 30-50 nm de ancho. - 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 y proteínas. Retículo endoplasmático rugoso (RER) - Características: o Tiene sáculos/cisternas aplanadas o Posee ribosomas adheridos a las paredes por la acción de las riboforinas o Se distribuye de manera uniforme por todo el citoplasma o Es una prolongación de la envoltura nuclear externa. Ocupa un 95% del volumen de células que sintetizan proteínas - Funciones: o Síntesis de proteínas o Síntesis de lípidos o Glicosilación: modificación inicial de proteínas por la adición de carbohidratos (sintetizados en el RER) o Síntesis de algunos carbohidratos Retículo endoplasmático liso (REL) - Características: o Formado por cisternas de tubo o Se distribuye de manera uniforme por todo el citoplasma o Es más abundante que el RER en células productoras de lípidos (como pueden ser las células de Leydig en los testículos, ya que producen las hormonas esteroideas; el hígado, debido a su función detoxificante o las células musculares, ya que forma parte de los sarcómeros) - Funciones: o Síntesis de lípidos o Síntesis de hormas esteroideas (de naturaleza lipídica) o Detoxificación: oxidación de compuestos que han de ser eliminados o Almacén de calcio en células musculares Ambos tipos de RE son interconvertibles y uno se transformará en otro cuando cambien las necesidades del organismo. Cualquier corte que se haga del RER se apreciará con forma elipsoidal, mientras que si lo hacemos del REL, la mayor parte de los cortes tendrán perfiles circulares. Composición química: - Membrana: o 30% de lípidos de colas cortas, muy insaturadas y con poco colesterol (membranas muy fluidas) o 70% de proteínas: ▪ Citocromo b5 y P450 ▪ NADH reductasa y NADPH reductasa ▪ Receptor del ribosoma (riboforina) solo en RER ▪ Enzimas de translocación y glucosilación ▪ Enzimas relacionadas con el metabolismo lipídico - Lumen: o Peptidasa señal (en realidad es una proteína transmembrana con su sitio activo en la luz del RE) o Disulfuroisomerasa (en el RE hay un pH adecuado para la formación de los puentes disulfuro) o Chaperonas o Precursores proteicos inmaduros o Peroxidasa. Funciones del RE: - Estructurales: o Interacción citoesqueleto - Morfogénicas: o Envuelta nuclear o Plasmodesmos (células vegetales) - Metabólicas: o Síntesis de lípidos y proteínas o Exportación de lípidos y proteínas o Detoxificación o Recambio y formación de membranas o Secreción celular Síntesis y modificación de proteínas El péptido señal determina el lugar donde se sintetiza una proteína y su orgánulo destino. Es una secuencia de aminoácidos 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. La translocación: Cuando una proteína se sintetiza por un ribosoma unido al RER y esta entra en un orgánulo, se habla de translocación. - Translocación cotraduccional: los ribosomas están asociados a la membrana del RER. Las proteínas, según se producen se van introduciendo en el lumen de este. - Translocación postraduccional: la traducción ocurre en los ribosomas libres en el citoplasma. La proteína, una vez producida, se introduce en el interior del RER. La translocación cotraduccional: (ESTO ENTRA) - Factores que intervienen: o SRP: partícula de reconocimiento de la señal formado por ARN y 6 proteínas o Receptor SRP en membrana RER (riboforina) o Canal de translocación: translocón (complejo multiproteico que permite el paso de la proteína al retículo) o Peptidasa: no es una proteína de la superficie de la membrana, sino una proteína transmembrana, aunque su zona activa está en la cara interna del retículo. - Proceso: o Aparece un ARN mensajero y las dos subunidades del ribosoma se acoplan. En el extremo N-terminal de la proteína aparecen entre 6 y 15 aminoácidos hidrofóbicos que componen el péptido señal, precedidos en ocasiones por dos aminoácidos con carga positiva. o El péptido señal es reconocido por SRP o PRS (partícula de reconocimiento de la señal), ribonucleoproteína formada por 6 polipéptidos y un pequeño ARN 7S o Se forma el complejo SRP-péptido señal-ribosoma, con la unión del SRP al péptido naciente y a la subunidad mayor del ribosoma, deteniéndose la traducción de la proteína. o En una cisterna del retículo endoplasmático, dicho complejo se une al receptor de SRP (heterodímero formado por dos subunidades alfa y beta) situado en la membrana del RER. La subunidad alfa capta GTP y la unión se refuerza o El complejo también interacciona con un translocón (que es un complejo multiproteico Sec61alfa/Sec61, Sec61beta/Sec62 y Sec61gamma/Sec63 y que está formado por dos semicilindros con capacidad de estar cerrados formando un solo cilindro o de estar abiertos, permitiendo que la proteína pase, cuando se activa la señal de reconocimiento) situado en la membrana del retículo o Se separa el SRP del complejo y el péptido señal interacciona con el translocón, que se abre y permite el paso de la proteína o Continúa la síntesis de la proteína atravesando el translocón. Cuando el péptido señal llega a la luz del retículo, la peptidasa de la señal corta el péptido señal el cual se degrada con la membrana en la que se ha quedado o A medida que el resto de la proteína va entrando en la luz, se van uniendo diversas chaperonas (BIP) que, con hidrólisis de ATP, impulsan el paso del péptido hacia la luz o 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 o Las proteínas se asocian con chaperonas para facilitar su correcto plegamiento y posteriormente sufrirán modificaciones como glicosilaciones o establecimiento de puentes disulfuro. ¡¡¡(Es decisivo que la SRP esté unido al péptido señal, al ribosoma y al receptor SRP para que se produzca la hidrólisis del GTP Y pueda continuar la síntesis de la proteína en el translocón)!!! (Importante-Nuevo descubrimiento) 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 siguiente: - Los primeros pasos son iguales que en las proteínas anteriores - Aparece la secuencia de la detención de la transferencia-anclaje, una secuencia de alrededor de 22 aminoácidos hidrófobos (secuencia de la detención de la transferencia – anclaje). El translocón se abre lateralmente y los aa hidrófobos, tras interaccionar con la parte apolar de los fosfolípidos, quedan insertados en la membrana. - El translocón queda cerrado 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 fragmentos incluidos) en la membrana es similar a la de las unipaso, salvo porque la proteína posee varias secuencias de detención de la transferencia-anclaje. La proteína puede ser sintetizada en el exterior y el ribosoma sintetiza una proteína libre en el citoplasma y la secuencia de señalización aparece en la mitad de la proteína, total, que ocurre lo mismo de antes en la mitad de la proteína. Puede haber diferentes señales, para comenzar abrir el translocón y para cerrar el translocón. Hay muchas variantes: - Carboxilo fuera amino dentro - Amino fuera carboxilo dentro - Toda la proteína fuera o toda dentro - Proteínas multipaso… Proteínas ancladas a la membrana por anclas GPI ¡¡¡¡(IMPORTANTE)!!!! Las proteínas unidas a la membrana mediante el ancla GPI (glucosil-fosfatidil-inositol) se sintetizan como proteínas transmembranales normales. Sin embargo siguen un proceso diferente: Una transamidasa corta el extremo N terminal en una región cercana al paso transmembrana y traslada la proteína a un ancla preformado de GPI. Este tipo de anclaje permite una mayor movilidad a las proteínas en la membrana. Además, las proteínas que poseen este tipo de anclaje pueden liberarse fácilmente de la membrana. Este sistema es empleado por los receptores de la membrana plasmática de las células, ya que, cuando llega una hormona al receptor una subunidad del complejo del receptor se libera en el interior y es eso lo que le indica a la célula que una hormona se ha unido al receptor. Ventaja de lo anterior: la unión entre linfocitos y patógenos ocurre 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 escapa. Modificaciones de las proteínas que tienen lugar en la luz del retículo - La N-glicosilación o N-glucosilación (en residuos de Asparragina en secuencias Asn-X-Ser o Asn-X-Thr). En el proceso, una molécula de dolicol (transportador lipídico) posee un oligosacárido unido a él. Gracias a la enzima oligosacaril transferasa (transfiere la cadena glucídica a residuos NH de la Asn), este oligosacárido se une a una cadena lateral de un aminoácido de asparragina gracias a un enlace N-glucosídico. Normalmente tiene lugar en proteínas transmembrana. Las tres glucosas que tenía unidas el oligosacárido se pierden cuando este se une a la proteína. Esas glucosas son la señal para que la oligosacaril transferasa sepa que el oligosacárido está completamente formado. Los glúcidos que se añaden facilitan el plegamiento de las proteínas, aportan estabilidad (sobre todo a las secretadas), funciones en la adhesión celular, participan en procesos de respuesta inmunitaria. - Otras modificaciones: o Empaquetamiento y correcto plegamiento de las proteínas: la chaperona BiP y otras chaperonas participan en el correcto plegamiento o Establecimiento de puentes disulfuro, gracias a la acción de la proteína disulfuro isomerasa (PDI) y a las características del pH en la luz del retículo. Son frecuentes en las proteínas sintetizadas en el RER, y raros en las proteínas sintetizadas en el citosol Control de calidad de proteínas 1. Inicialmente se eliminan dos restos de glucosa. 2. Varias chaperonas (calnexina y calreticulina) entre otras eliminan un nuevo resto Glc y proceden al plegamiento de la proteína. 3. Diferentes sensores del plegamiento determinan si se ha realizado de forma correcta (ausencia de regiones hidrofóbicas en superficie). 4. En caso de mal plegamiento puede añadirse de nuevo una Glc y repetir el ciclo. 5. Ante la imposibilidad de alcanzar un buen plegamiento, el complejo EDEM1 elimina varios residuos manosa y la proteína es, mediante el sistema ERAD (degradación asociada al RE), exportada al citosol para su degradación. (Algunas investigaciones apuntan que dicha degradación se podría hacer dentro de la misma luz del RER. Asimetría de las membranas Proteína y lípidos glicosilados en la luz del sistema de endomembranas, quedarán hacia el exterior en la superficie celular, esto se debe a que al formarse las vesículas, las proteínas están hacia el interior, por lo que al fusionarse con la membrana, las proteínas quedan hacia el exterior. Hay proteínas que se sintetizan en el citoplasma y que sin llegar a plegarse y gracias a un péptido señal pasa al RER por un traslocón sufriendo una traslocación post-traduccional Funciones del REL: síntesis y modificaciones de lípidos La mayor parte de los lípidos de membrana se sintetizan en el REL, salvo: - Esfingomielina y glucolípidos (sintetizados en el RE-Golgi) - Algunos lípidos de membranas mitocondriales y de cloroplastos son sintetizados en sus propias membranas. (Teoría endosimbiótica) Las enzimas que sintetizan los fosfolípidos son proteínas integrales de la membrana del RE con su lugar activo dirigido hacia el citosol. Los fosfolípidos recién sintetizados e insertan en la hemimembrana citosólica, posteriormente enzimas como las flipasas o las flopasas o las mezcladoras (“Scramblases”) permiten que los fosfolípidos cambien de una hemimembrana a otra. Las flipasas giran hacia la membrana interna, las flopasas a la externa y las mezcladoras en ambos sentidos, sin gasto de ATP. Exportación de fosfolípidos desde el REL a otras membranas Se realiza a través de una proteína intercambiadora de fosfolípidos. Esta proteína tiene una parte hidrofóbica, lo 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. Transformación REL-RER En función de las necesidades de la célula, el RER puede transformarse a REL (por ejemplo, si hay que detoxificar muchas sustancias) o viceversa (si la célula necesita una gran cantidad de proteínas). Tráfico vesicular Son los movimientos de cargas entre orgánulos diferentes. Estos movimientos de cargas se realizan a través de vesículas. Las vesículas pueden viajar entre orgánulos en un determinado sentido o en sentido inverso, dichos movimientos son regulados por microtúbulos y fibras de actina. 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. Las vesículas surgen en el RE, pero tienen distintos destinos. Las vesículas tienen una manera específica para unirse al orgánulo adecuado. Del RE parte vesículas con elementos a la cara cis del Golgi. A medida que las sustancias pasan por los diferentes sáculos del AG 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 3 vías diferentes, dos de las cuales son vías secretoras, es decir, que vierten su contenido al exterior, para lo cual las vesículas han de unirse con la membrana. - Formación de vesículas lisosomiales (lisosomas primarios), que contienen hidrolasas ácidas para la degradación de moléculas. - Secreción regulada: solo se produce la liberación cuando es necesaria una determinada sustancia (insulina cuando hay mucho azúcar). - Vía secretora constitutiva: se produce continuamente. Vierte su contenido al exterior (glándulas salivales) Transporte de sustancias desde el RE Las proteínas se internalizan en vesículas y van hacia el aparato de Golgi. Algunos autores hablan de un compartimento intermedio entre el RE y el Golgi (CIREG), aunque no se ha probado la existencia del compartimento. Se puede decir que este compartimento es la cara cis del Golgi. Los productos que van en las vesículas no se empaquetan al azar, sino que las vesículas poseen una cubierta que participa en el proceso de selección del contenido de las vesículas. La primera cubierta que se descubrió y la más conocida es la clatrina, que participa en dicho proceso de selección. Participan también proteínas transmembrana, que son receptores de una determinada sustancia. En el extremo citosólico aparecen proteínas adaptadoras que van uniendo los receptores en una parte de la membrana. A estas proteínas adaptadoras se une la cubierta (de clatrina u otra cosa). Las proteínas adaptadoras son muchas veces específicas de cada tipo de receptor. La formación de vesículas: (¡IMPORTANTE!) Las vesículas que van del RE al AP 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 (PA o GAG) 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, COP II..) que induce la curvatura de la membrana. - Hay GTPasas (ARF y SAR1) que dirigen el ensamblaje y desensamblaje de la cubierta. - Además, hay proteínas SNARE que identifican la procedencia de la vesícula y determinan su membrana de destino. Su funcionamiento es el de llave cerradura. Tipos de cubierta: - Clatrina: constituida por la polimerización de trisqueliones. La proteína ARF-GTP dirige el ensamblaje y desensamblaje de la cubierta. Reviste las vesículas originadas en la membrana plasmática y las que viajan del Golgi al endosoma. - COP I: formadas por coatómero. Como en el caso de 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 Golgi. Existen vesículas en las que no se ha conseguido identificar la naturaleza de su cubierta. También existen vesículas desnudas o sin cubierta. 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 ha perdido la cubierta, en la cara citosólica de las vesículas quedan accesibles unas proteína 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 ella (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. Hay un sistema por el cual la célula detecta proteínas que se le escapan a lugares en los que no debería estar (en principio se encuentra en el CIREG?). Estos sistemas recaptan las proteínas que se escapan y las devuelven a donde deberían estar. Los receptores que detectan esto son las proteínas receptoras de KDEL. Esto sucede entre el RE y el Golgi, de manera que aparece una ruta inversa. En las vesículas pueden incorporarse proteínas específicas del RE. Estas llevan secuencias como KDEL (lys.asp.glu.leu) o KKXX (lys.lys.x.x),(x,x pueden ser aminoácidos cualesquiera, pero generalmente suelen ser tipo asp o glu) que son reconocidas por receptores específicos y posibilitan su devolución desde el aparato de Golgi. Aparato de Golgi Orgánulo encargado de la finalización del procesamiento de proteínas y lípidos iniciado en el RE, de su compactación y distribución para el transporte a su destino final. Está formado por un sistema de endomembranas (de entre 8 y 9 nm), que forman cisternas y vesículas, que a su vez forman un dictiosoma. El conjunto de dictiosomas se denomina aparato de Golgi. Además, hay conexiones entre los diferentes dictiosomas. El aparato de Golgi está polarizado, posee una cara cis y una cara trans. En las células vegetales los dictiosomas suelen ser más grandes pero menos numerosos. Selecciona los diferentes componentes(proteínas y lípidos) que le llegan , los almacena y compacta y finalmente los libera en vesículas. Polarización: - Cara cis: se sitúa cerca del retículo endoplasmático. Tiene forma convexa (si miramos el orgánulo desde el RE). A esta zona llegan las vesículas que proceden del RE, lo que se denomina la red cis del Golgi. En ocasiones podemos distinguir un conjunto de vesículas provenientes del RE que se unen sin llegar a formar parte del aparato de Golgi. Eso es lo que se denomina CIREG. - Cara Trans: se sitúa en la parte más alejada del retículo endoplasmático. La membrana es ligeramente más gruesa que la de la cara cis. Además, los sáculos de esta cara poseen un ensanchamiento lateral. De ahí y de la cisterna trans (última cisterna de la cara trans) es de donde salen las vesículas que forman la red trans del Golgi. Estas vesículas son de secreción. Composición química: - Membrana: o Lípidos 35-40 o Proteínas: 60-65 (enzimas, entre las que se encuentran las glucosiltransferasas, las glucosidasas, sulfotransferasas, fosfatasas o proteasas) o Glúcidos - Lumen: o Sales minerales o Glúcidos, como glucosa (Glc), galactosa (Gal) o Mg2+ o Enzimas Funciones: - Funciones metabólicas o Péptidos

Apuntes de Biología Celular (PDF)

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