Tema 9: Núcleo Celular PDF

**Tema 9: Núcleo Celular** 1. **Características generales** En general, en las células eucariotas suele haber un **único núcleo**, aunque puede haber alteraciones en la mitosis que creen células polinucleadas. Hay excepciones de células que fisiológicamente poseen varios núcleos (osteoclastos, cé...

**Tema 9: Núcleo Celular** 1. **Características generales** En general, en las células eucariotas suele haber un **único núcleo**, aunque puede haber alteraciones en la mitosis que creen células polinucleadas. Hay excepciones de células que fisiológicamente poseen varios núcleos (osteoclastos, células musculares esqueléticas). Su **posición** es generalmente **central** (en células no polarizadas), aunque depende de la polarización (adipocitos es excéntrica, en células del músculo estriado esquelético es lateral, y en células epiteliales glandulares es basal). 1. **Composición** El núcleo en interfase contiene cuatro componentes: 1. **Envoltura nuclear**: doble membrana, lámina nuclear y poros nucleares. 2. **Cromatina**: compuesta por ADN e histonas. 3. **Nucleolo**: compuesto por ADN ribosómico y proteínas. Solo es observable con tinción ya que no posee una membrana que lo compartimente. 4. **Nucleoplasma**: no es morfológicamente diferenciable. Se encuentra en fase acuosa con enzimas y proteínas residuales relacionadas con el metabolismo de los ácidos nucleicos. Estas proteínas pueden ser: proteínas ácidas no histónicas unidas a la cromatina o cofactores, precursores, minerales, etc. 2. **Envoltura nuclear** 2. **Doble membrana** La doble membrana posee una **membrana externa y una interna** separadas por el **espacio perinuclear** o cisterna (25-40nm). La membrana nuclear tiene características parecidas al **RER**, como la estructura trilaminar o su composición. Además, la membrana **externa** puede tener **ribosomas** adosados, y, de hecho, puede tener continuidad con el RER. La membrana nuclear **no es una estructura estable**, ya que durante la mitosis desaparece al final de profase y reaparece en la telofase. El retículo contribuye a la formación de la membrana nuclear, ya que permanece unida a fragmentos de cromatina, lo que permite que esta vuelva a aparecer al desorganizarse la cromatina, junto con otros fragmentos membranosos (vesículas) durante la telofase. 3. **Lámina nuclear** Es un material electrodenso asociado a la cara **interna de la membrana nuclear** con estructura de **malla fibrosa** de 30-80 nm de espesor que **separa la cromatina de la envoltura**. Está formada por 3 tipos de filamentos intermedios (polipéptidos): **lámina A, B y C**. Se forman en el **citoplasma**, pero pasan al interior nuclear, y por ello poseen una **señal de localización nuclear (NLS)** que las dirige al núcleo. Esta es una secuencia de aminoácidos que porta su propia secuencia proteica. Tras recibir NLS, sufren un procesamiento, polimerizan y se anclan a la envoltura. Las láminas están compuestas de **monómeros** con dominios en forma de varilla y dos cabezas globulares. Los monómeros se asocian longitudinalmente formando **dímeros**. Los dímeros se asocian unos con otros, formando **polímeros**. Los polímeros se asocian **antiparalelamente** formando **protofilamentos**, dando lugar a las láminas. Estas se unen a **proteínas transmembrana** y a la **cromatina**. La **unión** de la **membrana** **interna** con la **cromatina** permite la relación de la envoltura con el citoesqueleto celular. Por lo que se encargan de la organización de la envoltura y la distribución de la cromatina en el núcleo. Las láminas son las responsables de la **desorganización y organización de la envoltura nuclear** durante la **mitosis**: - - **Profase**: las láminas son **fosforiladas** por **quinasas** y se desorganizan. Al desorganizarse se desorganiza toda la envoltura nuclear. Cuando se fosforilan las láminas-P (Serina) se desensamblan en monómeros de las láminas A y C, y monómeros de láminas B asociados a vesículas, y a proteínas transmembrana, a partir de los cuales se volverá a formar la envoltura. - **Telofase**: las láminas son **desfosforiladas** por **fosfatasas** y comienzan a polimerizar entre sí, reapareciendo la envoltura nuclear. Las ciclinas y las quinasas dependientes de ciclinas son las encargadas de la evolución ciclocelular. Primero se organizan las láminas B y luego las A y C. 4. **Poros nucleares** Los poros nucleares son **interrupciones** de la **envoltura** nuclear debido a la fusión de la membrana externa con la interna, estableciéndose la comunicación entre el citoplasma y el nucleosoma. El **diámetro** del poro es de 120nm (aprox.), pero dentro hay un material electrodenso (**anillo**, **complejo proteico**) que hacen que el espacio útil disminuya a 50nm. El **complejo del poro o anillo** es un complejo proteico formado por 8 componentes, formados en total por más de 400 proteínas, que se encarga de **regular el tráfico del poro**. Las proteínas que lo componen se asocian en **3 regiones**: 1. **Columnar**: perpendicular a la envoltura nuclear. Desde el componente columnar se proyectan 2 finas fibrillas: - **Fibras citosólicas** (hacia el hialoplasma) - **Fibrillas en jaula** o jaula nuclear (hacia el nucleoplasma) 2. **Anular**: dirigido hacia el centro del poro. 3. **Adluminal**: ancla el poro a la envoltura nuclear. Los poros también se desensamblan y vuelven a formarse después de la mitosis. 3. **Transporte nuclear** Pese a los 50 nm de diámetro de los poros, no todas las moléculas de ese tamaño lo atraviesan. Las moléculas de 5kDa difunden rápidamente, las de 17 kDa con mayor dificultad, y las de 44kDa muy lentamente (30 min). Es evidente que tiene que existir un mecanismo de transporte activo. Este es muy **específico** y está **regulado por proteínas**: 1. **Nucleoporinas o complejo anular**: proteínas "de apertura" ancladas en los márgenes del poro que funciona como un diafragma de apertura controlada. 2. **Proteínas transportadoras**: proteínas no asociadas al poro que intervienen en la direccionalidad del poro. Pueden ser **importinas** (9) y **exportinas** (5). 5. **Bidireccionalidad de transporte** Para que se produzca el transporte nuclear es necesaria una **señal en la macromolécula** que va a ser transportada. Esta señal es un **péptido señal** compuesto por 4 o 8 aminoácidos, que presenta prolina, valina y aminoácidos cargados positivamente (arginina y lisina) y que es eliminado al entrar o al salir del núcleo. Estas señales pueden ser de dos tipos: - **Secuencia NLS**: localización nuclear, el destino final de la proteína es **núcleo**. Reconocida por las importinas. - **Secuencia NES**: exportación nuclear; el destino final de la proteína es el **citoplasma**. Reconocida por las exportinas. La direccionalidad del transporte viene dada por la proteína **Ran** (GTP-asa), responsable de mediar el paso de las proteínas en un sentido u otro. Su función está regulada por la unión o hidrólisis de GTP. Los factores lo regulan están localizados en diferentes compartimentos: - - **Ran-GAP:** se localiza en el citoplasma, asociada a fibrillas citoplasmáticas. Activa su función GTP-asa, por lo que al salir al citoplasma hidroliza GTP. - **Ran-GEF:** está en el núcleo asociado a la cromatina. Su función es intercambiar GDP por GTP, al entrar en el núcleo. Esto genera un **gradiente de concentración** de Ran-GDP (citoplasma) y Ran-GTP (núcleo). 6. **Importación** En la importación intervienen las **importinas**, que están formadas por un heterodímero α-β. 1. Tenemos **Ran-GDP** en el citoplasma. 2. La **α-β-importina** reconoce las secuencias **NLS** de la proteína que tiene que ser transportada y forman un complejo. 3. El **complejo** es **cotransportado** al núcleo junto con Ran-GDP gracias al gradiente de Ran, aunque para atravesar el poro necesita unirse al **NTF2**. 4. Tan pronto entra Ran-GDP en el núcleo, **Ran-GEF** cambia el GDP por GTP. 5. El cambio conformacional provoca que **Ran-GTP** tenga más afinidad por β-importina, por lo rompe el complejo α-β-importina con proteína NLS, quedándose GTP unido a β-importina por un lado,α-importina por otro. 6. Debido a la **disociación**, la proteína unida a NLS se separa del complejo, quedando libre en el núcleo. 7. Ran-GTP se encuentra unida a β-importina y sale al citoplasma por el gradiente de Ran, y, mediante cotransporte, sale también α-importina. 8. Tan pronto llega Ran-GTP al citoplasma, Ran-GAP hidroliza el GTP a GDP. 7. **Exportación** En la exportación intervienen las **exportinas**, que se unen por un lado a la proteína con la secuencia NES, que debe ser exportada, y por el otro a Ran-GTP. 1. En el citoplasma **Ran-GDP** necesita para entrar en el núcleo **NTF2**, a la vez que entra en el núcleo, también entra la **exportina** gracias al **cotransporte**. 2. Tan pronto entra Ran-GDP en el núcleo, **Ran-GEF** cambia el GDP por GTP y Ran-GTP gana afinidad por la exportina. 3. La exportina se une a la secuencia **NES** de la proteína que necesita salir del núcleo. Se forma un **complejo** por la exportina y esta proteína. 4. Este complejo sale del citoplasma gracias al **gradiente de Ran**. 5. Tan pronto Ran-GTP se encuentra en el citoplasma, **Ran-GAP** hidroliza el GTP y se rompe el complejo, liberándose la proteína. **Tema 10: Nucleolo** 1. **Características generales** 1. **Estructura** El nucleolo es una estructura nuclear no delimitada por una membrana, formada por: - **Nucleoplasma**: Cavidades interconectadas entre sí con un fluido que contiene gránulos de ADN. - **Nucleonema**: Una parte densa formada por tabiques, entre los que quedan espacios vacíos. Se distinguen 3 regiones: 1. **Centro fibrilar**: finas fibrillas de ADN (mayoritario) y ARN, de 7-9 nm. 2. **Componente fibrilar denso**: alrededor del centro fibrilar. Es más denso y está constituido por fibras y gránulos (ribonucleoproteínas). 3. **Componente granular**: los "tabiques", gránulos de 25 nm (ribonucleoproteínas). 2. **Funciones** - - Fase **activa** (interfase): transcripción del ARNr (ribosomal). - Fase **inactiva**: almacén de reservas proteicas para síntesis de ribosomas (formados por ARNr y por ribonucleoproteínas). 3. 4. **Composición química** En el nucléolo hay una cantidad variable de **ARNr**, del 10 al 30%, y varía dependiendo del tipo celular y su función. El componente mayoritario son las proteínas (fosfoproteínas ácidas y proteínas básicas). Dependiendo del tipo de proteínas que contenga el nucleolo de cada tipo celular este se tiñe de un color u otro, es decir, es **antófilo**. Si contiene **fosfoproteínas ácidas**: basófilo (hematoxilina); y si posee **fosfoproteínas básicas**: acidófilo (eosina). 2. **Nucleolo durante la mitosis** El nucleolo es una estructura **temporal**. Desaparece en la profase y se vuelve a formar al final la telofase, a partir de los **organizadores nucleolares** (regiones de la heterocromatina en el extremo de algunos cromosomas que contienen el gen del ARNr). A partir de ellos se transcribe el ARNr y se forman los **complejos nucleolares**, que se unen formando el nucleolo y que contienen la información para la expresión morfológica de la transcripción del ARN ribosomal. 1. **Transcripción del ARNr** Los ribosomas (80S) de eucariotas están formados por dos subunidades: - - **Subunidad menor** (40S): formada por ARNr 18S. - **Subunidad mayor** (60S): formada por ARNr, 28S, 5'8S y 5S. Todos los ARNr de ambas subunidades se sintetizan en el nucleolo y vienen del mismo gen, excepto el ARNr 5S, cuyo gen se encuentra en la cromatina nuclear (se sintetiza en el núcleo). En la síntesis del ARNr 5S interviene la ARN polimerasa III, que también transcribe el ARNt. Hay 2 ARNr mayoritarios en el nucleolo: **45S** en el componente fibrilar denso y **32S** en el componente granular. Además, existe relación entre los ARN mayoritarios que encontramos en el nucleolo y los de las subunidades de los ribosomas, ya que primero aparece un **ARN precursor (45S)** que tras madurar, da lugar a los ARN del ribosoma. 3. **Funciones de las regiones del nucleolo** 1. **Centro fibrilar** Es responsable de la **transcripción del ARN ribosomal**. Contiene el **cistrón**, conjunto de las múltiples copias del mismo gen que tiene las secuencias que codifican para el ARNr 45S. El cistrón conforma el **organizador nucleolar** (NOR), es decir, cistrón = NOR. Cada copia del gen posee dos segmentos de ADN: \- Región **codificante**: que se transcribe y a la que se une la ARN polimerasa I, de esta región parte una cadena de ARNr asociado a proteínas. \- Región **espaciadora** o no codificante, que no se transcribe. 2. **Centro fibrilar denso** En ella ocurre el **procesamiento del ARNr 45S**. La metilación de las bases del ARNr45S hace que se corte para dar lugar a los ARNr que forman las subunidades de los ribosomas. 1. Una vez completa la cadena de ARN, se unen a ella proteínas, dando lugar al **ARN pre-ribosómico** (45S), que sufre sliplicing. 2. **Metilación de las ribosas**: las metilasas unen grupos metilo a bases del ARNr 45S, de manera que se marcan las regiones que darán lugar a los diferentes tipo de ARN ribosomal maduros, (menos el 5S). 3. **Ruptura de las bases no metiladas**: las proteínas, ARN-asas, cortan las bases no metiladas. Dando lugar a los productos intermedios: 18S, 28S y 5'8S, provenientes de un mismo gen. Hay otro producto intermedio, el ARN 5S. 3. **Componente granular** Gránulos constituidos por ARNr y proteínas que participan en su **maduración** y en la **formación de las subunidades ribosomales**. - **Formación de la subunidad menor** 1. El **ARNr 45S** viaja al centro fibrilar denso, en el que se une a las metilasas ocurriendo un **splicing** que tarda 15min. 2. Se produce la **metilación de las ribosas** que da lugar a la pérdida de las bases no metiladas (mediante la ruptura de las hebras de ARN), quedándose **ARNr 41S**. 3. En el 41S se **eliminan** las ribosas no metiladas, dando lugar al **20S**. 4. El 20S sufre el mismo proceso y forma, por último, el **18S**. 5. El ARNr 18S maduro se une a **proteínas** para formar la partícula **40S**, que forma la subunidad menor del ribosoma, viajando después al citoplasma. - **Formación de la subunidad mayor** 1. El **ARNr 45S** es **metilado** para formar el **41S**, que sufre el mismo proceso de splicing dando lugar al **32S**. 2. El ARN 32S se une a proteínas y al ARN 5S no nucleolar, formando partículas **65S**, que permanecen 40 min en el componente granular. 3. Este se **procesa** (se une a ARN 28S y 5'8S). 4. Es **metilado**, y forma la partícula **60S** (30 min en el nucleolo), que es la subunidad mayor, y luego viaja al citoplasma. **Tema 11: Citoplasma** 1. **Maquinaria de síntesis de proteínas** 1. **Arn mensajero** EL ARN mensajero es el elemento fundamental en la traducción de proteínas. Es un transcrito de un gen. Posee 3 regiones relacionadas con su función: - **Nucleótidos en 5'**: es la secuencia de reconocimiento del ribosoma, es decir, el sitio de unión de la maquinaria de inicio. - **Nucleótidos en 3'**: regulan la estabilidad del ARNm. - **Nucleótidos centrales**: codifican para la secuencia de aminoácidos. Los nucleótidos se encuentran agrupados en tripletes de 3, formando los denominados **codones**. Los codones confieren especificidad al proceso. El **código genético** es **degenerado**, pues cada aminoácido puede ser codificado por varios codones, pero un codón solo puede codificar un aminoácido. Hay dos codones específicos: - **Codón de iniciación AUG**: codifica para metionina. - **Codones de terminación UAA, UAG, UGA**: no codifican para ningún aminoácido. El código genético es **universal**, aunque en procariotas no es muy estricto, lo que permite que se formen proteínas nuevas que pueden ser beneficiosas. En eucariotas está muy regulado. 2. **ARN transferente** El ARN transferente transporta los aminoácidos a la maquinaria de traducción. Posee varias secuencias de tres nucleótidos, denominadas **anticodón,** complementarias a los codones del ARNm. En función de los codones que haya en el mensajero portará un aminoácido u otro. En cuanto a su **estructura**, el ARNt está formado por: 76 nucleótidos que en su estructura secundaria forman 4 brazos con 3 "loops". Esta estructura secundaria da lugar a una estructura terciaria que tiene forma de L invertida. En el **extremo 3'** se une el **aminoácido** (brazo aceptor) y en el **segundo loop** está el **anticodón**. 3. **Ribosomas** El ribosoma es la maquinaria macromolecular donde ocurre la unión del ARNm con los diferentes ARNt-aminoácidos, que darán lugar a un polipéptido. El **apareamiento de bases** entre los codones del ARNm y los anticodones del ARNt **dirige la síntesis**. La **especificidad** del proceso la aporta el **ARNm**. El ribosoma está formado por una **subunidad mayor** y la **menor**, que se encuentran separadas en el citoplasma y solo se unen en el momento de la traducción. Ambas unidades están formadas de **ARNr**, situado el centro de la subunidad, ya que interaccionará con el polipéptido que se está formando, para evitar que este se una a las proteínas del ribosoma; y **proteínas**, situadas en la periferia para evitar esa unión. La **subunidad mayor** se encarga de separar el aminoácido que porta el ARNt y unirlo al polipéptido en formación mediante un **enlace peptídico**, mientras que la **menor** se encarga de **posicionar las 3 bases nitrogenadas** para que se una el ARNt. El ribosoma conta de 3 sitios: - **Sitio A** (aminoacil): donde el ARNt se une a los aminoácidos correspondientes. - **Sitio P** (peptidil): donde se forma el enlace peptídico entre los aminoácidos. - **Sitio E**: por donde sale el ARNt sin aminoácido. El péptido creciente sale del ribosoma por un poro protegido por ARNr en la subunidad mayor, lo que permite que el péptido recién sintetizado no interaccione con otras proteínas. 2. **Traducción** La traducción está dividida en 3 etapas (iniciación, elongación y terminación) reguladas por proteínas con función **GTPasas** y sus GEFs y GAPs. Sin embargo, consta de una fase previa a la traducción. 4. **Fase previa de activación de los aminoácidos** Esta fase ocurre en el citoplasma, y consiste en la unión de los aminoácidos al ARNt gracias a la enzima **aminoacil-ARNt-sintetasa**. Esta tiene dos centros activos, uno donde se une el anticodón del ARNt y otro donde se une al aminoácido específico y ATP. 1. El **ATP** se une a la enzima. 2. El **aminoácido** se une a la enzima. 3. El **ATP se hidroliza** produciendo un cambio conformacional que permite la **unión del ARNt**. Quedándose la enzima unida a AMPc. 4. Se **libera el AMPc**, mediando la unión del aminoácido con el anticodón del ARNt. 5. Se **libera el aminoácido unido al ARNt** de la enzima. 5. **Iniciación** 1. El **ARNm** se une a la **subunidad pequeña** del ribosoma por el extremo **5'**, con la ayuda de **factores de iniciación**. Estos se liberan al llegar el codón **AUG** del ARNm al extremo 5' del ribosoma. 2. El primer aminoacil-ARNt que lleva **metionina**, se une al **codón de iniciación**, AUG, en el **sitio P** del ribosoma. Formando así el **complejo de iniciación**. 3. Proteínas **GTPasas** que actúan como **factores de verificación**, comprueban la interacción complementaria, codón-anticodón. Produciéndose el hidrólisis de GTP. 4. Esto induce la unión de la **subunidad mayor** del ribosoma. Si la interacción codón-anticodón no es complementaria no se hidroliza GTP y no se une la subunidad mayor. 6. **Enlogación** Una vez acoplada la subunidad mayor, los ARNt van proporcionando aminoácidos al ribosoma, siguiendo la secuencia del ARNm. 1. El segundo **aminoacil-ARNt** entra en en ribosoma por el **sitio A**, gracias a la ayuda de **factores de enlongación**. 2. Si la interacción codón-anticodón es correcta, la **peptidiltransferasa**, una enzima de la subunidad mayor del ribosoma corta la unión entre el aminoácido y el ARNt del sitio P y utiliza la energía liberada para formar el **enlace peptídico** entre los dos aminoácidos en el **sitio A**. Este enlace se forma entre el N-terminal del nuevo aminoácido y el C-terminal del polipéptido en formación. 3. El polipéptido queda unido al poro de la subunidad mayor. 4. El **ARNt sin aminoácido** se queda en el **sitio P**. 5. ARNm se transloca, quedándose el **ARNt** en el **sitio E**, saliendo del ribosoma para ser reciclado. 6. Otro aminoacil-ARNt llega y se une al sitio A, produciéndose el mismo proceso. Normalmente, los ARNm de más de 100-200 nucleótidos poseen más de un ribosoma activo unido. A esto se le llama **polisoma,** conjunto de ribosomas traduciendo al mismo tiempo un único ARNm, de modo a ahorrar energía de la célula y dar múltiples copias de la misma proteína. Los polisomas en eucariotas se suelen encontrar en el retículo endoplasmático. 7. **Terminación** 1. Cuando el **codón de terminación** del ARNm se sitúa en el **sitio A** del ribosoma, empieza la fase de terminación. 2. Un **factor de terminación** (eTF1) se une al sitio A. 3. Este posee factores de verificación, por lo que, si la interacción entre el codón STOP y la secuencia del factor de terminación es complementaria, se hidroliza el GTP, gracias a la **peptidiltransferasa**. 4. Esto produce la **ruptura** de la unión entre la **cadena polipeptídica y el ARNt**, en el sitio P. 5. La **cadena polipeptídica se libera** por el poro de la subunidad mayor. Y se liberan también el ARNm, el factor de terminación, y las subunidades del ribosoma. 8. **Mecanismo de acción de los antibióticos** Los **antibióticos** actúan frente a bacterias interfiriendo en la traducción. Su acción se basa en la **inhibición de la traducción de las proteínas de las bacterias**, mediante la modificación de los ribosomas. Algunos de los métodos de actuación son: bloqueo de la unión del ARNt a la subunidad mayor o la formación del enlace peptídico entre aminoácidos. La **resistencia a los antibióticos** muchas veces es causada por la fácil capacidad de **evolución** de estos organismos, por la **debilidad en las uniones** codón-anticodón en la traducción y la menor presencia de factores de verificación. Las bacterias tienen por tanto capacidad para modificar su estructura ribosomal o generar nuevas proteínas. El abuso de los antibióticos también puede inhibir nuestra propia síntesis de proteínas o perjudicar a bacterias beneficiosas como las de la flora intestinal. Ejemplos de antibióticos: cloranfenicol, eritromicinas, tetraciclinas, estreptomicinas. 3. **Plegamiento de proteínas** El **plegamiento de la proteína** (estructura terciaria) es intrínseco a su estructura y de ella va a depender su **función**. Como la proteína no está aislada, cuando el polipéptido tiene unos 40 residuos, empieza a salir y va a estar influenciada por el entorno. La secuencia de aminoácidos permite que la **estructura terciaria sea termodinámicamente estable** (según sus cargas). Cuando la proteína se va a plegar puede sufrir de **fenómenos de agregación** (muy peligroso) debido a que hay muchos elementos en la célula. Para que esto no ocurra, se necesitan una serie de proteínas que harán que sea más rápido el plegamiento, que no se desnaturalice la proteína, que no ocurran los fenómenos de agregación. Estas proteínas son las **chaperonas**. 9. **Chaperonas** Las **chaperonas** son proteínas de la familia **HSP** que evitan la agregación proteica (interacciones específicas), facilitando el plegamiento. Existen varias clases de chaperonas, que en eucariotas se clasifican por su peso molecular, pero en procariotas, mitocondrias y cloroplastos se denominan de forma diferente. No todas las chaperonas hacen que una proteína se pliegue correctamente, sino que algunas ayudan a otras chaperonas, las **cochaperonas**. En general, las chaperonas reconocen **aminoácidos** **hidrófobos**, y mediante ciclos de unión y liberación mediados por ATP, evitan que puedan interaccionar con los aminoácidos de otras proteínas e intentan llevar a cabo un correcto plegamiento. Su **función** principal es facilitar el **plegamiento de proteínas** para evitar su degradación, ya que si se pliegan incorrectamente no son funcionales, (lo que es negativo para la célula). Además, regulan: - Mecanismos de autofagia; - Degradación de proteínas; - Fusión de vesículas en la exocitosis; - Inhibición del proceso de apoptosis; - Mecanismos de señalización, a través del correcto plegamiento de moléculas, y el proceso de endocitosis (HSP70 o HSP60 en el recubrimiento de clatrina). Según su mecanismo de acción se dividen en dos familias: - **HSPs (heat shock protein) y sus reguladores**: son chaperonas moleculares. Se unen a residuos hidrofóbicos y evitan la agregación. Se encargan de plegamientos sencillos. Aumentan su expresión a altas temperaturas. - **Chaperoninas**: son complejos proteicos que aíslan la proteína del entorno. Su estructura genera un espacio propicio para que se produzca el correcto plegamiento de la proteína. 1. **Heat shock proteins** Las HSP pueden actuar individualmente, con cochaperonas o con reguladores. **HSP70**: Es un ejemplo de proteínas de choque térmico. Aumenta su expresión en células sometidas a alta temperatura, para evitar la desnaturalización de sus proteínas. Se unen a **proteínas mal plegadas** o nuevos **polipéptidos plegados parcialmente** (en el ribosoma). Tienen a **HSP40** como **cochaperona** (regulan la actuación de las chaperonas, intercambian ADP por ATP o activan su función ATPasa. Son capaces de inhibir la apoptosis. Podemos encontrarla unida a ATP (estructura abierta) o unida a ADP (estructura cerrada). Mecanismo de acción: 1. **HSP40** **reconoce la proteína mal plegada**, interacciona con ella y, posteriormente, interacciona con HSP70. 2. HSP40 le **transfiere la proteína** mal plegada a HSP70. 3. HSP40 se suelta y cuando **HSP70** está en contacto con la proteínas mal plegada, **hidroliza su ATP**, abriendo su estructura para permitir la entrada de la proteína. 4. Consecuentemente, se queda unida a **ADP** y vuelve a **cerrarse** para poder funcionar. 5. Se une una proteína extra llamada **BAG1** (factor de intercambiador de nucleótidos). 6. Una vez formado el complejo HSP70-proteína-BAG1, BAG1 **intercambia ADP por ATP**. 7. HSP70 **hidroliza el ATP** obteniendo así la energía necesaria para **plegar correctamente** la proteína mal plegada. 8. Finalmente, todo el **complejo se separa**: se libera BAG1, el ADP, la proteína bien plegada y HSP70 (que puede llevar a cabo el correcto plegamiento de otra proteína). La chaperona realiza ciclos de repetición si no se consigue plegar la proteína correctamente. Si nunca se pliega correctamente, por señalización celular la marca para que sea llevada a las **chaperoninas**, y si aun así no se pliega correctamente se marca para ser **degradada**. Esto solo ocurre con proteínas fundamentales para el organismo, sino se degradan directamente. 2. **Chaperoninas** Son muy complejas. Están formadas por un gran número de proteínas y conllevan un **gran gasto energético** (consumen una molécula de ATP por cada subunidad proteica). Ayudan a **polipéptidos nacientes** a plegarse y a **proteínas desnaturalizadas** a replegarse. Para ello secuestran la proteína en una **cavidad cilíndrica** que ellas mismas generan, para proporcionar un ambiente óptimo para el plegamiento. Un 15% de las proteínas requieren de las chaperoninas. Actúan en el caso de que sea imposible la renaturalización por HSP. Tienen una estructura de **dos barriles**. Contienen **dos centros activos** y **dos reguladores**: \- **Centros activos/catalíticos** o **GroEL**: es la **chaperona** como tal. Cada centro está formado por 7 subunidades proteicas, que tienen cada una un sitio de unión de ATP. \- **Centros reguladores** o **GroES**: corresponde a la **cochaperona**. Son dos anillos formados por 7 subunidades proteicas cada uno. Funciona como tapa cuando ha entrado la proteína aplegar para aislarla. Mecanismo de acción: 1. Se introduce la **proteína** mal plegada en el **barril superior de GroEL** y se une una molécula de **ATP** a cada una de las 7 subunidades proteicas. 2. La unión del ATP produce un **cambio conformacional** en GroEL que permite la interacción de GroES. 3. **GroES se une a GroEL** a modo de tapa modificando su conformación y activando su función **ATPasa**. 4. Gracias al ambiente óptimo generado y a la carga negativa de la pared de la cavidad, la **proteína se pliega correctamente**. Se tarda 15s en realizar el intento de plegamiento de la proteína. 5. Una vez plegada correctamente se **hidroliza el ATP**, provocando un cambio conformacional que permite la **separación de GroES de GroEL**, **liberando** así la **proteína**. 6. Cuando se libera la proteína y se separa GroES del barril superior, **entra una proteína en el barril inferior**, y se repite el proceso, pero en el barril inferior. Es un proceso secuencial (no simultáneo), de forma que en **cada ciclo** se pliegan **2 proteínas**. Se gastan 7 ATP por cada proteína, pero en cada ciclo global se gastan **14 ATP**. Se clasifican en 2 grupos: \- **Chaperoninas I**: en mitocondrias y plastos. \- **Chaperoninas II**: en citoplasma de eucariotas, cuya estructura es mucho más compleja. 4. **Degradación de proteínas** Si tras varios ciclos no se consigue el correcto plegamiento, la proteína defectuosa emite unas señales, es marcada y se envía a su degradación o destrucción proteolítica, pues el efecto de una proteína mal plegada puede ser peligroso. Para su marcaje se les une varias ubiquitinas. El proceso de degradación lo lleva a cabo un complejo macromolecular llamado proteasoma. No ocurre en proteínas que se dirigen al retículo (el proteasoma está en el citoplasma). 10. **Mecanismo de poli-ubiquitinación** El mecanismo de degradación necesita que las proteínas que se deben degradar sean marcadas. Para ello se les añade **ubiquitina**, una proteína muy pequeña (76 aminoácidos), en los aminoácidos de **lisina**. Cuando muchas ubiquitinas se unen se produce la **poliubiquitinación**, que hace que se señalen proteínas que se deben eliminar. En la poliubiquitinación intervienen tres enzimas (muy específico): - **E1**: es la **enzima activadora** de ubiquitina. Es la que actúa en primer lugar. Mediante un mecanismo dependiente de ATP une la ubiquitina a un grupo sulfhidrilo de su propia estructura y se la pasa a E2. - **E2**: es una **enzima conjugadora**, que unida a la ubiquitina interacciona con E3. - **E3**: es la **ligasa** de ubiquitina. Por un extremo se une a la enzima conjugadora y por el otro reconoce a la proteína que debe ser eliminada. **Pasa la ubiquitina a las lisinas**. Es decir, primero **E1 activa la ubiquitina**, mediante un proceso dependiente de ATP, le une un grupo sulfhidrilo. Después la **pasa a E2**, que unida a la ubiquitina **interacciona con E3**. E3 transporta la ubiquitina de la E2 y la **une a la lisina** de la proteína mal plegada. Este proceso se repite varias veces, formando una **cola de ubiquitinas** en la proteína mal plegada que es la señal que la marca para ser degradada. El **transporte** de las **proteínas poliubiquitinadas** al **proteasoma** lo llevan a cabo diferentes proteínas o complejos proteicos, que reconocen la cola de poliubiquitinas, como: - Rad23, DSK2 y Ddi1 - Shp1/p47-Cdc48/97 - Complejos asociados a HSPs. Todos tienen en común un **dominio de unión a la cola de poliubiquitinas** (señal) y un dominio de unión al **proteasoma** (a la región reguladora, pues el proteasoma debe reconocer la proteína antes de degradarla). 11. **Proteasoma** El **proteasoma** es una **macromolécula** de 2000kDa, con un coeficiente de sedimentación de 20-26S, formado por varios **complejos proteicos**, encargado de la **degradación de proteínas** mal plegadas. Está formado por dos componentes: - **Centro catalítico**: es la región central de la molécula, encargado de **romper la proteína**. Está formado por 4 anillos superpuestos, formados cada uno por 7 subunidades. Los 2 anillos laterales o **anillos α** y los 2 anillos centrales o **anillos β**. - Los **anillos α** están relacionados con el **reconocimiento de la proteína**, gracias a la cola de poliubiquitinas, para que no destruya cosas al azar. - Los **anillos β**, son las proteasas, encargadas de **romper la proteína mal plegada** en péptidos o aminoácidos que la célula regenera y vuelve a utilizar para una nueva traducción. - **2 complejos reguladores**: a ambos lados de los discos catalíticos, se unen dos subunidades reguladoras. Existen dos tipos diferentes de complejos proteicos reguladores que corresponden a 2 tipos distintos de degradación. - **PA-700**: formada por 17 subunidades proteicas, 6 de ellas ATPasas. Se une a **ambos lados** del centro catalítico, para destruir la proteína poliubiquitinada. Este es un proceso **dependiente de ATP**. **Captura** las **proteínas** **poliubiquitinadas** y las **introduce en el centro catalítico**, donde se degradan. La cola de poliubiquitinas no se degrada, sino que se recicla. La salida de la proteína degradada no requiere ATP. - **PA-28**: formada por 7 subunidades, solo se une a **un extremo** del proteasoma. Actúa degradando las **proteínas oxidadas**, peligrosas para las células, ya que pueden inducir su degradación (no están poliubiquitinadas). No requiere ATP. Este proceso de degradación de proteínas es constante en las células (siempre hay que eliminar proteínas, es un **proceso constitutivo**). Si el **mal plegamiento de la proteína ocurre en el RER**, la proteína tiene que ser translocada al citoplasma para sufrir el mismo proceso.