BIOLOGÍA CELULAR Y GENÉTICA MÉDICA

TEMA 1. Introducción al estudio de la célula.

HISTORIA DE LAS CÉLULAS

Leewenhoek en el 1500-1600 pulía bolas de cristal (consideradas microscopios simples) y observó espermatozoides y bacterias y los dibujó.

Ya en 1665 Robert Hooke también con lentes sencillas observó láminas de corcho que había cortado muy finas. Pudo observar así una especie de celdas semejantes a un panal de una colmena y la denominó célula. Lo que realmente observó era la pared celular, ya que las células de corcho son células muertas en las que desaparece la membrana plasmática.

Alrededor de 1838 Schleiden y Schwann enunciaron la “teoría celular”; principio que establece que la célula es la unidad estructural y morfológica de los seres vivos.

A partir de esto se considera que todos los organismos están constituidos por células. Más tarde Virchow considera que las células derivan todas de otras preexistentes por lo que concluyó y completó la teoría celular:

Esta teoría fue extrapolada a diferentes ámbitos y conceptos como el tejido epitelial, muscular y nervioso, pero en este último caso esta teoría no se cumplía. Aquí intervino Ramón y Cajal afirmando que el tejido nervioso estaba formado también por células independientes (neuronas). Hasta aquel entonces el tejido nervioso era una excepción, dando lugar a una teoría, más tarde rechazada, la teoría reticular.

En 1980 aparece el primer microscopio electrónico, el cual gozaba de una mayor resolución en las imágenes; por lo que se descubren los diferentes orgánulos celulares. Destacamos autores como Ruska, Palade Blade y de Dive. Se desarrollan también nuevos instrumentos de laboratorio, así como se ampliaban poco a poco los conocimientos. Técnicas como la centrifugación diferencial hace posible separar los diferentes orgánulos al centrifugar a diferentes velocidades según la densidad.

Se avanzó también en cultivos celulares para estudiar el proceso de división y muerte celular (regulación de función celular).

Los descubrimientos en el ciclo celular se lo debemos en gran parte a Paul Nurse o a Margulis en el proceso a través del cual aparecieron las primeras células eucariotas.

CITOLOGÍA (estática, estructural) " BIOLOGÍA CELULAR (dinámica)

ORIGEN Y EVOLUCIÓN DE LA CÉLULA

La Tierra se formó alrededor de hace 4600 millones de años; sin embargo, la primera célula hace 3800 millones de años.

La atmósfera primitiva carecía de oxígeno y contenía dióxido de carbono (CO2) y nitrógeno (N2), además de otras sustancias como nitrógeno (N), monóxido de carbono (CO), azufre (S), ...

Alrededor de 1950 se llevó a acabo una simulación de lo que pudo ser esa atmósfera primitiva en un pequeño recipiente. Así y en presencia de agua (H2O) y tras una descarga eléctrica se formaban pequeñas moléculas como aminoácidos, ácido fórmico, es decir, moléculas orgánicas a partir de hidrógeno gas (H2), amoniaco (NH3) y metano (CH4).

De este modo surgieron las primeras proteínas, es decir, polímeros o macromoléculas formadas a través de monómeros.

Estas proteínas necesitarían autorreplicarse para poder reproducirse y evolucionar. Por ello se cree que los ácidos nucleicos (ARN) dieron lugar más tarde a cadenas siendo asó el material genético inicial en la organización de la vida (debido a su capacidad de autorreplicarse).

Así suponemos que la primera célula apareció cuando una molécula de ARN se rodeó de una capa de fosfolípidos (primer membrana biológica) siendo capaz de dividirse y evolucionar. Esa primera célula necesitaba energía, la cual obtenía directamente del ambiente, es decir, otras moléculas orgánicas que se encontraban en ese entorno. De este modo fueron evolucionando hasta obtener energía por sí mismas.

GLUCOSA ! ÁCIDO LÁCTICO ! ATP

El siguiente paso se cree que fue la fotosíntesis; que como sabemos necesita una fuente luminosa y dióxido de carbono (CO2) lo que transformaría la composición de la atmósfera primitiva.

El sistema que hizo posible esta evolución debía de cumplir tres características:

Estas características definen a un organismo vivo.

Definición de célula: es la unidad mínima viva que contiene características propias de la vida (estructura, función, concepto de aislamiento, de tomar energía y de dividirse).

TEMA 2. La célula como unidad morfo-funcional.

SISTEMAS

• Virus (porque carecen de metabolismo o se aprovechan de otra célula).

• Priones (complejos proteicos sin metabolismo)

• Celulares:

• Procariotas o bacterias (carecen de núcleo)

• Eucariotas (tienen núcleo)

DIFERENCIAS ENTRE PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS

	PROCARIOTAS	EUCARIOTAS
ENVUELTA CELULAR	No poseen, el ADN se encuentra libre, por lo que sus funciones tienen lugar en el mismo lugar: citoplasma	ADN limitado, permitiendo que sus funciones tengan lugar en sitios localizados
ADN más PROTEÍNAS	No poseen proteínas	Unido a histonas permitiendo el plegamiento del ADN ocupando espacio
ORGÁNULOS	No hay orgánulos como tales	Sí posee. Son compartimientos donde tienen lugar diversas funciones
RIBOSOMAS	70s	80s
CENTRÍOLOS	No poseen	Sólo en animales
MOVIMIENTO INTRACELULAR (interior de la célula)	No	Sí
DIVISIÓN CELULAR		Mitosis y meiosis
TAMAÑO	1 micrómetro de diámetro	10 micrómetros de diámetro
PESO	10 -12 gramos	10-9 gramos
TAMAÑO ADN	10 -14 gramos	10-12 gramos

CÉLULA EUCARIOTA

COMPONENTES:

• Membrana plasmática: bicapa de fosfolípidos y proteínas que aísla a la célula del entorno y permite su comunicación con el exterior. Es similar a todas las demás membranas biológicas y está rodeada de la matriz extracelular o de otras células como en el caso del tejido epitelial. También permite el intercambio de información entre células o de éstas con el exterior, gracias a las microvellosidades.

• Núcleo: es el centro rector de toda la actividad celular, contiene el ADN (lineal y no circular). En él tiene lugar la síntesis de ARN y está limitado por una envuelta nuclear constituida por dos membranas de la misma composición que la membrana plasmática, ésta posee poros que permiten el intercambio de sustancias y en su interior se encuentra la cromatina.

• Citoplasma: contenido entre el núcleo y la membrana citoplasmática. Consta de:

• Citosol o hialoplasma: medio líquido en el interior de la membrana plasmática.

• Orgánulos: componentes de la célula con estructura y función definida, que son necesarias para que la célula sea funcional y se mantenga viva.

• Orgánulos relacionados con la obtención de energía: mitocondrias.

• Orgánulos limitados por una membrana (sistema de endomembranas): retículo endoplasmático, aparato de Golgi y sistema endolisososmal (íntimamente relacionados).

• Peroxisomas: llevan a cabo funciones oxidativas.

• Ribosomas: no poseen membrana, están encargados de la síntesis de proteínas. Aisladas o asociadas a membranas.

• Centriolos: generalmente son dos y no poseen membranas.

• Metaplasma: formaciones citoplasmáticas con función y estructuras definidas. No son necesarias para la vida celular sin para aquellas que las poseen lleven a cabo su función. Se compone de microtúbulos, microfilamentos y filamentos intermedios (ej. Células musculares).

• Paraplasma: formaciones en el citoplasma de algunas células y normalmente son sustancias de reserva o de desecho (glucógeno, cristales). No son necesarios ni para la vida ni para la función celular.

CARACTERÍSTICAS GENERALES

• Composición química:

• Agua: 75%

• Proteínas: 10-12%

• Lípidos: 1-2%

• Glúcidos: 1%

• Ácidos Nucleicos: 1%

• Sales minerales, iones metálicos (Na +, K+, Cl+, ...)

2- Propiedades químicas:

• En conjunto posee un pH neutro,

• Tamaño:

• Variable (5 micrómetros - 2 centímetros). Es controlado por diversos factores, como el núcleo que al aumentar de tamaño la célula entra en división. El amaño del organismo nunca depende del tamaño celular.

• Relación del volumen del núcleo y del citoplasma (suele ser constante para cada tipo celular).

Vn = Vn

Vcit Vcel - Vn

Cuando dicha relación se modifica, la célula inicia la división.

• Forma:

• Si las células están aisladas tienden a la forma redondeada, pero la forma está determinada por otras células de alrededor, atendiendo a la presión que ejerzan. En cualquier caso adoptan la forma más adecuada a su función.

Ej. Las células de los músculos son alargadas para llevar a cabo la contracción. Los linfocitos son redondeados.

• Color:

• Generalmente son incoloras, aunque en algunos casos sí, por la presencia de pigmentos endógenos (melanina, hemoglobina) o exógenos (ingestión, pero temporal).

• Polaridad morfofuncional:

• Las células adoptan sus formas a la función que desempeñan. Los orgánulos tienen distinta localización atendiendo a la función de la célula que los contienen. Ej. Los adipocitos tienen el núcleo totalmente desplazado.

TEMA 3. La membrana plasmática I.

MEMBRANA PLASMÁTICA

CONCEPTO.

Forma el límite celular, que limita el medio interno del externo. Es la estructura que define la identidad de la célula. Es dinámica y actúa como barrera selectiva de sustancias por lo que ella determina la composición del citoplasma, por lo que no es una barrera física. Es una bicapa lipídica con proteínas y algunos lípidos.

Comparte la misma estructura que otras membranas celulares pero con otra función. A parte de controlar el transporte también media en la comunicación-interacción con la matriz extracelular u otras células.

HISTORIA

En el siglo XIX ya se tenía constancia de un límite externo en las cédulas. Se observó que si las células se encontraban en un medio coloreado, el colorante no penetraba, y si este se inyectaba, no salía; por lo que debía haber un límite.

Uno de los primeros científicos fue Overton en l895.

En 1897 Langmur vio que si ponía fosfolípidos en un medio acuoso formaban capas o micelas.

En 1925 Gorter y Grendel estudiaban eritrocitos y midieron la superficie externa de uno de ellos, rompieron del eritrocito (la membrana) y se quedaron con los lípidos y observaron que ocupaban el doble de la superficie de la célula; por lo tanto éste límite externo debía ser una bicapa. Pero al medir la tensión de la célula no se correspondía con la tensión superficial de la bicapa de lípidos.

En 1935 Dawson y Danielli proponen el modelo en sandwdich para explicar la estructura de la membrana. Además de lípidos sostuvieron que en su parte externa contienen proteínas.

En 1972 Singer y Nicholson proponen el modelo de mosaico fluido para explicar la estructura de la membrana ya con el microscopio electrónico.

Anteriormente, hacia 1960, Roberson con microscopía electrónica define la membrana como una estructura trilaminar y es modelo de todas las membranas biológicas.

En 1999 aparece el modelo en balsas que sustituye al de mosaico fluido.

ULTRAESTRUCTURA.

La membrana plasmática se puede observan en el microscopio electrónico cuando se fijan y se tiñen las células con metales pesados, en concreto con el tetraóxido de osmio. El osmio se une a la cabeza de los lípidos, observando dos bandas densas separadas por una clara (con pocos aumentos solo se distingue una sola línea). Esto se conoce como unidad de membrana de Roberson (todas las membranas responden a éste modelo trilaminar) su espesor es de 7-7,50 nm., para otras membranas varía.

COMPOSOSICION QUÍMICA

Varía de unas membranas a otras. Todas se componen de proteínas, lípidos y glúcidos, pero la proporción de proteínas y lípidos depende de la función celular.

Los lípidos proporcionan la arquitectura y las proteínas su función.

El modelo celular utilizado son los eritrocitos: 52% de proteínas 40% lípidos y 10% de glúcidos.

Cuanto más activa sea la membrana hay mayor protección de proteínas.

• Lípidos: constituyen el armazón estructural y todos ellos son moléculas anfipáticas que tienen dos extremos, un extremo hidrofílico y el otro hidrofóbico.

Son fundamentalmente tres:

• Fosfolípidos (mayoritarios, 70-80%). Constan de una cabeza polar y de dos colas de ácidos grasos, siendo una insaturada y la otra saturada; por lo tanto una de ellas posee dobles enlaces. Por los dobles enlaces puede modificar su posición.

Destacan cuatro :

• Fosfatidilcolina (más abundantes en la capa externa)

• Esfingomielina (más abundantes en la capa externa)

• Fosfatidilserina (más abundantes en la capa interna)

• Fosfatidiletanolamina (más abundantes en la capa interna)

• Fosfatidilinositol (desencadena diferentes reacciones intracelulares. Se encuentra en la capa interna)

• Esteroles: el más abundante es el colesterol, que aparece en las células animales, en ambas caras de la membrana y se sitúa entre los fosfolípidos.

• Glucolípidos: son poco abundantes y exclusivamente se encuentran en la cara externa de la membrana.

• Proteínas: son las responsables de llevar a cabo las funciones de la membrana plasmática; se encuentran inmersas en la bicapa de lípidos o fuera de ella, y según su localización se clasifican en dos grupos:

• Periféricas: se disocian de la membrana fácilmente con tratamientos suaves. Se encuentran por fuera de la membrana y no se insertan dentro de la bicapa.

• Integrales: son difíciles de separar de la bicapa lipídica, hay que tratar a la membrana con disolventes muy fuertes que disuelven los lípidos. Son transmembranales, atravesando toda la membrana pero pueden ser unipaso o multipaso.

Tipos de proteínas:

• Receptores : actúan como receptores de información del exterior. Normalmente son unipaso.

• Antígenos: son integrales

• Enzimas que catalizan diferentes reacciones. La mayoría son periféricas

• Canales y poros: son integrales y poseen un canal por donde pasan diferentes sustancias.

• Transportadores: son integrales y ayudan a transportar diferentes sustancias.

• En las bacterias hay además porinas, que son proteínas que hacen a la membrana permeable al agua, forman canales acuosos que permiten el paso del agua (en la industria farmacéutica se actúa sobre ellas para destruir las bacterias)

3.- Glúcidos: son componentes minoritarios en la membrana y que nunca aparecen aisladas sino que aparecen con glucolípidos y glucoproteínas. Los glúcidos no contribuyen a la estructura de la membrana pero son muy importantes para la estabilización de las proteínas, para el reconocimiento y adhesión celular. Siempre se encuentran en la cara externa de la membrana.

Glucocáliz, glucolálix: conjunto de glúcidos situados en la parte externa de la membrana plasmática.

TEMA 4. La membrana plasmática II.

Funciones:

• Reconocimiento y fijación de sustancias que van a entrar a la célula por endocitosis.

• Intervienen en el reconocimiento entre células.

• Propiedades inmunitarias ( Ej. Grupo sanguíneo).

• Interacción con los componentes de la matriz extracelular.

MODELOS DE MEMBRANA

- Modelo de mosaico fluido: los fosfolípidos se disponen formando una bicapa, los extremos hidrofílicos se sitúan hacia el interior celular y los extremos hidrofóbicos hacia el exterior. Entre los fosfolípidos se sitúa el colesterol y las proteínas se encuentran entre ellos ya sean integrales o periféricas. Dan fluidez a la membrana, lo que permite el movimiento de la membrana, además todos los componentes de la membrana se están moviendo continuamente.

Movimiento de los fosfolípidos:

1.- Movimiento de las colas (flexión): debido a los dobles enlaces, a la flexión de las colas.

2.- Rotación sobre sí mismos.

3.- Pueden difundir lateralmente pero dentro de la misma parte de la bicapa.

4.- Pueden pasar de una capa a la otra ayudados de unas enzimas que son las flipasas.

Las proteínas también se mueven.

La fluidez de la membrana también dado por la estructura de los ácidos grasos: si las colas de los ácidos grasos es más fluída, la presencia de dobles enlaces también hace que la membrana sea más fluída. La temperatura también afecta a la fluidez de la membrana, a temperaturas altas disminuye la fluidez de la membrana, pero a temperaturas bajas facilita la fluidez de la misma.

La membrana plasmática es asimétrica, va a tener dos caras: externa (E) e interna (P) (citosólica). La presencia de glúcidos fuera de la membrana y de proteínas también se encuentran de forma asimétrica.

- Modelo en balsas: la arquitectura de la membrana es un mosaico fluido pero tiene unos microdominios particulares. Hay mayor proporción de colesterol y de esfingolípidos, también en ése microdominio las colas de los fosfolípidos son las largas y más gruesas. Ésas zonas para lo que sirven es para unirse con más facilidad a otras proteínas, en ésas regiones se unirían de una forma mejor a otras proteínas o a otras sustancias lo que facilitaría la función de la membrana..

FUNCIONES DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA

1.- Es límite celular.

2.- Controla el paso de sustancias entre el medio exterior e interior (transporte)

3.- Realiza comunicación entre células adyacentes.

4.- Sirve para la adhesión a otras células con matriz extracelular.

5.- Transmite señales bioeléctricas :

DIFERENCIACIONES: Las que interviene en los procesos de reconocimiento y en la comunicación entre células.

TRANSPORTE DE SUSTANCIAS A TRAVÉS DE LA MEMBRANA CITOPLASMÁTICA

• Gases: O2 CO2, N2.

• Moléculas hidrofóbicas: benceno, glicerol.

• Moléculas polares de pequeño tamaño que no se encuentran cargadas: agua, etanol, urea.

• Moléculas polares grandes: no pueden pasar a través de la membrana (glucosa, galactosa, lactosa).

• Moléculas cargadas pequeñas: iones (Na+, K+, Ca+2, Cl-).

• Moléculas cargadas grandes: aminoácidos.

La membrana plasmática es semipermeable y todas las membranas biológicas también. El transporte a través de la membrana viene dado por la concentración de las sustancias a transportar y teniendo en cuenta los gradientes eléctricos (gradiente electro-químico). Aunque también muchas sustancias se van a mover en contra del gradiente.

TIPOS DE TRANSPORTE

• Transporte de moléculas pequeñas: se puede clasificar dependiendo de si el transporte lleva un consumo de energía o en función de las moléculas que transporta.

• Transporte pasivo: no conlleva gasto de energía, siempre se realiza a favor de gradiente electroquímico. Las sustancias se transportan en el sentido de mayor concentración a donde hay menor concentración. De esta manera se transportan gases, moléculas hidrofóbicas, moléculas no cargadas de pequeño tamaño.

• Difusión simple: la molécula difunde. Atraviesan las moléculas sin nada.

• Difusión facilitada: para el paso a favor de gradiente esa molécula se puede ayudar de proteínas que se encuentran en la membrana citoplasmática, en ese caso no hay gasto de energía pero necesitan la ayuda de esas proteínas (canales y transportadores), llamándose entonces difusión facilitada.

• Canales: los canales son proteínas que se encuentran en la membrana citoplasmática y que en su interior tienen un agujero, pero ese canal puede o no estar abierto. Cuando está cerrado no permite el paso de sustancias y cuando está abierto permite el paso libre de sustancias. Los canales están regulados por las sustancias que van a unirse, pueden estar regulados también por voltaje (por diferencias de cargas) de tal manera que cuando haya diferencia de cargas se abra el canal o también por un estímulo mecánico. Los más comunes son los canales de: Na+, K+, Ca+2, Cl-. En todas las membranas de los compartimentos celulares también hay canales. La alteración de un canal es grave en los humanos. La fibrosis quística se debe a la alteración de un canal de la membrana plasmática.

• Transportadores: cambian de conformación dejando expuestos los sitios de unión de la molécula transportada y en el momento en que se une la sustancia a transportar cambia la morfología de la proteína permitiendo que esa molécula pase al interior de la célula. Con ayuda de transportadores pasan los azúcares y los aminoácidos sin que se produzca un gasto energético. En las células procariotas hay un tipo de proteínas llamadas Ionóforos, que son pequeñas moléculas hidrofóbicas que tienen una capacidad muy alta para dejar pasar iones, por lo tanto esas células pueden modificar la concentración de iones con gran rapidez.

2- Transporte activo: en condiciones fisiológicas normales la concentración de los principales iones es muy distinta en el exterior y en el interior celular y hay que mantener esas diferencias de concentración para que la célula funciones correctamente. Si hay transporte en contra de gradientes se pueden mantener esas diferencias de concentración. La mayor parte de este transporte se lleva a cabo a través de las bombas iónicas. La bomba de ATPasa Na+/K+ consume el 25% del total del ATP que tiene la célula ya que se encuentra funcionando constantemente.

Otra bomba es la de calcio, Ca+2, saca calcio de la célula, sería un transporte uniporte, con un gasto de energía (ATP). En los compartimentos celulares son muy corrientes las bombas de protones para mantener pH particulares dentro de esos compartimentos. El transporte activo también puede hacerse por transportadores, a diferencia de la difusión facilitada con gasto de energía. A través de transportadores se realizan los siguientes transportes.

• Transporte de moléculas grandes: se encuentra mediada por la formación de vesículas.

• Endocitosis:

• Fagocitosis: ingestión de partículas de un diámetro mayor de 250 nm. (Bacterias, patógenos). Para llevarla a cabo, ese cuerpo extraño tiene que ser reconocido por la célula, en la membrana hay unos receptores para identificar a ese cuerpo extraño (proteínas, glicoproteínas), la partícula es reconocida y se pega a la membrana citoplasmática a través de esos receptores. Se reorganiza el citoesqueleto de tal forma que la célula emite unas prolongaciones llamadas pseudópodos para englobar a dicha partícula. Se fusionan las dos prolongaciones y queda la partícula en el interior rodeada de una membrana, quedando una vesícula denominada fagosoma.

• Pinocitosis (Endocitosis): es un proceso común a todas las células eucariotas. Ingestión de partículas de pequeño tamaño, menor de 150 nm. Este término se utiliza sólo cuando nos referimos a partículas liquidas.

1.- Endocitosis mediada por receptor-clatrina:

Reconocimiento de las partículas por los receptores que se encuentran en la membrana de la célula. Cada sustancia se une a su correspondiente receptor. Si no estuvieran en a misma zona de la membrana se produce el agrupamiento de receptores en algunos puntos de la membrana. En la zona de membrana donde están los receptores unidos a sus ligandos, esos receptores tienen un recubrimiento, ese recubrimiento es la clatrina, esa clatrina es al responsable de que la membrana se invagine para formar una vesícula. Se forma una depresión en la membrana. LA clatrina es una proteína constituída por seis cadenas, varias de esas caltrinas se unen y forman lo denominado Trisquelión. Cada trisquelión está constituido por las tres clatrinas pesadas y por las tres clatrinas ligeras, forman hexágonos y pentágonos de tal manera que pueden cerrar la vesícula. Esa clatrina se une a los receptores que se encuentran en la membrana mediante otras proteínas que son las adaptinas. Inmediatamente después de formarse la vesícula, se pierde la clatrina. La clatrina para polimerizar necesita energía (ATP). Cuando se pierde la clatrina también es un proceso dependiente del ATP. Normalmente esa vesícula de endocitosis se une al endosoma temprano, que está cerca de la superficie de la célula, para algunos autores; pero para otros autores la fusión de estas vesículas de endocitosis daría lugar a la formación del endosoma. Los receptores quedan en la membrana del endosoma y el contenido en el interior. Esos receptores se reciclan, a partir del endosoma. El contenido de esas vacuolas puede que se quede en el interior celular o que se expulse al exterior y lo que se formaría sería una vacuola de exocitosis, formándose el reciclaje de los receptores y parte del contenido puede volver al exterior. Es un proceso continuo.

2.- Endocitosis medida por receptor-caveolina: los receptores se encuentran agrupados en zonas de la membrana se denominan caveolos. Parece que esas regiones de caveolas coinciden con esos microdominios de la membrana plasmática.

3.- Macropinocitosis: se forman vesículas de mayor tamaño llenos de líquido.

2.- Exocitosis:

La salida de macromoléculas desde la célula hacia el exterior. Vesículas que se forman dentro del citoplasma y que se van a fusionar con la membrana plasmática. Las vesículas pueden proceder del Aparato de Golgi o del endosoma. Esa exocitosis implica una serie de procesos. El primer paso es el reconocimiento específico de la membrana de la vesícula con la membrana citoplasmática. El siguiente paso es la fusión entre ambas membranas, para que se produzca la fusión se necesita un aumento de la concentración de calcio intracelular y esas vesículas se liberan del citoesqueleto y quedan libres para que se produzca la fusión entre ambas membranas. Actúan como intermediarios unas proteínas que son las anexinas.

3.- Transcitosis: entrada de sustancias por un lado de la célula y salen por otro. Este proceso ocurre en los vasos sanguíneos.

Tema 5. La membrana plasmática III.

DIFERENCIACIONES DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA

Sirven para anclarse a otras células o a la matriz extracelular o para unirse a otras células. Según un criterio funcional o según la superficie de la membrana que ocupan se pueden dividir en:

• Según su función:

• Uniones estrechas = ocluyentes: son uniones que ocluyen el espacio entre dos células. No existe espacio intercelular. Aparecen como pentalaminares a microscopía electrónica.

• Adherentes = anclaje: en este caso fijan la célula a otra célula o a la matriz extracelular. Este tipo de uniones van acompañadas de elementos del citoesqueleto.

• Comunicantes en hendidura (GAP JUNCTION): permiten una comunicación entre dos células. A microscopía electrónica son también heptalaminares, pero el espacio intracelular es más reducido que en las uniones de anclaje. Parece que no van acompañadas de elementos del citoesqueleto.

• Según su extensión:

• Zonulas: rodean completamente a la célula.

• Fascias: son más pequeñas y suelen ser irregulares.

• Maculas: son puntos concretos, son uniones puntuales.

Diferenciaciones y su estructura:

1.- Las zonulas ocluyentes: esas zonulas ocluyentes también se denominan uniones estrechas. Va a desaparecer el espacio intercelular entre dos células. Ej. Células de nuestro intestino y en los vasos sanguíneos. En realidad es una fusión total, se ve cómo esa fusión sólo se produce en puntos concretos donde están fusionadas. Hoy sabemos que se produce la fusión en esos puntos concretos por unas proteínas denominadas ocludinas que pasan de una membrana a la otra, por tanto, sellan las membranas de dos células. Son dinámicas, no son estructuras estáticas. Si se despolimerizan desaparecen y las células no aparecen selladas.

2.- Zónula adherente o también llamada banda de adhesión: a microscopía electrónica aparecen como heptalaminares. El espacio entre ambas membranas es de alrededor de 25 nm, que es un espacio poco denso a los electrones y aparece a microscopía electrónica una zona más densa a los electrones y se unen filamentos de actina del citoesqueleto y el espacio intracelular se pueden observar densificaciones. Se encuentran en las membranas de las células que permiten la unión de la célula a otras células. Las cateínas se unen a los filamentos de actina, componentes del citoesqueleto, pero no lo hacen directamente, sino a través de proteínas intermediarias, una de esas proteínas es la vinculina. Son muy frecuentes en células epiteliales.

3.- Máculas adherentes = desmosoma: es una diferencia puntual. El aspecto a microscopía electrónica es muy parecido a las zonulas adherentes, pero los componentes del citoesqueleto no son filamentos de actina, sino filamentos intermedios, que están constituidos por proteínas. En el caso de la célula epitelial son filamentos de queratina y en células del sistema nervioso son vimentina. En el espacio intercelular se encuentra las cadherinas que son transmembranales. Por dentro de la membrana plasmática la densificación es mayor que en el caso de las zonulas adherentes, es una placa más densa a los electrones y está constituida por proteínas que las más importantes son la placoglobina y la desmoplaquina aunque estas proteínas dependen de los distintos tipos celulares y unida a esta placa están los filamentos intermedios. Son muy abundantes. Normalmente aparecen los tres tipos de diferenciaciones celulares en células epiteliales y en el orden de zonulas ocluyentes, zonulas adherentes y máculas adherentes y se denomina banda de cierre o complejo de unión, en las bandas de cierre suelen aparecer otro tipo de diferenciaciones de la membrana que son las interdigitaciones, que son invaginaciones y evaginaciones de la mebrana de la célula que coinciden con las opuestas y se sitúan en las caras laterales de la célula, como los complejos de unión.

4.- Uniones comunicantes = GAP JUNCTIONS: normalmente hablamos de fascias, aunque también como máculas. Permiten la comunicación rápida entre células. A microscopía electrónica se ven como heptalaminares pero el espacio intercelular está muy reducido, del orden de 2nm mide el espacio intercelular. En el punto donde hay una unión comunicante aparecen unas estructuras denominadas conexones, estructuras proteicas con 6,5 nm de diámetro y que aparecen en la membrana de una célula y en la membrana opuesta aparece otro conexon. Donde hay una fascia comunicante aparecen muchos conexones. Cada conexon está constituido por unas proteínas llamadas conexinas, que se disponen dejando un hueco central de alrededor de 1,5 nm. Se han descrito hasta 11 tipos de conexiones distintas. Sirven para el paso rápido de información. Son canales de comunicación, de esa manera se permite un paso rápido de información. Son muy importantes en las células musculares, sobre todo en las células musculares del corazón, en la contracción cardiaca. También son muy importantes durante el desarrollo. Es importante que estas células unidas puedan separarse de una manera rápida e impidan el paso de información de unas células a otras.

5.- Contactos focales: son uniones de unas células a la matriz extracelular. Los contactos focales por su extensión son muy parecidos a las zonulas, ocupan una gran extensión de la célula y suelen aparecer en fibroblastos, que se encuentran en el tejido conjuntivo. En la membrana plasmática de la célula que se adhiere a la matriz extracelular se encuentran unas proteínas denominadas integrinas. También están implicados filamentos de actina que a través de diferentes proteínas se unen estos filamentos de actina y las integrinas. Esas proteínas son: vinculina, paxilina, talina, etc.

6.- Hemidesnosomas: son uniones puntuales de la célula con la matriz extracelular, suelen ser máculas. La estructura está formada por una placa compuesta de proteínas (BAPG1, HD1) a las cuales se unen filamentos intermedios. La unión entre las membrana plasmática de la célula con la matriz extracelular es mediante las integrinas. Normalmente aparecen en las caras basales de la célula.

Otras diferenciaciones de la membrana plasmática

1.- Microvellosidades: son expansiones en forma de dedo que aparecen en las caras apicales de la célula. Sirven para aumentar la superficie de absorción, debido a que aumentan la superficie de la membrana. La célula que las presentan tienen del orden de 100 a 200 microvellosidades. A microscopía óptica se observa la superficie de la célula como los dientes de un peine, por eso se conocen con el nombre de ribete en cepillo. En su interior tienen paquetes de filamentos de actina cada vellosidad (entre 30 y 40 filamentos de actina) que se unen a otros filamentos que hay en el interior de la célula. Los filamentos de actina que aparecen en la microvellosidad se mantienen paralelos gracias a dos proteínas, la fimbrina y villina. Cuanto más superficie de membrana se pueda formar más vesículas de endocitosis se pueden formar. Son muy abundantes en las células que revisten las células del intestino.

2.- Estereocilios: son expansiones que aparecen en la cara apical de la célula y ramificadas. Parece que tienen filamentos de actina en su interior y son poco abundantes y aparecen en las células del epidídimo (sistema genital masculino) y también aparecen en algunas células del sistema auditivo, e la cóclea y en el vestíbulo.

3.- Laberinto basal: aparece en las caras basales de la célula. También sirven para aumentar la superficie de intercambio. Aparecen en unos tubos del riñón.

PROTEÍNAS RESPONSABLES DE LA ADHESIÓN DE LA CÉLULA A OTRA CÉLULA O A LA MATRIZ EXTRACELULAR

• En las uniones de la célula con la matriz extracelular se encuentran las integrinas. En relación con estas integrinas están las desintegraciones que su misión es bloquear la unión de la integrina con los componentes de la matriz extracelular. Se utilizan como anticoagulantes porque inhiben la unión de la célula con la matriz extracelular, y antimetastásicos, y algunos de ellos aparecen en el veneno de las serpientes (Ej. Elegantina).

• En las uniones entre dos células aparecen las cadherinas que anclan unas células con otras, son las más abundantes. Aunque también están las lectinas y selectinas (son un tipo de lectinas), normalmente son glucoproteínas y actúan como receptores implicados en la presión intracelular y su modificación también interviene en procesos de movimientos celulares y en algunos casos estas proteínas también aparecen en uniones entre célula y matriz extracelular. Superfamilia de las inmunoglobulinas (CAM = moléculas de adhesión celular) y dentro de los CAM hay diferentes tipos:

• N-CAM: tejido nervioso, neuronas.

• V-CAM: en las células endoteliales, en el tejido sanguíneo. La modificación de una de estas proteínas puede hacer que una célula quede libre.

Código morfogénico: cada célula presenta una proporción de proteínas diferentes para la adhesión celular y cada célula tiene su propio código morfogénico.

Tema 6.- El citoplasma y los ribosomas.

CITOSOL

Citosol (hialoplasma, plasma hialino, plasma transparente, matriz citoplasmática): es el medio interno de la célula que carece de forma. Es lo contrario a morfoplasma (orgánulos, núcleo, etc). El citosol representa el 55% del total de la célula. El 80-85% de su composición química es agua, el resto son proteínas no polimerizadas, enzimas, ARNm, ARNt, glúcidos, lípidos y productos derivados del metabolismo intermedio. No se disponen uniformemente, dependiendo del tipo celular presenta distinta distribución y suele estar polarizado. La composición del citosol es distinta alrededor de cada orgánulo y también varía su viscosidad dependiendo del grado de interacción con las proteínas del citoesqueleto. Dentro del citosol se llevan a cabo una serie de funciones, tiene lugar la síntesis de aminoácidos, ácidos grasos y nucleótidos, se inicia la síntesis de todas las proteínas, se encuentran todas las moléculas implicadas en las vías de señalización itracelular, los procesos de glucólisis, glucogenogénesis, etc. Sirve también como lugar para almacenar determinados productos (glucógeno, lípidos).

RIBOSOMAS

• Introducción:

Los ribosomas son orgánulos citoplasmáticos que no están rodeados de membrana y que se encargan de la síntesis de proteínas y aparecen tanto en células eucariotas como en células procariotas. Están constituidos por ARNr y proteínas. Los ribosomas son los orgánulos que se descubrieron más tarde dentro de la célula; en 1953 Claude y Palade los describen como gránulos esféricos que forman parte del interior de la célula y en 1979 Lake obtuvo su estructura tridimensional, describe su estructura molecular.

• Morfología:

Los ribosomas son partículas compactas, son dos semiesferas algo aplandas. Al observalos a microscopía electrónica con gran resolución se ven muchas veces con irregularidades en su superficie. Una de las semiesferas es más grande que la otra; por lo tanto están compuestos por dos subunidades, la subunidad mayor (grande) y la subunidad menor (pequeña).

El número de ribosomas varía de una célula a otra. El número de ribosomas en una célula es indicativo de la función celular; si una célula tiene muchos ribosomas esa célula tiene la función de sintetizar proteínas. Hay células que no tienen ribosomas, como por ejemplo los espermatozoides y otras que tienen muy pocos ribosomas, como es el caso de los eritrocitos.

El tamaño varía dependiendo de si se trata de una célula eucariota o de una célula procariota. En las células procariotas el tamaño medio delos ribosomas es de 29 nm de diámetro mayor y 21 nm de diámetro menor, su peso molecular es de 2500000 Da (Dalton) y son 70s y en el caso de células eucariotas el tamaño medio de los ribosomas es de 32nm de diámetro mayor y de 22nm de diámetro menor, su peso molecular es de 4200000 Da y son 80s.

Se pueden encontrar libres en el citoplasma como puntos aislados (las dos subunidades del ribosomas se encuentran en el citoplasma aisladas, sólo se unen ambas subunidades cuando se van a sintetizar proteínas), pueden formar agregados (polirribosomas o polisomas, son espirales que se encuentran leyendo el mismo ARNm), pueden aparecer pegados a las membranas del retículo endoplasmático rugoso a través de unas proteínas denominadas riboforinas, pueden aparecer unidos a la membrana nuclear externa y también hay ribosomas dentro de las mitocondrias (en células eucariotas animales) y en las plastos (en células eucariotas vegetales) pero esos ribosomas se diferencian en su coeficiente de sedimentación, el coeficiente de sedimentación del ARN de los ribosomas de las mitocondrias es de 4s y el de los plastos es de 5s.

• Composición química:

a)Ribosomas de células procariotas:

• Subunidad mayor: está constituida por dos ARNr, uno de 23s y el otro de 5s. A esas dos moléculas de ARNr se les unen las proteínas, que suelen ser 34 proteínas.

• Subunidad menor: tiene sólo un ARNr de 16s y 21 proteínas.

b) Ribosomas de células eucariotas:

• Subunidad mayor: tienen tres moléculas de ARNr, de 28s, 5.8s, 52 y alrededor de 45 proteínas.

• Subunidad menor: una única molécula de ARNr de 18s y alrededor de 30 proteínas.

Las proteínas suelen tener bastantes aminoácidos básicos. La proteína de la subunidad mayor se suelen denominar L y las de la subunidad menor S, dentro de las proteínas algunas son estructurales que son esenciales para el ensamblaje de los ribosomas y otras que son enzimáticas que intervienen en la síntesis de proteínas, se encuentran tanto en la subunidad mayor como en la subunidad menor..

• Función:

La función exclusiva de los ribosomas es la síntesis de proteínas. Para llevar a cabo la síntesis de proteínas también se necesita ARNm y ARNt.

La molécula de ARNm en procariotas es policistrónico (tiene múltiples sitios de inicio de la síntesis de proteínas) y en eucariotas es moncistrónico (sólo tiene un único sitio de inicio de la síntesis de proteínas).




En la síntesis de proteínas la subunidad menor está implicada en el procesamiento de la información porque es la que se une a la molécula de ARNt, mientras que la subunidad mayor estaría implicad en la catálisis de la unión de aminoácidos. Dentro de la subunidad menor hay dos sitios: el denominado sitio P que su nombre viene de peptidil (debido a que se une al péptido) y el sitio A cuyo nombre viene de aminoacil (debido a que es por dónde se une el aminoácido).

El primer ARNt se va a anclar al sitio P pero los siguientes ARNt lo hacen por el sitio A del ribosoma. También se necesita energía y numerosos factores que intervienen en la síntesis de proteínas.

• Fases de la síntesis de proteínas:

• Iniciación: es la fase cuando el ribosoma de une a la molécula de ARNt y se empieza a unir el primer ARNt con su aminoácido correspondiente. Se inicia cuando haya un codón determinado y ese codón es AUG. Se une a la subunidad menor del ribosoma el ARNt correspondiente, el que lleve el anticodon complementario, el primer aminoácido codificado es la metionina en células eucariotas y en las células procariotas el aminoácido sintetizado es la formilmetionina. El codón iniciado en eucariotas únicamente puede ser AUG aunque en procariotas también puede haber otros codones, como por ejemplo GUG. El ARNt unido al aminoácido se une al sitio P del ribosoma. En este proceso se gasta energía en forma de GTP que se hidroliza para formar GDP. Son necesarios muchos otros factores: IF-4, IF-5, etc.

• Elongación: otro ARNt se une al sitio A del ribosoma, el correspondiente al codón que marque el ARNm. Se forma un enlace peptídico entre los dos aminoácidos. La formación de un enlace peptídico está catalizado por proteínas de la subunidad mayor del ribosoma. Traslocación: movimiento de los dos ARNt con su correspondiente aminoácido. El ribosoma se mueve a lo largo de la molécula de ARNm. Como se tiene libre el sitio A puede unirse otro ARNt con su correspondiente aminoácido. El primer ARNt se libera del aminoácido y ese ARNt queda libre en el citoplasma. En el sitio P se encuentra un ARNt que lleva los aminoácidos unidos, es el que lleva la cadena de aminoácido.

• Terminación: existen tres codones determinación: UAA, UAG y UGA. Cuando aparezca en el ARNm aguno de estos tres codones, no se une ningún ARNt en el sitio A sino que se va a unir un factor de liberación (suelen ser proteínas). Cuando eso ocurre el ARNt deja libre la cadena de aminoácidos y cada una de las dos subunidades del ribosoma se libera de la cadena de ARNm.

La síntesis de proteínas es distinta en células eucariotas y en células procariotas y eso nos interesa para la fabricación de antibióticos, muchos de estos antibióticos inhiben la síntesis de proteínas en células procariotas. Hay otros antibióticos que afectan tanto a eucariotas como a procariotas y otros que únicamente inhiben la síntesis de proteínas en células eucariotas.

Los ARNr se forman en el nucleólo.

La proteína formada tiene que modificarse y esa proteína que ayuda a modificar la proteína que acaba de formar el ribosoma se denominan proteínas de estrés. Además hay proteínas que se destruyen porque no son correctas o porque hay que eliminarlas de la célula después de formarse debido a unas estructuras llamadas proteosomas o proteasomas.

PROTEÍNAS DE ESTRÉS

• Clasificación: se localizan en el citoplasma y también en algunos orgánulos, incluso en el núcleo.

• Ubiquitina: es una proteína que se une a las proteínas que tienen que ser degradadas por proteosomas en el citoplasma.

• Bajo peso molecular.

• Hsp 47: intervienen en la síntesis de colágeno.

• Hsp 60: son como unos toneles con un hueco en el centro donde se mete la proteína y ahí es donde va a tener lugar el correcto plegamiento de las proteínas con gasto de energía (ATP).

• Hsp 70: se unen a la proteína para mantenerla desplegada. Aparecen en algunos orgánulos celulares (núcleo, citosol, retículo (Grp 78 = BIP), mitocondrias, plastos).

• Alto peso molecular: nucleólo.

• No-Hsp.

• Funciones:

• Biosíntesis de proteínas:

• Correcto plegamiento.

• Oligomerización, ensamblaje y activación.

• Transporte a través de la membrana.

• Renaturalización.

• Degradación.

• Ciclo celular.

• Vesículas de clatrina.

• Citoesqueleto.

A pesar de estas proteínas de estrés hay muchas proteínas que no pueden plegarse o modificar su estructura. Esa modificación de las proteínas se hace en el citosol con ayuda de los proteosomas, grandes complejos proteicos que degradan las proteínas de una manera rápida. Se han descrito dos proteosomas diferentes.

• Proteosoma de 20s: se encuentra tanto en eucariotas como en procariotas, que posee cuatro unidades proteicas.

• Proteosoma de 26s: únicamente en eucariotas, no es más que un proteosoma de 20s al que se le unen en los extremos dos complejos proteicos (compleo de encapuchamiento). Sería de mayor tamaño. Ese complejo tiene un receptor para la ubiquitina. Las proteínas que estén marcadas con ubiquitina se unen a ese receptor del proteosoma y esa proteína penetra en el proteosoma, en el interior del proteosoma hay una enzima que se encargan de romper esa proteína defectuosa. Los proteosomas aparecen en el citosol. También se degradan las proteínas ya utilizadas.

Tema 7.- El retículo endoplasmático.

SISTEMA DE ENDOMEMBRANAS

El sistema de endomembranas está constituido por el retículo endoplasmático, aparato de Golgi y los lisosomas, clásicamente. En la actualidad se incluye también otro orgánulo que son los endosomas.

Se caracteriza por ser un sistema de cisternas, túbulos y vesículas limitados por una unidad de membrana de Roberson y que intervienen en la síntesis y maduración de las proteínas y glúcidos y las dirigen a sus lugares correspondientes. Es una parte de los sistemas de secreción de la célula y del sistema de digestión intracelular.

Supone una ventaja para la célula eucariota (no existe en células procariotas) porque representa una serie de compartimentos celulares donde tiene lugar una serie de actividades celulares.

Todos los compartimentos hacen la distribución de proteínas, glúcidos y lípidos a sus lugares correspondientes.

La síntesis de proteínas se lleva a cabo en el retículo endoplasmático, estas proteínas pasan al aparato de Golgi y se modifican y desde el aparato de Golgi esas proteínas son distribuidas, por un lado pueden ir a los endosomas o a los lisosomas o pueden ir también a las vesículas de secreción.

RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO

• Concepto:

El retículo endoplasmático es un orgánulo que se organiza como túbulos, cisternas y vesículas que están limitadas por una unidad de membrana de Roberson.

Tiene una distribución muy amplia por todo el citoplasma. Es el orgánulo más grande de prácticamente todas las células.

Su superficie de membrana puede representar alrededor de la mitad de todas las membranas de la célula. La luz que queda dentro de esas membranas puede representar alrededor del 10% de todo el volumen celular.

Dentro del retículo endoplasmático se distinguen dos tipos: retículo endoplasmático rugosos (RER) y retículo endoplasmático liso (REL), según presenten en su superifice ribosomas o no.

El RER suele presentar continuidad con la envuelta nuclear que participa en el procesamiento de proteínas y es muy abundante en las células plasmáticas, en los hepatocitos (células del hígado).

El RER presenta una localización más amplia que el REL

La localización del REL es má variable y está implicado en el metabolismo de lípidos. Es abundante en células que sintetizan hormonas esteroideas.

• Historia:

En el siglo XIX Heidenheim y Plüger vieron dentro de la célula unos grumos que se teñían con el colorante de Nissl. Con este colorante veían unos cuerpos de color azul-violeta y los denominaron cuerpos de Nissl o sustancia tigroide debido a su aspecto.

Posteriormente y en ese mismo siglo Garnier a esos cuerpos los denomina Ergastoplasma porque propone que está relacionado con la digestión intracelular, la cual sabemos hoy que es algo erróneo.

La descripción del retículo endoplasmático a microscopía electrónica se llevó a cabo en 1952 por Porter y Palade, además hicieron ensayos de marcar diferentes componentes del retículo endoplasmático para saber hacia donde se dirigían los productos que sintetizaban en el retículo endoplasmático.

Ellos vieron la continuidad que había entre el retículo endoplasmático y el complejo de Golgi y cómo el complejo de Golgi era el orgánulo dónde iban los productos sintetizados por el retículo endoplasmático.

En 1971 Sabatini y Blobel describen la “hipótesis del péptido señal” como base para explicar la síntesis de proteínas dirigida hacia el interior del retículo endoplasmático rugosos que es la base de todas las funciones de las endomembranas.

• Estructura y ultraestructura:

A microscopía óptica lo único que se ve dentro del citoplasma son unos grumos teñidos con la técnica de Nissl.

La microscopía electrónica nos da una información de cómo es el retículo endoplasmático rugoso y el retículo endoplasmático liso.

Los dos retículos están constituidos por una unidad de membrana de Roberson que tiene un espesor de 5 nm y deja una luz interior de aproximadamente 30-50 nm por término medio. En ocasiones ese espacio puede tener hasta 300 nm, en pacientes que presentan mielomas por dentro del retículo endoplasmático de las células plasmáticas aparecen inclusiones cristalinas (cuerpos de Russell).

Esas membranas van a tener dos caras, una que está en contacto con e citoplasma (cara citoplásmica) y otra que mira hacia el interior (cara luminal o exoplásmica). Esa cara exoplásmica sería similar a la cara externa de la membrana plasmática.

El retículo endoplasmático rugosos y el liso aparecen de formas diferentes a microscopía electrónica.

El RER aparece como unas cisternas aplanadas y en la membrana tienen pegados los ribosomas.

El REL aparece como un sistema de túbulos, son estructuras más redondeadas y no presentan ribosomas adheridos a su pared.

En los hepatocitos, 2/3 de todo el retículo endoplasmático de la célula es RER y 1/3 es REL.

En las células plasmáticas el 95% de todo el retículo endoplasmático de la célula es RER.

En las células de Leydig (células que se encuentran en el testículo y secretan hormonas esteroideas) el 95% de todo el retículo endoplasmático de la célula es REL.

Dependiendo del estado funcional de la célula se encuentran más retículos endoplasmáticos rugosos o lisos o al contrario.

Retículo sarcoplásmico: es un retículo endoplasmático que almacena calcio que es necesario para realizar la contracción muscular.

• Composición química:

• Membranas: 30% de lípidos y 70% de proteínas. Los lípidos tienen las colas más cortas porque tienen dobles enlaces, tienen instauraciones que hacen que su longitud sea menor. Además también tienen pocas trazas de colesterol y poca esfingomielina, que hace que las membranas sean más fluidas. Son asimétricas y así la Fosfatidilserina y Fosfatidiletanolamina son más abundantes en la cara citoplasmática mientras que lo fosfatidilcolina y la esfingomielina se encuentran en la cara luminal. En cuanto a las proteínas son muy abundantes los citocromos (cit. P 450) y también son abundantes las enzimas (NADH-reductasa). Esas proteínas que se encuentran son diferentes en el RER y en el REL. El RER va a tener unas proteínas determinadas.

• Luz:

1 - RER: son abundantes las proteínaQs que se han sintetizado y todas aquellas enzimas relacionadas con el procesamiento de esas proteínas.

2 - REL: aparecen enzimas relacionadas con el metabolismo de lípidos, con la síntesis de moléculas lipídicas.

• Funciones:

• Funciones estructurales: El retículo endoplasmático constituye un sistema de membranas que interacciona con los componentes del citoesqueleto interviniendo como un andamiaje intracelular.

• Funciones morfogénicas: A partir del retículo endoplasmático se va a formar el complejo de Golgi, los lisosomas, la envuelta nuclear y también interviene en la formación de las plaquetas (se forman a partir de una célula denominada megacariocito).

• Funciones metabólicas: La síntesis de proteínas y de lípidos y su exportación las dirige hacia otros lugares (aparato de Golgi y membrana plasmática) tanto proteínas como lípidos y además el REL interviene en procesos de detoxificación.

SÍNTESIS DE PROTEÍNAS ASOCIADA AL RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO

Las proteínas se sintetizan a partir de los ribosomas que se encuentran libres en el citoplasma. Las proteínas que se van al núcleo, a las mitocondrias, cloroplastos y peroxisomas tiene lugar su síntesis en el citoplasma. Pero hay otras proteínas que se sintetizan asociadas a las membranas del retículo endoplasmático por ribosomas y que van al retículo endoplasmático, membrana plasmática, vesículas de secreción y lisosomas.

Las proteínas tienen que pasar de las vesículas al RE y se pueden dar dos casos:

• Que la proteína pase al RE cuando se está sintetizando; en este caso se habla de una translocación contraduccional (se lleva a cabo en células eucariotas y en levaduras), a la vez que se está traduciendo la proteína.

• Hay otros casos en los que la proteína sólo puede traducirse una vez que se ha sintetizado la proteína, proceso denomina translocación postraduccional (la llevan a cabo levaduras).

TRANSLOCACIÓN CONTRADUCCIONAL

PROTEÍNAS SOLUBLES

La síntesis de proteínas se inicia en ribosomas que están libres en el citoplasma. Esa proteína lleva un péptido señal (secuencia de 20 aminoácidos) que le induce a pasar al RE. Si se está sintetizando una proteína que lleva un péptido señal, ese péptido señal es reconocido por una partícula (PRS = partícula de reconocimiento de la señal; es un complejo formado por seis aminoácidos y un ARN de 7s denominado ARN-7SL. El PRS reconoce al péptido señal.

Los ribosomas sólo están pegados a las membranas del RE cuando están sintetizando una proteína. El receptor del PRS se denomina riboforina que reconoce la PRS y el ribosoma queda pegado a la membrana del RE, el receptor del PRS lleva asociado un complejo de translocación (Sec 61), compuesto por un canal por donde se va a producir la translocación de la proteína. Pasa el péptido señal y el resto de la proteína al interior del RE. Asociada al complejo de translocación hay una proteína denominada peptidasa señal, que corta el péptido señal y el este péptido queda en la membrana. Una vez que termina la síntesis, el ribosoma se suelta de la membrana del RE y la proteína sintetizada queda en el lumen del RE.

PROTEÍNAS TRANSMEMBRANA

Se pueden dar tres casos posibles:

• Se inicia la translocación como en el caso de las proteínas solubles, pero en un momento se sintetiza una secuencia de aminoácidos dentro de la proteína que indica que se destruya la translocación, cuando aparece esa secuencia la proteína continúa sintetizándose en el citosol. El péptido señal es cortado por la peptidasa señal y la aparición de una secuencia de terminación hace que el canal de translocación se cierre y se separe la proteína del complejo Sec 61. La proteína queda anclada dentro de la membrana del RE con el extremo amino en el interior y el extremo carboxilo en el exterior.

• En ocasiones el péptido señal es interno, se encuentra dentro de la secuencia proteica, no está en el extremo de la proteína. Cuando aparece el péptido señal comienza la translocación. Quedando el extremo amino en el exterior (citosol) y el extremo carboxilo en la parte interna del RE. En este caso el péptido señal no se corta. Es la proporción que se ancla a la membrana del RE.

• El péptido señal es interno, cuando se inicia la translocación lo que se transloca es la parte de la proteína ya sintetizada, lo anterior al péptido señal. Continúa la transducción quedando el extremo carboxilo de la proteína en el exterior y el extremo amino en el interior del RE. Tampoco hay escisión del péptido señal.

PROTEÍNAS TRANSMEMBRANA MULTIPASO

En este caso hay una combinación entre el péptido señal y la señal de detención de la transferencia, anclándose ambos elementos a la membrana del RE. Si aparece un segundo péptido señal u otra señal de detención de la transferencia de producen varios anclajes.

TRANSLOCACIÓN POSTRADUCCIONAL

La proteína se sintetiza asociada a ribosomas libres del citoplasma y una vez que está sintetizada, ésta pasa al interior del RE. La proteína no puede pasar al lumen del RE si está plegada. Según se sintetiza la proteína se una chaperona evitando el plegamiento de la proteína. Las proteínas que pasan al RE por translocación postraduccional se supone que llevan también una señal que indica que deben pasar al RE peor aún se desconoce esa señal. La proteína se pega al complejo de translocación que hay en la membrana del RE, constituido por el Sec 61 y el Sec 62/63 unidos entre sí y la proteína pasa en su forma desplegada hacia el interior del RE. Se supone que la mayor parte de las proteínas que pasan por este sistema son proteínas solubles. Dentro del RE esas proteínas sufren ciertas modificaciones.

PLEGAMIENTO Y PROCESAMIENTO DE LAS PROTEÍNAS EN EL RER

Primero se tiene que plegar según su conformación tridimensional. Ese plegamiento de las proteínas dentro del RE se lleva a cabo con la ayuda de chaperonas. La chaperona BIP normalmente va asociada al complejo de translocación, es el caso de la translocación postraduccional parece que es imprescindible esa chaperona BIP para que se produzca el correcto plegamiento de las proteínas. En un principio mantiene desplegada la cadena hasta que se sintetiza totalmente la proteína y no se pliegue. Una vez que se ha sintetizado toda la proteína, van a actuar otras chaperonas, entre las que destaca la calnexina y la calrreticulina que intervienen en el correcto plegamiento de la proteína en el lumen del RE. Para el plegamiento y ensamblaje correcto de la proteína tienen que formarse puentes disulfuro, que se forman entre las cadenas laterales de cisteína. La formación de los puentes disulfuro se hace por una enzima denominada disulfuro isomerasa. Hay muchas proteínas que son glucoproteínas que llevan restos glucídicos pegados a la cadena proteica. La unión del glúcido a la proteína se denomina glucosilación, que puede ser de dos tipos:

• N-glucosilación: cuando se une el resto glucídico a la proteína a un grupo NH- de un aminoácido de la proteína.

• O-glucosilación: cuando se une el resto glucídico al extremo hidroxilo de un aminoácido.

En el RE se inicia la N-glucosilación que después va a continuar en el complejo de Golgi. La O-glucosilación tiene lugar exclusivamente en el complejo de Golgi.

Inicio de la N-glucosilación: se necesita una proteína y un resto glucídico. El resto glucídico está anclado a la membrana del RE por una molécula que es el dolicol (es un compuesto lipídico). Siempre lleva restos de N-acetilglucosamina, manosa y glucosa en el inicio de la N-glucosilación y esos restos glucídicos se unen al dolicol en la cara citoplasmática de la membrana del RE, el dolicol por las flipasas hace un movimiento de flic-floc y los restos glucídicos pasan al interior del RE.

Cuando se une el glúcido a la proteína siempre lo hace por el extremo NH2- de la asparragina, ese proceso se realiza en un solo paso y la enzima que lo lleva a cabo es la oligosacaril transferasa que se encuentra en la membrana del RE.

Dentro del RE la parte glucídica se va transformando, se pierden los restos de glucosa y algunos de manosa porque se inicia un procesamiento de ese resto glucídico, de esa forma pasa al complejo de Golgi.

Algunas proteínas también se van a anclar a un glucolípido en el RER, ese glucolípido es el glucosilfosfatidilinositol (GFI). El extremo carboxilo se une a los restos glucídicos.

La proteína queda en el lumen del RE y cuando pase a la membrana va a quedar en la cara externa de la membrana.

SÍNTESIS DE LÍPIDOS QUE TIENE LUGAR EN EL REL

Los lípidos se sintetizan asociados a las membranas del REL y van a ser transportados a sus destinos finales.

Los fosfolípidos se sintetizan asociados a la parte citoplasmática de la membrana del RE y la mayor parte de ello derivan del glicerol. El glicerol se encuentra unido a la membrana del RE en la cara citosólica y se van a ir uniendo los ácidos grasos, que se transfieren a través de transportadores de Coenzima A, sufren unas transformaciones, se unen los grupos polares de cabeza para dar lugar a los distintos tipos de fosfolípidos, siempre asociados a la parte citosólica de la membrana del RE.

A través de las flipasas, por movimientos de flig-flog, esos nuevos fosfolípidos sintetizados pasan a la otra cara, a la cara interna, del REL.

Dentro de la membrana, por vesículas pasan al complejo de Golgi y a vesículas o hacia la membrana.

No sólo se sintetizan los fosfolípidos sino también el colesterol y la esfingomielina en la cara citosólica y por las flipasas pasa a la cara interna del RE.

Pero los lípidos que se necesitan en las membranas de las mitocondrias y de los peroxisomas no se transportan a través de las vesículas. Esos lípidos tienen que pasar desde donde se sintetizan a las membranas de las mitocondrias y de los peroxisomas, pero no a través de vesículas sino que se lleva a cabo a través de proteínas transportadores de fosfolípidos.

El fosfolípido está en la cara citosólica y no pasa a la membrana luminar del RE.

Esa proteína se une al fosfolípido que queda libre en el citoplasma y eso proteína lleva el fosfolípido y lo inserta en las membranas de las mitocondrias y esa proteína vuelve a quedar libre dentro del citoplasma.

TRANSPORTE DE PROTEÍNAS Y LÍPIDOS

El RE va a empaquetar las proteínas y los lípidos sintetizados y los transporta hacia otros compartimentos celulares.

Desde el RE se van a formar vesículas cargadas de los productos que se han sintetizado en el RE, esas vesículas van cargadas con proteínas y en las membranas llevarán también proteínas.

Se forman vesículas por defecto, todo lo que se forma sale del RE.

Pero algunas proteínas son exclusivas del RE y parece que llevan incorporadas una señal de que tienen que volver al RE, ese indicador son restos de aminoácidos.

Las proteínas solubles que tienen que quedar en el RE llevan una secuencia de cuatro aminoácidos, denominada secuencia KDEL y es un indicador de que esas proteínas solubles tienen que quedar en el lumen.

En el caso de proteínas transmembrana llevan otra secuencia denominada KKXX.

Que también indica que esa proteína tiene que volver al RE.

Esas vesículas formadas van al complejo de Golgi, pero van a un compartimento intermedio denominado CIREG (Compartimiento Interno Retículo Endoplasmático Golgi) o también se denomina la red cis del Golgi.

PROCESOS DE DETOXIFICACIÓN (ELIMINACIÓN DE TÓXICOS)

El REL contiene enzimas que metabolizan compuestos no solubles.

Estas enzimas inactivan un importante número de drogas que potencialmente son nocivas (barbitúricos, etanol, insecticidas, herbicida, conservantes, medicamentos, etc).

El REL convierte todos esos tóxicos en productos hidrosolubles que pueden eliminarse a través de la orina.

La degradación de esos productos se lleva a cabo en el REL de las células del riñón, hígado, intestino, piel, páncreas y pulmones.

El REL cuando hay exceso de un tóxico lo que hace es aumentar el contenido de REL, se produce una hiperplasia del REL.

Las principales enzimas son oxigenasas, es la reacción de detoxificación más importante que lleva a cabo el REL, también interviene el Citocromo P450 que también es una oxigenasa.

CONFIGURACIONES ESPECIALES DEL RE

! Retículo sarcoplásmico o sarcoplasmático: es un tipo especial de RE que aparece exclusivamente en las células musculares y está especializado en el almacenamiento de calcio necesario para que esas células lleven a cabo su función de contracción muscular.




! Cisternas hipolémicas: es una cisterna del retículo endoplasmático que se sitúa cerca de la membrana plasmática. Se sitúa en zonas de las neuronas donde hay un contacto sináptico. Esas cisternas también sirven como almacén de calcio y proteínas que intervienen en la sinapsis, en la comunicación de una neurona con otra.

! Laminillas espirales: son cisternas del REL dispuestas de forma concéntrica, estas laminillas espirales aparecen en algunas patologías en células que tienen mucho REL o después de la administración de fármacos.

EL ORIGEN DEL RE: ONTOGENÉTICO Y FILOGENÉTICO

! Origen ontogenético: cuando una célula se divide, el contenido del RE se divide entre las dos células hijas.

! Origen filogenético: las células procariotas no tienen membranas en su interior. Se supone que una célula procariota se creó el RE. Había determinadas acciones enzimáticas que estaban unidas a determinadas porciones de membrana plasmática y esa membrana se invaginó hasta que se fueron separando y originaron un compartimiento en el interior de la célula que llevaba asociado reacciones enzimáticas particulares.

Tema 8. El aparato de Golgi.

CONCEPTO

! Es una serie de cisternas apiladas y aplanadas rodeadas de una sola membrana.

! La función principal es modificar las proteínas sintetizadas en el RE y originar un tráfico de vesículas dirigiéndolas a los distintos compartimentos e incluso al exterior de la célula.




HISTORIA

! El complejo de Golgi lo describió Camilo Golgi en 1898 cuando estaba estudiando las células de Purkinje (un tipo de neuronas) en el cerebelo de una lechuza y entonces impregnaba las células con osmio y alrededor del núcleo aparecía una especie de red que la denominó aparato reticular interno. Posteriormente se comprobó que existía en células no impregnadas de osmio. Se descubrió el complejo de Golgi aplicando la técnica de la criofractura.

ESTRUCTURA Y ULTRAESTRUCTURA

 A microscopía electrónica lo que se observa es un conjunto de cisternas y sáculos aplanados y alrededor gran cantidad de vesículas.

El conjunto de esos sáculos junto con las vesículas que tienen a su alrededor es lo que se conoce con el nombre de dictiosoma.

Cada dictiosoma tiene entre 5 y 8 sáculos por término medio y en una célula se encuentran entre 6 y 8 dictiosomas también por término medio.

El conjunto de todos los dictiosomas presentes en la célula es lo que se conoce con el nombre de Aparato o Complejo de Golgi.

La membrana de los sáculos suele tener un espesor de 6 nm, aunque es variable según se estudien las cisternas de una cara o de otra cara.

Las cisternas de la cara trans son más grandes que las de la región cis.

Aumenta el grosor de la membrana de esas cisternas según nos acercamos de la cara cis a la cara trans.

Alrededor de cada dictiosoma hay una región que carece de orgánulos que se denomina zona de exclusión.

La luz de cada cisterna tiene entre 25 y 20 nm, si bien los extremos de las cisternas están dilatados y el diámetro de la luz puede llegar a ser de 80 nm.

La localización de los dictiosomas suele ser fija para cada tipo celular.

En las células que realizan funciones de secreción, el complejo de Golgi se sitúa mirando al polo secretor, en otros casos se dispone cerca del núcleo.

Las neuronas tienen el complejo de Golgi muy desarrollado y también las células de las glándulas; sin embargo, las células musculares lo tienen muy reducido.

COMPOSICIÓN QUÍMICA

 La membrana de las cisternas de cada dictiosoma tiene entre 35 y 40% de lípidos y entre 65 y 60% de proteínas.

Los glúcidos son poco abundantes aunque varía de la cara del dictiosoma que se estudie, suele haber más cantidad de glúcidos en la cara cis que en la cara trans.

Las proteínas de la membrana están relacionadas con el procesamiento de proteínas que van a pasar desde el RE. Entre ellas están determinadas enzimas (glucosil transferasa, glucosilasa, sulfotransferasa, fosfatasas y proteasas). También se encuentran citocromos, pero nunca el cit. P450 (Ej. Cit b5).

En cuanto al interior, el contenido de las cisternas es variable, pero en general hay sales minerales, glúcido como la glucosa o la galactosa o iones como el magnesio y muchas proteínas. Hay algunas enzimas y hay también unas proteínas que van a ser ensambladas en vesículas para ser transportadas a otro lugar de la célula. Dentro de esas enzimas, en cada cisterna, hay actividades enzimáticas distintas.

TRANSPORTE DE VESÍCULAS ENTORNO A LOS DICTIOSOMAS

! Las proteínas que se sintetizan en el RE pasan al aparato de Golgi empaquetándose en vesículas que van a otro lugar de la célula.

El paso de unas cisternas a otras se realiza mediante la formación de vesículas que pasan de una cisterna a otra.

Dentro del RE se forma una vesícula que va a fusionarse con la red cis del Golgi. Hay proteínas que son exclusivas del RE que aunque salgan de él tienen que volver a él.

En esas vesículas aparte del producto que va a pasar después se transportan también proteínas específicas del RE, hay un tráfico del RE al Golgi y del Golgi al RE. Las vesículas que van del RE al Golgi se denominan vesículas de transferencia.

Esas vesículas que circulan entre el RE y el Golgi son vesículas que van recubiertas por proteínas de coatómero, también alrededor de la vesícula se anclan coatómeros con gasto de ATP. Parece que hay dos tipos de coatómeros: COP I y COP II.

Parece que las vesículas que van del RE al Golgi van cubiertas de COP II y las que van del aparato de Golgi al RE de COP I.

Hay otras vesículas que van de una cisterna a otra dentro del dictiosoma.

Hay un tráfico de vesículas entre las distintas cisternas del dictiosoma.

Esas vesículas parecen que también están cubiertas de coatómeros.

Las que van de la cara cis a la cara trans van recubiertas de COP II y las que van de la cara trans a la cara cis de COP I.

En la red trans del Golgi se van formando vesículas que pueden ser de tres tipos.

• Vesículas cargadas de las enzimas de los lisosomas: están recubiertas de clatrina.

• Vesículas que contienen sustancias que van hacia el exterior celular (vesículas de secreción) y van directamente a fusionarse con la membrana plasmática son vesículas de secreción constitutiva. Parece que están recubiertas de coatómeros.

• Vesículas que quedan almacenadas dentro del citoplasma. Son vesículas de secreción regulada porque esas vesículas quedan en el citoplasma, cuando llega una señal a la célula se fusionan con la vesícula con la membrana plasmática liberando su contenido.

La clatrina se pierde en el momento en que se forman las vesículas.

Toda aquella vesícula que lleva productos específicos va recubierta de clatrina mientras que las vesículas que llevan un contenido inespecífico se encuentran revestidas por el coatómero.

Las vesículas tienen asociadas un tipo de proteínas pertenecientes a la familia Snare. Las vesículas la proteína V-Snare y la célula diana, a dónde se tiene que unir la vesícula, t-Snare y se produce el reconocimiento entre ambas proteínas.

En cada cisterna hay un tipo de proteínas diferentes, dependiendo de la cisterna que sea.

FUNCIONES DEL COMPLEJO DE GOLGI

! Procesamiento de proteínas que provienen del RE. La mayor parte de las proteínas que son sintetizadas en el RE van a parara al Complejo de Golgi. Algunas de la proteínas están glucosiladas. El procesamiento es secuencial, desde la cara cis a la cara trans. Las modificaciones que sufren esas proteínas van a afectar tanto a la parte proteica como a la parte glucídica, en el caso de que sea glucosilada.

! Tipos de procesamiento:

• Procesamiento de la parte proteica de las proteínas:

• Puede haber hidroxilación de algunos aminoácidos.

• Proteolisis: rotura de una proteína. Ej. La insulina se sintetiza en el RE como pre-pro-insulina y se elimina el péptido señal también en el RE quedando como pro-insulina, desde el RER pasa al Complejo de Golgi donde se elimina una parte de esa proteína y queda la insulina.

• Empaquetamiento o condensación de la proteína: hace que vayan apareciendo cada vez las vesículas más densas a los electrones.

• Procesamiento de la parte glucídica de las glucoproteínas: en el Complejo de Golgi se encuentran dos tipos de glucoproteínas.

• Glucoproteínas ricas en manosa: son las que han pasado desde el RE, son las N-glucoproteínas, y lo único que sucede en el Complejo de Golgi es que se eliminan monosacáridos sin añadir ninguno nuevo.

• Glucoproteínas complejas:

• N-glucoproteínas: su síntesis se inicia en el RE y en el Complejo de Golgi se añaden azúcares nuevos.

• O-glucoproteínas: sufren la O-glucosilación y esto sucede exclusivamente en el Complejo de Golgi. Se añaden azúcares al extremo carboxilo en el Aparato de Golgi.

! Añadir nuevos azúcares en el caso de glucoproteínas complejas se hace de manera secuencial. Las glucoproteínas pasan por todas las cisternas del aparato de Golgi; así en la red cis del Golgi se produce la fosforilación de la glucoproteína y en la cisterna cis se elimina manosa; en las cisternas mediales se añade N-acetilglucosamina, en las cisternas trans la lactosa y en la red trans se añaden ácidos siálicos.

! Funciones de las glucoproteínas:

• Las glucoproteínas intervienen en procesos de reconocimiento celular. Los glúcidos se transportan hacia las membranas celulares.

• En algunos casos para que la proteína se pliegue correctamente.

• En muchos casos es necesaria la parte glucídica para el transporte correcto a través de las cisternas del dictiosoma.

! En el complejo de Golgi se llevan a cabo otro tipo de funciones:

• Ensamblaje de los proteoglicanos que consiste en la unión de una proteína a restos de glucosaminoglicanos.

• Interviene en el metabolismo de los lípidos, realiza la síntesis de glucolípidos.

• Formación del acrosoma: es una estructura que aparece en el espermatozoide que va cargado de enzimas que destruyen las cubiertas del óvulo.

• Formación de lisosomas.

• Formación de vesículas de secreción, ya sean de secreción regulada o constitutiva.

! Formación de lisosomas:

Los lisososmas son unas vesículas cargadas de enzimas lisosomiales. Dentro de la cisterna de la red trans del aparato de Golgi están todas las proteínas pero sólo algunas van a ser empaquetadas en vesículas que van a formar los lisosomas. Esas proteínas llevan una marca, manosa-6-fosfato, esa manosa-6-fosfato se ha unido a la proteína a su paso por la cisterna del dictiosoma. Primero se añade a la proteína lisosomial la molécula de N-acetilglucosamina fosfato, después manosa, se elimina la N-acetilglucosamina y queda la proteína marcada con manosa-6-fosfato.

En la membrana de la red trans del aparato de Golgi hay unas zonas que tienen receptores para la manosa-6-fosfato que se encuentran en lugares particulares en algunas regiones trans del Golgi.

Y a partir de ahí se forma la vesícula. Se forma una vesícula revestida de clatrina y en cuanto se forma dicha vesícula se pierde la clatrina. Que formado una vesícula con enzimas lisosomiales que se fusiona con un endosoma tardío (es un compartimiento celular que tiene un pH muy bajo (5-6 pH)), y el Complejo de Golgi tiene un pH cercano a 7, neutro. Al haber un pH más bajo, la vesícula que se ha fusionado se suelta el enzima de su receptor y quedan las enzimas lisosomiales dentro del endosoma tardío. El receptor queda en la membrana y ese receptor desde el endosoma tardío es reciclado a la red trans del Golgi. Desde el endosoma se forman vesículas con esos receptores y esas vesículas se vuelven a fusionar con la red trans del Golgi; se produce un reciclamiento de esos receptores.

Puede ser que algunas enzimas se escapen de esta unión al receptor, esa enzima lisosomial no iría al lisosoma sino que escaparía y saldría fuera de la célula; aunque en la membrana plasmática hay unos receptores específicos de manosa-6-fosfato, por lo que cuando las vesículas de endocitosis se encuentran con dichos receptores, esas enzimas vuelven a los lisosomas.

! Formación de las vesículas de secreción regulada y constitutiva:

• Las vesículas de secreción constitutiva son vesículas que por defecto se están formando y van a fusionarse directamente con la membrana plasmática de la célula, en todas las células tiene lugar el proceso de secreción constitutiva, que sirve para el reciclaje de las membranas y también para que algunas sustancias salgan al exterior y están recubiertas por coatómeros y se mantienen hasta que la vesícula se fusiona con la membrana plasmática.

• Las vesículas de secreción regulada son vesículas recubiertas de clatrina. En el momento en que se forma la vesícula, la clatrina se elimina. Se desconoce cuál es la señal de clasificación de esas proteínas. La ruta de secreción regulada sólo ocurre en algunas células que están especializadas, por ejemplo en las células pancreáticas y el contenido de esas vesículas sólo se elimina por exocitosis en determinadas circunstancias. También se produce en hormonas y en ciertas condiciones.

ORIGEN: ONTOGENÉTICO Y FILOGENÉTICO

• Origen ontogenético: los distintos dictiosomas cuando una célula madre se divide se dividen entre las células hijas. En algunos casos, por ejemplo en el caracol en ayunas en algunos tipos celulares desaparece el complejo de Golgi, cuando se le vuelve a dar de comer se forma de nuevo el complejo de Golgi a partir del RE; sólo en condiciones experimentales.

• Origen filogenético: se supone similar al RE. Por separación de determinadas actividades enzimáticas y a partir de invaginaciones de la membrana plasmática.

Tema 9. Sistema endolisosomial.

! Los lisosomas son orgánulos citoplasmáticos rodeados de una membrana cargados en el interior con enzimas líticas y en su morfología son muy heterogéneos.

Los lisosomas forman parte del sistema digestivo intracelular y está íntimamente relacionado con el sistema de endocitosis.

Aparece en la mayoría de las células animales, lo que varía es la cantidad de lisosomas que se encuentran en la célula y esto depende de la actividad que presenta la célula.

! Origen: en el descubrimiento de los lisosomas lo primero que se vio fue su composición química. Después se vio su correlación morfológica. Los descubrió De Dive estudiando las reacciones de Fosfatasa ácida que tienen lugar en el interior celular. Y fue Novicoff el primero que los vio a microscopía electrónica en 1954.

! Estructura y ultraestructura:

A microscopía óptica sólo se ven unos puntos si se tiñen, son prácticamente invisibles. A microscopía electrónica los lisosomas aparecen como orgánulos muy heterogéneos que aparecen con multitud de aspectos distintos, de diferentes tamaños y el aspecto también es muy variable.

Son vesículas más o menos redondeadas limitadas por una unidad de membrana. Esa membrana tiene un espesor de entre 6,5-7 nm. Para identificar un lisosoma se necesita saber su contenido interior, sólo se podría distinguir un tipo de lisosoma que son los residuales.

! Composición química:

• Membrana: la composición química de la membrana es similar a la membrana del Complejo de Golgi pero tiene algunas particularidades (posee bombas de protones para mantener un pH ácido en el interior del lisosoma, también una serie de transportadores para que todos los productos que el lisosoma digiere sean utilizables por la célula salgan del lisosoma).

• Contenido del interior del lisosoma: contienen enzimas que todas son hidrolasas ácidas, se han descrito hasta 50 enzimas distintas de los lisosomas, dentro de esas enzimas hidrolasas ácidas hay enzimas para digerir proteínas, lípidos, glúcidos y ácidos nucleicos, enzimas para digerir cualquier componente de la célula. Se supone que hay un recubrimiento glucídico en el interior de la membrana que impediría destruir su propia membrana, pero realmente no se sabe porque no actúan esas enzimas sobre el propio lisosoma.

! Endosoma: un endosoma es un orgánulo rodeado por una unidad de membrana, de forma irregular y que está relacionado con los procesos de endocitosis. Tienen forma bastante heterogénea y aparecen de diferentes tamaños. Su membrana es similar a la membrana plasmática de la célula.

Tipos de endosomas:

• Fagosoma.

• Autofagosoma: cuando la célula tiene que destruir parte de sus orgánulos, ese orgánulo se rodea por una cisterna del RE hasta que se forma una vesícula que contiene al orgánulo, denominándose esa vesícula autofagosoma.

• Endosomas procedentes de la endocitosis mediada por receptor:

• Endosomas tempranos: los que se forman a partir de vesículas de endocitosis. Se encuentran cerca de la membrana plasmática. Normalmente tienen un pH ligeramente ácido (pH " 6).

• Endosomas tardíos: se encuentran cerca de los dictiosomas del Complejo de Golgi. Ese endosoma tardío contiene las mismas sustancias que el endosoma temprano. El contenido del endosoma temprano pasa al endosoma tardío. El contenido pasa a través de vesículas o puede que el compartimiento se desplace hacia el interior. Tiene un pH ligeramente ácido (pH " 5) y lo mantiene por las bombas de protones que tienen en la membrana. Ese pH ácido es necesario para que los productos tomados por endocitosis queden libres en el interior celular. Las hidrolasas ácidas formadas en el Complejo de Golgi (que se encuentran inactivas) se almacenan en vesículas y se fusionan con un endosoma tardío, como hay un pH ácido se liberan las enzimas y se obtienen los componentes que la célula ha digerido por endocitosis más los enzimas lisosomiales a un pH ácido y los lisosomas son las vesículas que proceden del endosoma tardío y que contienen los productos de la endocitosis más las enzimas lisosomiales (que ahora sí están activas).




! Cuando se fusiona un fagosoma y un lisosoma se denomina fagolisosoma, las enzimas destruyen ese fagolisosoma y parte, lo que la célula puede aprovechar, sale al citoplasma de la célula, y lo que no se puede aprovechar queda formando un cuerpo residual que queda almacenado dentro del citoplasma celular y normalmente contienen un producto muy denso a los electrones. Los lisosomas también se fusionan con los autofagosomas formando un autofagolisosoma.

! La principal digestión que realizan los lisosomas es la digestión intracelular. La digestión que realizan los lisosomas en ocasiones es extracelular y las enzimas hidrolasas ácidas actúan fuera de la célula y es lo que sucede en la renovación de los huesos y de los cartílagos.

! Los lisosomas también participan en la defensa del organismo (por ejemplo destruyendo bacterias) y normalmente en los organismos las células que intervienen en la defensa (Ej. Macrófagos) contienen gran cantidad de lisosomas para destruir esos agentes patógenos.

! En ocasiones hay bacterias con mecanismos especiales que no pueden ser destruidas por los lisosomas:

• Mycobacterium tuberculosis: es una bacteria, responsable de la mayor cantidad de casos de tuberculosis en el mundo. Entra en el citoplasma de la célula, forma el fagosoma pero es incapaz de unirse al lisosoma por lo que no se puede destruir y en vez de destruirse se multiplica.

• Coxiella burnetti: bacteria responsable de la fiebre Q, es un organismo que habita primordialmente en animales domésticos como vacas, ovejas, cabras, gatos, al igual que algunos animales salvajes y garrapatas. Es una enfermedad infecciosa adquirida de los animales. El fagosoma se une al lisosoma pero las hidrolasas ácidas no pueden destruir a la bacteria.

• Lysteria monocitogenes: es la causante de la meningitis. La meningitis es una infección que causa inflamación de las membranas que cubren el cerebro y la médula espinal. Produce una fosfolipasa que destruye la membrana del lisosoma, entonces la bacteria puede entrar dentro del citoplasma de la célula.

! Otra de las funciones de los lisosomas es intervenir en el procesamiento de la hormona tiroidea.

! Enfermedades relacionadas con el mal funcionamiento de los lisosomas:

• Enfermedad celular de tipo I: alteración de los lisosomas de los fibroblastos. Las hidrolasas ácidas no se clasifican correctamente en el Complejo de Golgi no poseen la manosa-6-fosfato. Estas personas tienen una mutación en la enzima que interviene en la formación de la manosa-6-fosfato. Pero en el resto de tipos celulares los lisosomas son normales. Se supone que tiene que haber otro sistema de clasificación de las hidrolasas ácidas.

• Enfermedades de acúmulo lisosomial: se han descrito más de 30 enfermedades de acúmulo lisosomial. Todas ellas se deben a un fallo en algunas de las enzimas de los lisosomas, cada una se debe a un fallo en una enzima.

• Enfermedad de Pompe: los lisosomas tienen un defecto en la glucosidasa . En esas células se acumula glucógeno.

• Enfermedad de Tay-Sachs: es una enfermedad familiar que se encuentra predominantemente en los judíos asquenazí y que produce la muerte temprana. La enfermedad de Tay-Sachs se produce por una deficiencia de hexosaminidasa, una enzima que es importante en el metabolismo de los gangliósidos (un tipo de sustancia química que se encuentra en el tejido nervioso). Estos gangliósidos, en particular el gangliósido GM2, se acumulan luego en el cerebro, produciendo deterioro neurológico.

• Enfermedad de Gaucher: es una deficiencia hereditaria de la enzima glucosidasa , que ocasiona una acumulación de una sustancia tóxica (glucosilceramida) en diferentes partes del cuerpo, como el bazo, el hígado y los huesos.

• Enfermedad de Niemann-Pick: la enfermedad de Niemann-Pick es causada por mutaciones genéticas específicas. Las cuatro formas de la enfermedad de Niemann-Pick se caracterizan por una acumulación de esfingomielina y colesterol en las células, particularmente en las células de órganos importantes como el hígado y el bazo. Las cuatro formas más conocidas de la enfermedad son los tipos A, B, C y D. Cada subtipo involucra diferentes órganos y puede o no involucrar el sistema nervioso central o el sistema respiratorio. Además, cada subtipo tiene diferente progresión: el tipo A es agudo, el tipo B es crónico y los tipos C y D son subagudos.

• Silicosis: es una enfermedad respiratoria causada por inhalación de polvo de sílice que conduce a inflamación y luego cicatrización del tejido pulmonar. El sílice es un cristal común que se presenta naturalmente. Se encuentra en la mayoría de los lechos rocosos y forma polvo durante el trabajo con minería, la formación de canteras, la construcción de túneles y la manipulación de muchos minerales metálicos. El sílice es un componente principal de la arena por lo que las personas que trabajan con vidrio y los areneros también están altamente expuestos a este elemento. Los factores de riesgo comprenden cualquier trabajo que implique la exposición al polvo de sílice, como el trabajo en las minas, el corte de piedra, el trabajo en canteras, el trabajo en la construcción de carreteras y de edificaciones, el trabajo en la fabricación de abrasivos, el trabajo con arena y muchas otras ocupaciones y pasatiempos que involucren exposición al sílice. La exposición intensa al sílice puede causar esta enfermedad en un año o menos, pero, por lo general, toma al menos 10 ó 15 años de exposición antes de que se presenten los síntomas. Las células fagocíticas del sistema respiratorio intentan destruir estas partículas de sílice y se produce un daño pulmonar.

• Asbestosis: es una enfermedad respiratoria producida por la inhalación de fibras de asbesto. La inhalación de fibras de asbesto puede producir cicatrización de los tejidos (fibrosis) en el interior del pulmón. El tejido pulmonar cicatrizado no se expande ni se contrae en forma normal. La severidad de esta enfermedad depende del tiempo de exposición y de la cantidad de asbesto inhalada.

• Artritis reumatoide: se debe, en parte, a la liberación de enzimas lisosomiales que proceden de células inmunológicas hacia el espacio extracelular que provoca daños en las articulaciones.

• Gota: se producen cristales de urato en el líquido sinovial de las articulaciones, los neutrófilos toman esos cristales de urato pero los lisosomas no pueden digerirlo por lo que esos cristales rompen la membrana del lisosoma. Se destruye en parte el neutrófilo y en parte las enzimas lisosomiales se vierten hacia el líquido sinovial y producen la acción inflamatoria típica de la gota.

Tema 10. Mitocondrias.

! Concepto: son orgánulos citoplasmáticos rodeados por dos membranas capaces de llevar a cabo todos los procesos de oxidación de la célula para formar ATP. El conjunto de mitocondrias que posee una célula se denomina condrioma.

! Historia: En 1890 Altmann fue el primer científico que las describió y las denominó bioblastos porque pensaba que eran organismos vivos que parasitaban las células. En 1897 Benda las denominó mitocondrias. En 1908 Meves las denominó condriosoma y posteriormente Michaelis consiguió teñir a esos orgánulos con un colorante vital, que no mata a la célula, denominado verde Jano que supuso un gran avance para el conocimiento de las mitocondrias ya que con ese colorante se pueden ver a microscopía óptica y con un microscopio adecuado (por ejemplo con contraste de fases) se puede observar que las mitocondrias son estructuras dinámicas que se mueven dentro de la célula, además de fusionarse y de dividirse.

! Estructura y ultraestructura:

• Número: el número de mitocondrias que presenta una célula es muy variable de un tipo celular a otro. En los hepatocitos presentan alrededor de 1000 mitocondrias por célula. Son más abundantes en células musculares, túbulos del riñón; siempre que la célula necesite mucha energía va a haber muchas mitocondrias. Incluso dentro del mismo tipo celular puede variar el número de mitocondrias.

• Distribución: se distribuyen por todo el citoplasma. Por ejemplo en las células musculares debido a su función, a la contracción de la actina y de la miosina se encuentran entre los filamentos de actina y de miosina.

• Forma: su forma es muy variable. Normalmente presentan apariencia de bastones con los extremos redondeados, presentan multitud de formas porque la forma cambia constantemente y dependiendo del estado funcional también su forma es variable. Se presentan en dos estados morfológicos distintos: estado convencional y estado condensado cuando se lleva a cabo la síntesis de ATP.

• Tamaño: el tamaño medio que presentan las mitocondrias varía entre 0,5-1 m su diámetro pequeño y entre 1-7 m su diámetro mayor, aunque por ejemplo en las células musculares las mitocondrias pueden llegar a tener 10 m de longitud.

• Ultraestructura: Las dos membranas suelen tener un espesor de 7 nm y tienen la estructura típica de las membranas biológicas. Si se hace un tratamiento previo a la microscopía electrónica con el ácido fosfotungstico, al microscopio electrónico se pueden observar en la membrana mitocondrial interna la presencia de unas partículas que tienen un pedúnculo anclado a la membrana mitocondrial interna y una cabeza mirando hacia la matriz mitocondrial, son las ATP-sintetasas también llamadas partículas elementales, que se encargan de la síntesis de ATP. Las crestas mitocondriales son un sistema para aumentar la superficie de la membrana mitocondrial interna donde va a tener lugar el procesos de reacciones para la síntesis de energía. Nunca llegan a atravesar toda la matriz y normalmente aparecen transversales al eje mayor de la mitocondria pero en algunos casos aparecen crestas longitudinales que son paralelas al eje mayor de la mitocondria. La forma de las cretas puede variar, las hay tabulares, saculares y tubulares (las mitocondrias que se encuentran en las células que poseen gran cantidad de REL, por ejemplo las células de Leydig). Y en algunos astrositos la sección de las cresta tiene forma triangular. El número de crestas es muy variable dependiendo del estado funcional de las mitocondrias. En el interior se pueden encontrar moléculas de ADN circular y desudo y aparecen en una región que es menos densa a los electrones y que es lo que se denomina nucleoide, además existen ribosomas 70s y puede haber también inclusiones densas a los electrones que son normalmente acúmulos de fosfato cálcico o acúmulos de lípidos.




• Composición química: las mitocondrias son fáciles de aislar de las células. Hay unos tratamientos que se pueden aplicar a las mitocondrias, una de estas sustancias es la digitonina y lo que sucede es que se rompe la membrana mitocondrial externa y queda la matriz rodeada por la membrana mitocondrial interna y se denomina mitoplasto, de esta manera se pueden aislar los diferentes componentes de las mitocondrias.

• Membrana mitocondrial externa: tiene en su composición entre el 40-50% de lípidos y entre el 60-50% de proteínas. Su composición es muy parecida a la composición de la membrana plasmática. Los lípidos son muy saturados y tienen poco colesterol. En la membrana mitocondrial externa se encuentra el acil-CoA-sintetasa, el cit. B5 que lleva una NADH-reductasa asociada. También hay un transportador que es el TOM, moléculas de monoamino oxidasa, porinas que permiten el transporte de iones y de moléculas pequeñas (menores de 600 Da) a través de la membrana mitocondrial externa que le confieren permeabilidad.

• Espacio perimitocondrial: se encuentra el adenilato ciclasa que es una enzima que sintetiza ADP (AMP + ATP ! 2ADP). La composición en cuanto a iones y moléculas pequeñas es similar a la del citoplasma.

• Membrana mitocondrial interna: tiene muchas proteínas, aproximadamente el 80% de la composición son proteínas y el 20% lípidos. Los lípidos carecen de colesterol pero aparece un lípido que es la cardiolipina que tiene 4 cadenas de ácidos grasos, aparece exclusivamente en la membrana mitocondrial interna y hace, junto con la ausencia de colesterol, que la membrana mitocondrial interna sea impermeable al paso de sustancias. Existe el transportador TIM, las ATP-sintetasa que intervienen en el transporte de electrones y que existen diferentes tipos pero todas ellas se agrupan en 4 grandes complejos proteicos: I, II, III, IV. Además hay enzimas que intervienen en la -oxidación de los ácidos grasos.

• Matriz mitocondrial: hay ribosomas 70s que son sensibles al cloranfenicol (un antibiótico) porque presentan las mismas características que las de las bacterias. Hay ADN circular y desnudo que codifica para 13 proteínas (que intervienen en la formación de las membranas, en la cadena transportadora de electrones y algunas también en la fosforilación oxidativa, síntesis de ATP), 22 ARNt y 2 ARNr. También hay enzimas que intervienen en la -oxidación de los ácidos grasos y en el ciclo de Krebs. Además hay el enzima superoxido dismutasa que reduce parcialmente el oxígeno y también hay gránulos de fosfato cálcico y acúmulos de lípidos. Muchas de estas proteínas tienen que pasar del citoplasma al interior de las membranas. Esas proteínas tienen que atravesar las dos membranas hasta llegar a la matriz mitocondrial, llevan una secuencia de aminoácidos (entre 20 y 35 aminoácidos) denominadas presecuencia, esa presecuencia se escinde al entrar las proteínas a las mitocondrias.

Paso de proteínas del citoplasma a la matriz mitocondrial

! Cuando aparece la presecuencia en la proteína, esa proteína es reconocida por el complejo TOM de la membrana mitocondrial externa, pasa a través de ese transportador y desde el TOM es transportado al TIM, transportador de la membrana mitocondrial interna y desde el TIM para hasta la matriz mitocondrial. Para que se lleve a cabo toda esa transferencia la proteína no puede estar plegada, por eso en el citoplasma las proteínas que van a pasar a las mitocondrias se encuentran desplegadas unidas a un tipo de chaperona, Hsp 70. A su paso por el TIM la proteína se vuelve a unir a otra chaperona Hsp 70. Una vez que se ha transferido toda la proteína a la matriz mitocondrial esa proteína se une a una chaperona de a familia Hsp 60 que hace que se pliegue de una forma adecuada, todos estos procedimientos conllevan gasto de energía. Antes de plegarse se escinde la presecuencia. Las proteínas que van a quedar en las membranas lo que sucede es que tienen secuencias de detención de la transferencia, de tal manera que quedan en el complejo transportador de la membrana en la que se encuentran.

! Para las proteínas que tienen que quedar en el espacio perimitocondrial se pueden dar tres casos posibles:

• Que desde el complejo de TOM las proteínas no se transfieran al TIM, que quede la proteína libre en el espacio perimitocondrial.

• Que pase desde el TOM al TIM pero que en el TIM haya una escisión de la proteína de tal manera que parte de ella quede en el espacio intermembrana.

• Que la proteína pase del TOM a TIM. Desde el TIM a la matriz mitocondrial y desde la matriz mitocondrial por otro transportador la proteína vuelva al espacio intermembrana.

! Las membranas de las mitocondrias también necesitan lípidos que se transfieren a través de proteínas intercambiadoras de fosfolípidos desde el REL.

! En la mitocondria se realiza la síntesis de la cardiolipina, lípido exclusivo de la membrana mitocondrial interna, que da impermeabilidad a las membranas de las mitocondrias.

! También se sintetiza Fosfatidilserina a partir de Fosfatidiletanolamina.

! Funciones: la función principal de las mitocondrias es la síntesis de energía en forma de ATP que es la fuente principal de energía de la célula.

- Esa energía se puede obtener a partir de hidratos de carbono o a partir de las grasas; a partir de glucosa en el caso de que sean hidratos de carbono o a partir de ácidos grasos en el caso de que sean grasas.

- Tras una comida la energía se obtiene a través de la glucosa y en un ayuno prolongado a partir de los ácidos grasos. Nuestro organismo tiene reservas de glucosa para un día y de ácidos grasos para un mes.

- La cantidad de energía que se obtiene es distinta en función de que se utilice glucosa o ácidos grasos. Si tuviéramos que sintetizar todo el ATP a partir de glucosa nuestro organismo aumentaría de peso aproximadamente 25 Kg por término medio.

- En el caso de los hidratos de carbono su hidrólisis se lleva a cabo en el citoplasma hasta obtener piruvato, se obtienen dos moléculas de piruvato por cada molécula de glucosa y las grasas que están almacenadas en el tejido adiposo llegan a través de la sangre a las células que las necesitan. Los ácidos grasos pasan el citoplasma hasta la matriz mitocondrial.

- Tanto el piruvato como los ácido grasos se transforman en acetil CoA, comenzando el ciclo de Krebs, el ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Entre otras sustancias se obtiene CO2 que se expulsa fuera de la mitocondria, también se producen electrones ricos en energía que se unen al NADH y se producen también molécula de FADH2.

- Por cada vuelta del ciclo de Krebs se producen 3 moléculas de NADH y 1 molécula de FADH2.

- Esos electrones con alta energía son transferidos a los complejos transportadores de electrones de la membrana mitocondrial interna, el electrón del NADH es captado por el complejo I, el NADH pasa a NAD, el paso de ese electrón al complejo I va acoplado al paso de protones desde la matriz mitocondrial al espacio perimitocondrial, desde el complejo I ese electrón pasa al Coenzima Q y posteriormente al complejo III, el paso del electrón al complejo III va acoplado también al paso de protones a través de ese complejo transportador. Desde el complejo III los electrones pasan el Citocromo c y desde el Citocromo c al complejo transportador IV, el paso de electrones a través del complejo IV también lleva acoplado el paso de protones hacia el espacio perimitocondrial. Ese electrón es captado por el oxígeno y se forma agua. Se produce una gran concentración de protones en el espacio perimitocondrial. Los electrones del FADH2 son transferidos al complejo II que no lleva asociado el paso de protones hacia el espacio intermembrana. Desde el complejo II pasan al Coenzima Q, al complejo III, cit.c y complejo IV y desde el complejo IV el electrón es transferido al oxígeno. Se forma un gradiente de concentración y un potencial eléctrico, el espacio intermembrana es positivo respecto a la matriz mitocondrial. Cuando hay una diferencia de concentración y de potencial los protones pasa de nuevo a la matriz mitocondrial a través de las ATP-sintetasa (membrana mitocondrial interna), el paso de protones está acoplado a la síntesis de ATP, parece que es necesario el paso de 4 protones para la síntesis de una molécula de ATP.

- Hay funciones particulares de algunos tipos de mitocondrias. Las mitocondrias de las células del tejido adiposo pardo desacoplan el transportan de electrones a la síntesis de ATP y lo que sucede es que producen algo de ATP pero principalmente se genera calor que es necesario en los recién nacidos y en animales que invernan. Las mitocondrias del hígado tienen enzimas que intervienen en varios procesos de la degradación de compuestos nitrogenados para llevarlos hasta urea. En células que realizan la síntesis de hormonas esteroideas, las mitocondrias colaboran con el REL en la síntesis de ellas.










! Según el estado funcional de las mitocondrias se pueden encontrar en dos estados:

• Estado ortodoxo.

• Estado condensado: en presencia de sustrato adecuado y de ADP. El espacio perimitocondrial está mucho más dilatado que en el caso del estado ortodoxo.

• Cuando hay una ausencia de ADP o en presencia de inhibidores de a síntesis de ATP las mitocondrias aparecen en el estado de tumefacción con el espacio intercelular muy reducido.

 Enfermedades relacionadas con la alteración de las mitocondrias:

• Neuropatía óptica hereditaria de Leber: el nervio óptico degenera. Se produce porque hay un conjunto de mutaciones, una de ellas infecta a una de las proteínas que forman el complejo transportador I, otra de ellas afecta al cit.c que se considera parte del complejo transportador III entre otras mutaciones. Al estar afectados los complejos se produce menos síntesis de ATP y es una de las causas de la degeneración del nervio óptico.

• Cuando hay una carencia nutricional o en caso de alcoholismo se observan las mitocondrias del hígado aumentadas de tamaño.

• Si hay una atrofia muscular, en el músculo disminuye el número y el tamaño de las mitocondrias. Al contrario sucede si existe una hipertrofia.

• En caso de isquemias (falta de aporte sanguíneo) de un tejido, las mitocondrias producen menos cantidad de ATP.

 Origen: ontogenético y filogenético.

• Origen ontogenético: se dividen para formar nuevas mitocondrias. Y cuando una célula entra en división, las mitocondrias se dividen:

• Bipartición: parece que es una cresta mitocondrial que se extiende y llega a tabicar completamente la matriz mitocondrial y entonces se divide la mitocondria en dos porciones.

• Estrangulamiento: el centro de la mitocondria se va a estrangular, se va haciendo más estrecho el diámetro de la mitocondria hasta que se produce el estrangulamiento.

• Origen filogenético: se cree que se originaron a partir de una endosimbiosis entre un hospedador y un procariota primitivo aerobio y éste daría origen a las mitocondrias.

Tema 11. Los peroxisomas.

 Concepto: son orgánulos rodeados por una membrana y que están presentes en todas las células eucariotas. Intervienen en diversas reacciones metabólicas, procesos de peroxidación.

 Historia: fueron descritas por De Duve en 1965.

 Estructura:

Son similares a los lisosomas morfológicamente.

A semejanza de las mitocondrias están constituidos por proteínas que se sintetizan en el citoplasma y en cuanto a su función también están relacionados con las mitocondrias.

Están rodeados por una sola membrana.

A microscopía electrónica se pueden ver orgánulos rodeados por una membrana de unos 7 nm de espesor. Son más o menos redondeados o con forma ovoide. Su diámetro varía entre 0,15 - 0,25 m.

Se han encontrado dos tipos:

• Uno de pequeño tamaño y que está presente en todas las células.

• Unos más grandes que sólo se encuentran en ciertas células. Ej. Hepatocitos del hígado.

En su interior presentan una matriz más o menos homogénea, excepto en algunos casos que pueden presentar lo que se denomina nucleoide, que es una matriz cristalina en el centro. Es imposible distinguirlos de los lisosomas a microscopía electrónica, hay que realizar un análisis bioquímico de su composición.

 Composición química:

• Membrana: se encuentran transportadores de electrones, citocromos con sus reductasas asociadas que intervienen en el transporte de electrones, también se encuentran receptores y transportadores de proteínas.

• Interior: se han descrito hasta 50 enzimas diferentes. Entre esos enzimas se encuentra la catalasa, la urato oxidasa. Enzimas que intervienen en el catabolismo, en la degradación de lípidos y de purinas y también enzimas que intervienen en la oxidación de los ácidos grasos.

 Funciones:

• Oxidación de los ácidos grasos: aproximadamente el 25% de los ácidos grasos son oxidados en el interior de los peroxisomas, el resto en las mitocondrias. Como consecuencia se forma agua oxigenada, de ahí la presencia de catalasa para llevar a cabo su reducción. (H2O2 ! H2O + O2).

• Degradación del ácido úrico y de aminoácidos: intervienen en la síntesis de lípidos. El colesterol y el dolicol se sintetizan también en los peroxisomas.

• Las mitocondrias de las células del hígado llevan a cabo la síntesis de ácidos biliares que derivan del colesterol.

• Hay una familia de fosfolípidos que son los plasmalógenos que son muy importantes en el cerebro y en el corazón y su síntesis también se lleva a cabo dentro de los peroxisomas.

• Intervienen en procesos de detoxificación en células animales, para la eliminación del etanol.

• En las células vegetales llevan a cabo otras funciones relacionadas con los cloroplastos.

 Formación:

Las proteínas de los peroxisomas proceden de ribosomas libres situados en el citoplasma. Pasan porque las proteínas llevan una secuencia específica: PST 1 y PST 2. Esas secuencias son reconocidas por transportadores que hay en la membrana del peroxisoma y en la membrana existe un complejo de traslocación que trasloca la proteína desde el Citocromo hasta el interior del peroxisoma.

Similar a lo que ocurre en las mitocondrias y en el RE. Hay algunas proteínas que pueden pasar parcialmente plegadas al interior de los peroxisomas. En cuanto a los lípidos también pasan desde las membranas del RE de forma similar a lo que sucede en las mitocondrias.

 Origen: ontogenético y filogenético:

• Origen ontogenético: los peroxisomas tienen una vida de entre 5-6 días, al cabo de los cuales son eliminados por autofagosomas, tienen una vida media muy limitada y se forman a partir de los ya preexistentes que se van dividiendo para formar más peroxisomas.

• Origen filogenético: es bastante controvertido. Presentan relación funcional con las mitocondrias y con los cloroplastos tanto en la función como en el paso de proteínas y de lípidos hacia su interior. Pero morfológicamente parece que tienen relación con el RE (una unidad de membrana y en su interior un contenido enzimático). En la actualidad parece que se han descrito que algunas enzimas que están en el interior del peroxisoma se ha observado que se sintetizan asociadas a la membrana del RE.

 Enfermedades relacionadas con el mal funcionamiento de los peroxisomas:

• Síndrome de Zellweger: es letal en los primeros 10 años de vida. Se produce por mutaciones en al menos 10 genes diferentes que codifican proteínas que están relacionadas con el transporte de proteínas hacia el interior del peroxisoma. Uno de estos genes mutados codifica la proteína PST 1 y quedan los peroxisomas como “sacos vacíos”.

• Enfermedad de Refsum: en este caso falta el enzima que oxida un ácido, el ácido fitánico y lo que ocasiona son neuropatías, ataxia y degeneración de los fotorreceptores de la retina.

• Adrenoleucodistrofia: no se pueden producir la entrada de ácidos grasos al interior del peroxisoma, no pueden ser degradados los ácidos grasos y eso causa una insuficiencia suprarrenal y también causa neuropatía y otros síntomas.

Tema 12. El citoesqueleto.

! El citoesqueleto consiste en una red de filamentos de proteínas que se extienden por el citoplasma de todas las células eucariotas. El citoesqueleto proporciona un andamiaje celular que da la forma a la célula y organiza todo el citoplasma. Además es el responsable de los movimientos de la célula y de los movimientos de los diferentes orgánulos. Es una estructura dinámica que está cambiando continuamente dentro de la célula.

! Se compone de:

• Filamentos de actina o microfilamentos.

• Microtúbulos.

• Filamentos intermedios.

FILAMENTOS DE ACTINA

! Están constituidos por actina que es una proteína de gran importancia biológica tanto cuantitativamente como cualitativamente. Representa entre el 5-10% de todas las proteínas de la célula y en células musculares representa el 20% del total.

! Muchas de las funciones celulares están relacionadas.

! Aparecen en diversas formas, sólo van a ser visibles al microscopio en forma de actina polimerizada. A microscopía electrónica en cuanto a su ultraestructura se observa la actina en forma de filamentos, filamentos de un diámetro aproximado de entre 6-8 nm y en cuanto a su longitud es variable porque están cambiando constantemente.

! No suelen aparecer asilados, sino que suelen aparecer agrupados formando haces de filamentos de actina o también formando redes. Son muy abundantes por debajo de la membrana plasmática. También se encuentran en las microvellosidades, zonulas adherentes y contactos focales.

! La actina se aisló en 1942 a partir de células musculares. En un principio se pensaba que sólo aparecen en las células musculares pero luego se comprobó que aparecen en todas las células eucariotas. Se han descrito 6 tipos de actina en los mamíferos, 4 apareciendo en células musculares y los otros 2 tipos en células no musculares. Se describen con letras griegas: , , .

! Las moléculas aisladas de actina son proteínas globulares constituidas por un monómero que es el que se conoce con el nombre de actina G (actina globular). Cada uno de éstos monómeros tiene un sitio de unión al ATP o al ADP. Aproximadamente el 50% de la actina de la célula se encuentra en forma globular. Esos monómeros de actina G polimerizan para formar los filamentos de actina F (actina fibrilar). Cada filamento de actina F está constituido por dos hebras de actina G que se enrollan en hélice. Todas están enrolladas en las misma dirección y tienen un extremo más (+) y un extremo menos (-), esa polaridad es importante para el ensamblaje de actina.

! Dinámica de la actina: la polimerización de la actina sigue un proceso en dos fases:

• Nucleación: es la formación de un pequeño agregado constituido por tres molécula de actina G.

• Crecimiento: se van añadiendo monómeros a ambos extremos, pero en un extremo los monómeros se unen a más velocidad (extremo +) que por el otro. Un extremo crece entre 5-10 veces más rápido que el otro extremo (extremo -). De esa manera se forman los filamentos de actina. Los monómeros de actina G unidos al ATP son los que se unen con mayor afinidad al extremo del filamentos (bien al extremo + ó -). Libres en el citoplasma monómeros de actina-G con ATP. En el momento en que se une el filamento, el ATP se hidroliza y pasa a ADP. Los que llevan el ATP unido polimerizan más rápido que los que llevan ADP. Se puedne unir a los dos extremos del filamento. Cuando es necesario, ese filamento puede despolimerizarse, acortándose el filamento. Existe un equilibrio dentro de la célula entre la actina G y la actina F dependiendo de la concentración de monómeros libres en el citoplasma. Lo que se pierden son unidades de actina G con ADP, se denomina “intercambio rotatorio”. En este proceso intervienen proteínas que de alguna manera pueden estabilizar o desestabilizar al filamento y existen drogas que ayudan al ensamblaje o desembalaje (Ej. Citocalasina: cuando se une al extremo + del filamento bloquea su polimerización; faloidina: se une a los filamentos de actina e inhibe su despolimerización).

! Proteínas de unión a la actina:

1 - Proteínas estructurales:

• Formadores de haces.

• Formadores de redes.

2 - Proteínas reguladoras:

• No motoras.

• Motoras.

! Proteínas estructurales formadoras de haces:

• -actinina: se dispone entre los filamentos de actina, une unos filamentos de actina a otros filamentos de actina para formar haces que quedan paralelos entre sí con un espacio de aproximadamente 40 nm y que permite a las proteínas reguladoras unirse a los filamentos de actina.

• Fimbrina: une también filamentos de actina para formar haces paralelos. El espacio que queda es de aproximadamente 14 nm. Aparece en los filamentos de actina de las microvellosidades.

• Villina: también aparece formando los haces de filamentos de actina. Se encuentra en las microvellosidades del epitelio intestinal.

! Proteínas estructurales formadoras de redes:

• Filamina: es un dímero en forma de horquilla, cada extremo de la horquilla se une a los extremos de actina. Formándose una red de filamentos de actina, una malla. Esa red es muy abundante por debajo de la membrana plasmática de las células (corteza celular), funciona como soporte estructural de la superficie de la célula.

• Distrofina: se une a los filamentos de actina y a una proteína de la membrana de las células musculares. Síndrome de Duchene, síndrome de Becker.

! Proteínas estructurales formadoras de fibras de estrés: fijan las fibras de estrés a la membrana plasmática y es lo que sucede en los contactos focales como un andamiaje particular. Hay filamentos de actina que normalmente forman haces, esas fibras de actina se unen a las proteínas de la membrana plasmática a través de la vinculina y de la talina, en esos puntos hay un gran número de filamentos de actina formando haces que es lo que se denominan fibras de estrés, en el caso de los contactos focales y proporcionan gran resistencia a los contactos focales y es lo denominados fibra de estrés.

! Proteínas reguladoras no motoras:

• Proteínas secuestradoras de monómeros de actina:

• Cofilina: es una proteína que se une a los monómeros de actina principalmente a los unidos a ADP. Aumenta la velocidad de disociación de los monómeros de actina. Interviene en la despolimerización de la actina.

• Profilina: hace que se suelte la cofilina y que se produzca el intercambio de ADP por ATP en el monómero de actina. Interviene en la polimerización de la actina. Las profilinas que se encuentran en las células son las responsables de muchos tipos de alergia.

• Timosina: se une a los monómeros de actina e inhibe su polimerización, impide que se forme el polímero de actina.

• Proteínas de coronación, de encapuchamiento o bloqueadoras de filamentos de actina:

• Cap Z: aparecen en las células musculares asociadas a la estructura que forman los filamentos de actina y miosina denominada sarcómera. Bloquea la despolimerización de los filamentos de actina.

• Proteínas de fragmentación que se unen a los filamentos de actina y los rompen. Hacen que se acorten y en muchas ocasiones se pueden formar diferentes ramas.

• Cofilina

• Villina

• Arp 2/3: forma ramas en los filamentos de actina.

! Proteínas reguladoras motoras.

- Miosina: la proteínas principal reguladora de la unión de actina puede desplazarse a través del filamento de actina o permite el deslizamiento de un filamento de actina sobre otro. Se necesita ATP. Se han descrito hasta 14 tipos distintos de miosina (miosina I, miosina II, etc). La que más se conoce es la miosina II (convencional) que aparece en las células musculares; los otros tipos de miosina se denominan no convencionales.




! Miosina II: la molécula de miosina II está constituida por 6 cadenas, 4 cadenas ligeras y 2 cadenas pesadas. Las 2 cadenas pesadas tiene la forma de un “palo de golf”. Tienen la cabeza más gruesa y una cola enrollada. Por la cabeza globular se une a los filamentos de actina y en esa zona se unen las 4 cadenas ligeras. Estas cadenas pesadas tienen 2 partes, la zona de la cabeza se denomina meromiosina pesada y la zona de las colas que se denomina meromiosina ligera. Estas moléculas de miosina se asocian entre sí para formar los filamentos de miosina y se asocian por la región de las colas pero guardando un cierto grado de desplazamiento de unas cabezas sobre las otras. Se unen al filamento de la cabeza, la zona de la cabeza con respecto a la otra tiene cierto grado de giro y desplaza los filamentos de actina.




! Miosina I: es más pequeña y también tiene una región de cabeza y una cola. En este caso la región de las colas es más corta. Por la región de la cabeza se une al filamento de actina y por la cola a otro orgánulos y va a hacer que se desplace dicho orgánulo.

! Funciones de la actina:

• En las células musculares intervienen en la contracción muscular, constituyendo las sarcómeras.

• Son el soporte mecánico de varias estructuras (de las microvellosidades; estereocilios; pseudópodos, filopodios y lamelipodios, estos tres son expansiones del citoplasma de la célula que aparecen en algunos tipos celulares, los pseudópodos intervienen en procesos de fagocitosis y los filopodios y lamelipodios en procesos de movimiento celular, para desplazara la célula; micropúas).

• Interviene en le proceso de citocinésis. Los filamentos de actina forman un anillo contráctil para dividir el citoplasma en dos.

• Intervienen en el sistema de anclaje de las células (en los contactos focales y en las zonulas adherentes).

• Intervienen en la morfogénesis de las células, durante el desarrollo embrionario las células se modifican. Los filamentos de actina son los responsables de cambios en la forma de las células.

• La actina aparece en algunos espermatozoides de algunas especies (no en el caso humano). La actina polimeriza cuando se va a producir la fecundación para cambiar la forma del espermatozoide.

• Es la responsable de los movimientos ameboides o de arrastre celular. En la célula la zona periférica de la célula donde se encuentra la actina polimerizada se denomina ectoplasma y la zona central donde se encuentra la actina despolimerizada se denomina endoplasma. Por un estímulo, una región de la corteza celular los filamentos de actina se pueden despolimerizar, al despolimerizarse los filamentos en una región celular todo el citoplasma se puede desplazar hacia esa región. Cuando la célula se mueve por movimiento ameboide se despolimeriza una región y el citoplasma se desplaza por esa región, en el extremo opuesto se produce una retacción del extremo posterior, con lo cual la célula va como “raptando” por el sustrato.

FILAMENTOS INTERMEDIOS

Tienen un diámetro mayor que el diámetro de los filamentos de actina. Su diámetro esta entre 8-10 nm.

Aparecen solos como filas o bien formando haces. Son de naturaleza homogenia y son muy estables. No necesitan ni ATP ni GTP para polimerizar. Están presentes en todas las células eucariotas.

En cuanto a su composición química la naturaleza proteica de los filamentos intermedios es muy variable, todos tienen una estructura básica común. Partiendo de esa estructura básica común de cada proteína, esas moléculas proteicas van a ir polimerizando para constituir los filamentos intermedios.

La estructura básica tiene un eje central en -hélice con dos extremos, uno es la cabeza (que posee el grupo N-terminal) y otro es la cola (que posee el grupo C-terminal) que es un monómero de la proteína. Varía el tamaño y la estructura de las colas y de las cabezas de una proteína a otra. Estos monómeros van a polimerizar para constituir los filamentos.

Dos monómeros se asocian de forma paralela para constituir un dímero y se asocian de forma paralela. Dos dímeros se unen de forma antiparalela para constituir un tetrámero y además normalmente guardan cierto desfase. La unión de tetrámeros de forma lineal da un protofilamento. Los protofilamentos tienen entre 2-3 nm de diámetro. La asociación de dos protofilamentos de forma paralela da una protofibrilla con un diámetro de entre 4-5 nm y la asociación de 4 protofibrillas da el filamento intermedio con un diámetro de entre 8-10 nm.

! Tipos de proteínas que forman parte de los filamentos intermedios: se han descrito hasta 50 proteínas que forman parte de los filamentos intermedios y se han agrupado en 6 clases en relación con la similitud entre sus frecuencias de aminoácidos.

• Tipo I.

• Queratinas ácidas: aparecen en las células epiteliales.

• Tipo II:

• Queratinas básicas y neutras: también aparecen en células epiteliales. Hay más de 20 tipos distintos.

• Tipo III:

• Vimentina: aparece en fibroblastos, glóbulos blancos y células en desarrollo.

• Desmina: aparece en células musculares en la línea Z en los límites de la sarcómera.

• GFAP (proteína glial fibrilar ácida): aparece en los astrositos, en células de Scwann que forman la mielina de los axones.

• Periferina: aparece en neuronas del sistema nervioso periférico.

• Plasticina: aparecen en células de le vía visual en regeneración.

• Tipo IV:

• Neurofilamentos: en neuronas del sistema nervioso central. Tipos L, M, H, etc.

• -internexina: en neuronas durante el desarrollo.

• Gefiltina: también aparecen en la vía visual en regeneración.

• Tipo V:

• Laminas : aparecen dentro del núcleo. Se incluyen las proteínas que forman parte de la lámina nuclear. Tipos A, B, C, etc.

• Tipo VI:

• Nestina: durante el desarrollo en células musculares y en células nerviosas.

• Filensina: durante la diferenciación del cristalino en los vertebrados.

También se pueden unir otras proteínas a los filamentos intermedios:

• A la queratina se une la filagrina.

• A la desmina se une la plectina.

Los filamentos intermedios son estables pero también pueden polimerizarse y despolimerizarse (que normalmente se produce por fosforilación de proteínas de filamentos intermedios) y si se desfosforila se vuelven a polimerizarse los filamentos intermedios.

Es lo que sucede por ejemplo en las láminas nucleares durante la mitosis en la división de las células.

! Funciones de los filamentos intermedios:

• La función principal es proporcionar una estabilidad mecánica a la célula. Los filamentos intermedios se fijan por ejemplo a la envuelta nuclear y hacen que el núcleo se mantenga en una posición determinada; también sucede con otros orgánulos y los filamentos intermedios hacen que se mantengan en una posición determinada dentro de la célula.

• Forman parte del sistema de anclaje a las células.

• Integración de todo el citoesqueleto de la célula. Los filamentos intermedios pueden mantenerse unidos a filamentos de actina a través de otras proteínas como por ejemplo la plectina.

• Se necesitan fundamentalmente en aquellas células que están sometidas a gran variedad de tensiones mecánicos (Ej. Células de la piel).

! Patologías relacionadas con los filamentos intermedios: debidas a mutaciones en la secuencia que codifica para la proteína que forman los filamentos intermedios.

• Queratinas: dermatitis.

• Neurofilamentos: esclerosis lateral amiotrófica / atrofia muscular espinal infantil.

• Desmina: cardiomiopatías congénitas.

• Vimentina: formación de cataratas.

• Plectina: epidermolisis ampollosa más distrofia muscular.

MICROTÚBULOS

 Estructuras que componen el citoesqueleto que tienen un diámetro aproximado de 25 nm. Son cilindros huecos. Son estructuras muy dinámicas, similares a lo que sucede con los filamentos de actina, están continuamente ensamblándose y desensamblándose. Intervienen en diferentes tipo de movimientos celulares.

Intervienen en el transporte de orgánulos dentro de la célula.

Intervienen en la separación de los cromosomas durante la división celular.

 Se componen de un único tipo de proteína que es la tubulina.

Esa tubulina es un dímero formado por dos subunidades, la alfa tubulina y la beta tubulina. También están la gamma tubulina pero aparece en los centros organizadores de microtúbulos. Esas moléculas de tubulina polimerizan para constituir un microtúbulo.

 Se van uniendo los dímeros de tubulina uno a continuación de otro, la cabeza con la cola. La unión de / tubulina constituye un protofilamento. La unión de 13 protofilamentos constituye un microtúbulo hueco. Las proteínas de los protofilamentos se unen guardando un cierto desfase con respecto al que tiene el de al lado. Esos 13 protofilamentos forman un cilindro hueco y ese espacio hueco es de alrededor de 14 nm. En el microtúbulo se tiene un extremo más y un extremo menos. Crecerá el microtúbulo más rápido por el extremo más. Tanto la alfa tubulina como la beta tubulina se unen a GTP y ese GTP hidroliza a GDP, pero sólo el de la beta tubulina. Cuando las dos subunidades están unidas al GTP esos dímeros se unen al microtúbulo, una vez unido el GTP de la subunidad beta se hidroliza a GDP y en esa forma tiene menor afinidad por el microtúbulo y se suelta. Existe un equilibrio entre la cantidad de tubulina libre y la cantidad de tubulina asociada a los microtúbulos y es lo que da lugar a que el microtúbulo se acorte o se alargue. El extremo que lleva unido más moléculas de GTP se alagar, en cambio el extremo con menos molécula de GTP unidas se acorta.

 El proceso de alargamiento y acortamiento puede estar influenciado por diversas drogas entre las que se encuentran la colchicina y la colcemida que estabilizan a los microtúbulos, inhiben la polimerización del microtúbulo, inhiben la división de las células. Otras drogas utilizadas para el tratamiento del cáncer como son la vincristina o la vimblastina que ambas se emplean en quimioterapia o el taxol que inhiben la división de las células al actuar sobre los microtúbulos.

 Dentro de las células esos microtúbulos se organizan alrededor de un centro organizador de microtúbulos que es el centrosoma. Se organiza con el extremo menos cerca del centrosoma y el extremo más alejado del centrosoma estableciéndose una polaridad celular.

 El centrosoma está constituido por dos centríolos dispuestos uno perpendicularmente al otro, ese par de centríolos es lo que se denomina diplosoma. Alrededor de los centríolos se dispone un material pericentriolar donde, entre otras proteínas se ha encontrado la gamma tubulina. No se sabe aún muy bien cómo se organizan los microtúbulos alrededor del centrosoma. Lo que parece es que los centríolos no son responsables de la organización de los microtúbulos sino que parece que a partir de ese material pericentriolar parten los extremos menos de los microtúbulos.

 Proteínas acopladas a los microtúbulos:

• Proteínas estructurales que estabilizan a los microtúbulos:

• MAP (proteínas asociadas a los microtúbulos). Según el tipo celular se encuentra un tipo u otro tipo distinto. Su distribución es distinta de un tipo celular a otro. Estabilizan a los microtúbulos. Tanto la MAP 1 como la MAP 2 se encuentran en neuronas y también hay otra proteína asociada a los microtúbulos que es la proteína tau que es la responsable de la enfermedad de Alzheimer. También existe la MAP 3. La MAP 4 se encuentra en todas las células excepto en las neuronas. Las proteínas MAP están reguladas y controladas por procesos de fosforilación y desfosforilacion de tal manera que pueden estabilizar o no a los microtúbulos.

• Proteínas motoras: intervienen en el movimiento. Se asocian a los microtúbulos e intervienen en el movimiento de orgánulos celulares. Tienen una estructura bastante parecida.

• La familia dineina: poseen un dominio de cabeza y una base. Por el dominio de cabeza se une al microtúbulo y por la base se une a otros orgánulos (Ej. Vesículas). Se mueven a lo largo del microtúbulo del extremo más al extremo menos.

• La familia quinesina: tienen dominio de cabeza y una base o cola. Por el dominio de cabeza se unen al microtúbulo y por la base o cola se unen a otros orgánulos. Se desplaza a lo largo del microtúbulo del extremo menos al extremo más. Se han descrito algunas quinesinas que se desplazan del extremo m´nas el extremo menos.

 Funciones de los microtúbulos:

• Su principal función es intervenir en la división celular ya que son los responsables de la división de los cromosomas.

• En células en interfase son los responsables de establecer una polaridad dentro de la célula. Debe haber una unión de los microtúbulos a otros orgánulos del citoplasma (Ej. Relación con el RE, aparato de Golgi para mantener a esos orgánulos en una posición determinada) En las neuronas, en el axón todos los microtúbulos se disponen con el extremo menos hacia el cuerpo celular y el extremo más hacia el axón y en las dendritas se disponen en ambas direcciones. En el axón siempre se encuentra la proteína tau mientras que en las dendritas se encuentra la proteína MAP 2.

• Intervienen en el transporte de vesículas a lo largo del citoplasma que lo hacen mediante la unión a las proteínas motoras (dineina y quinesina). La proteína motora se desplaza a lo largo del microtúbulo quedando unido el orgánulo a dichas proteínas y desplazándose sobre los microtúbulos.

• Hay microtúbulos lábiles que son los que forman parte del citoesqueleto de la célula junto con los microfilamentos y los filamentos intermedios. También existen microtúbulos estables que forman estructuras estables dentro de la célula y forman parte de los centriolos y de los cilios y flagelos.

CENTRIOLOS

 Son cilindros huecos delimitados por tripletes de microtúbulos. Hay 9 grupos de 3 microtúbulos y tienen una estructura de 9x3 + 0. Se unen 3 microtúbulos (A, B y C), el microtúbulo A completo pero el B y el C comparten microtúbulos con el adyacente, son incompletos.

 Esos tripletes de microtúbulos además de contener alfa y beta tubulina también contienen de gamma tubulina.

 Del centríolo parten las fibras transversales de una proteína que es la centrina y parece que sirven para unir un centríolo a otro. En uno de los extremos del centríolo se asocian otras estructuras denominadas satélites y apéndices que sirven para la unión del centríolo al material pericentriolar. Además hay proteínas de unión de unos tripletes con otros.

CILIOS Y FLAGELOS

 Tienen una estructura similar a los centriolos. La diferencia es que en el caso de los cilios, cuando una célula posee cilios tiene muchos y además cortos mientras que los flagelos son largos y suele haber uno por célula. Además el movimiento que proporcionan es diferente. Los cilios intervienen en el movimiento extracelular y los flagelos intervienen en el movimiento de células (Ej. Espermatozoides).

 Estructura: se anclan dentro del citoplasma de la célula, están recubiertos por membrana plasmática y en su interior tienen microtúbulos. La zona que se ancla dentro de la célula se denomina corpúsculo basal que tiene la misma estructura que un centríolo y de ese corpúsculo basal dentro del citoplasma parten unas estructuras proteicas denominadas raíces ciliares. El axón es la estructura que sobresale de la célula que se encuentra revestido por membrana plasmática.

 Estructura del axonema: 9x2 + 2. Los microtúbulos se disponen por pares que se disponen en la parte periférica del axonema y se encuentran dos microtúbulos centrales. El axonema es completo y el B comparte protofilamentos con el microtúbulo A. Asociadas los microtúbulos se encuentran una serie de proteínas. Uniendo un doblete con otro se encuentra una proteína que es la nexina que son puntos de unión de un doblete a otro. De cada microtúbulo A parten dos lazos proteicos de dineina, uno externo y otro interno. La dineina se puede unir al microtúbulo adyacente. Gracias a esto se produce el movimiento. Partiendo de cada microtúbulo y dirigiéndose hacia el centro hay unas estructuras proteicas determinadas espinas radiales que van desde la periferia hacia el centro que terminan alrededor de otra estructura proteica que rodea a los microtúbulos centrales que es la vaina interna. Los dos microtúbulos son completos e independientes, no comparten ningún protofilamento.

 Los microtúbulos del axonema tienen longitudes distintas. La longitud del axonema en caso de los cilios suele ser entre 2-10 m, en el caso de los flagelos pueden ser hasta de mm. En cuanto al diámetro de cilios y flagelos es del orden de 0,25 m.

A nivel de la membrana plasmática hay una zona de transición que al hacer un corte transversal se observa que hay 9 microtúbulos pero faltan los 2 microtúbulos centrales, pero en vez de esos dos microtúbulos centrales existe una condensación denominada placa basal.

Por debajo de la zona de transición se encuentra el corpúsculo basal que está formado por un centríolo y a partir de los microtúbulos del centríolo se organizan los microtúbulos del axonema, de tal manera que el microtúbulo A y B del axonema son continuación del centríolo.

El diámetro del corpúsculo basal es del orden de 0,2 m y tiene 0,4 m de longitud.







MOVIMIENTO CILIAR

 Los dobletes están unidos por dineina, la dineina se une por la base al microtúbulo A y la cabeza se une al microtúbulo B del microtúbulo adyacente. Al desplazarse la dineina que se encuentra unida al microtúbulo A la cabeza de dineina se desplaza sobre el microtúbulo B y tira del microtúbulo A del otro microtúbulo adyacente.

 El movimiento ciliar es un movimiento ondulatorio.




Tema 13. El núcleo.

 Concepto: es el centro rector de toda la actividad celular. Contiene el ADN codificando toda la información para la vida de la célula. Controla todos los procesos de desarrollo. Es la característica esencial de las células eucariotas con respecto a las células procariotas que no poseen un núcleo definido. En el núcleo se realiza la duplicación y la transcripción del ADN y el procesamiento de los ARN, formándose los tres tipos de ARN principales, el ARN ribosómico, el ARN transferente y el ARN mensajero que salen del núcleo y en el citoplasma es dónde se realiza la síntesis de proteínas. La existencia de un núcleo implica que distintos procesos estén separados. Si la célula está en división el aspecto del núcleo cambia.

 Historia:

El núcleo los vió Leeuwenhoek que dibujó eitrocitos de salmón con núcleo.

En 1781 Fontana describió unos corpúsculos dentro de las células epiteliales. Fue descrito con detalle en 1833 por Brown.

En el siglo XIX Waldeyer describió los cromosomas y ya en el siglo XX Hershey y Chase identifican al ADN como la molécula donde se encuentra contenida toda la información genética.

En 1953 Watson y Crick proponen la estructura de la doble hélice para el ADN que fue el primer paso para el avance en el conocimiento de los diferentes procesos en el campo de la información genética.

! Características generales:

A microscopía óptica si se tiñen las células con un colorante denominado hematoxilina-eosina se observa el citoplasma teñido, se puede observar un límite y en el centro se ve una estructura teñida de rojo intenso con un pequeño corpúsculo más intenso.

Se puede ver el número de núcleos por célula mediante la microscopía electrónica.

Los eritrocitos de los mamíferos y la plaquetas no tienen núcleo.

Lo normal es que las células tengan un único núcleo pero por ejemplo los hepatocitos del hígado tiene 2 núcleos, también algunas células de la médula y de la corteza drenal y hay otras células multinluceadas como por ejemplo los osteoclastos y también las células musculares estriadas esqueléticas.

El tamaño varía de un tipo celular a otro, por término medio se sitúa entre 5-15 m de diámetro. Siempre guarda relación con el tamaño del citoplasma, de tal manera que hay una relación constante para cada tipo celular (Vn / Vcit). Si esta constante cambia significa que la célula entra en división y en las células hijas se vuelve a establecer esta misma relación.

La forma del núcleo se adapta a la forma de la célula en la cual se encuentra. En las células esféricas el núcleo también es esférico, en células cúbicas el núcleo también es esférico, en células aplanadas el núcleo es alargado y en algunos casos es completamente irregular, por ejemplo en los neutrófilos que son células esféricas el núcleo tiene una serie de lóbulos. La forma puede cambiar.

Normalmente se sitúa en el centro de la célula pero en ocasiones se encuentran desplazado. En los adipositos de grasa blanca que son células cargadas con una gota de grasa, el núcleo se sitúa en la parte externa de la célula. En las células musculares estriadas esqueléticas los núcleos se sitúan en la periferia porque en el centro se disponen los componentes del citoesqueleto. En las células especializadas en la secreción, el núcleo se sitúa en el tercio inferior de la célula.

! Composición química:

• Envuelta nuclear: el 75% son proteínas y el 25% restante son lípidos. En una membrana muy activa.

• Interior nuclear: principalmente es agua, si se considera el peso en seco hay un 15% de ADN, un 5% de ARN y el resto son proteínas aunque también hay sales minerales, iones, etc. Dentro de esas proteínas las hay de diferentes tipos.

• Proteínas enzimáticas: como la ADN y la ARN polimerasa.

• Proteínas no enzimáticas: las hay básicas que son las histonas que se dividen en 5 tipos diferentes (H1, H2A, H2B, H3 y H4) y que son las que se unen al ADN y lo empaquetan. Y también las hay no básicas que son las que intervienen en la transcripción del ADN en la estructuración de los cromosomas.

 Ultraestructura:




La parte más externa del núcleo es la envuelta nuclear.

La envuelta nuclear está constituida por dos membranas (membrana nuclear interna y membrana nuclear externa) que presentan las características de todas las membranas biológicas separadas las dos membranas por el espacio perinuclear.

En la membrana nuclear externa están pegados ribosomas, mirando hacia el citoplasma, y se puede ver que la envuelta nuclear es continua con las cisternas del RER. En algunos casos de tal manera que el espacio perinuclear es continuo con la luz de las cisternas del RE.

La envuelta nuclear no es continua, en ciertos puntos está interrumpida. Esos puntos se denominan poros nucleares, donde se sitúan unos grandes complejos proteicos que en conjunto a todo el complejo se le conoce con el nombre de complejo de poro nuclear.

Hacia el interior del núcleo y pegado a la membrana nuclear interna se encuentra la lámina nuclear constituida por proteínas de filamentos intermedios. En el resto del núcleo hay cromatina que puede aparecer en dos formas: Eucromatina (es la cromatina más condensada) y heterocromatina (es la cromatina menos condensada y que a su vez puede aparecer en dos formas distintas, constitutiva y facultativa).

La heterocromatina suele aparecer por dentro de la lámina nuclear, en la parte externa del núcleo, también rodeando al nucleolo y como acúmulos dispersos dentro del núcleo.

También se encuentra el nucleolo que es una región del núcleo donde se forman los ribosomas y tanto la cromatina como el nucleolo se encuentran en un medio líquido llamado nucleoplasma o carioplasma.

! Envuelta nuclear:

Es la estructura que separa el contenido del núcleo del contenido del citoplasma y actúa como una barrera selectiva que impide el paso libre de moléculas entre el exterior y el interior del núcleo. Controla el paso de sustancias entre el núcleo y el citoplasma.

Ese intercambio de sustancias entre el núcleo y el citoplasma se realiza a través de los poros nucleares. Se realiza el paso selectivo de proteínas y de ARN; por tanto, los complejos de poro van a tener una función en el control de la expresión génica.

Está constituida por dos membranas que son igual que las demás membranas biológica,s asimétricas, etc. Tienen un espesor de alrededor de unos 7 nm y el espacio que dejan entre ellas es de 25-40 nm.

La membrana nuclear externa tiene receptores para la unión de ribosomas. Los ribosomas realizan la síntesis de proteínas y esas proteínas pasan al espacio perinuclear; por tanto, el espacio perinuclear es muy similar en cuanto a su composición.

La membrana nuclear interna contiene un receptor para unirse a la lámina nuclear.

Lo más característica de la envuelta nuclear son los poros nucleares.

A nivel del poro nuclear la membrana nuclear interna y externa se fusionan. Los poros nucleares aparecen en el núcleo de todas las células.

Por término medio en las células de levaduras hay unos 200 poros por núcleo, en células humana en proliferación hay entre 3000 y 5000 poros nucleares por núcleo, en los ovocitos puede haber hasta 50000000 de poros nucleares por núcleo. El núcleo de los espermatozoides no presenta poros nucleares.

El poro nuclear es una estructura muy grande. Tiene un diámetro de aproximadamente 120 nm, pero el agujero real es mucho más pequeño, tiene entre 45-50 nm y se debe a que los poros nucleares se disponen en un complejo de proteínas que se conocen como nucleoporinas.

En las células humanas se han encontrado entre 50 y 100 nucleoporinas distintas formando parte del complejo de poro nuclear.

Las proteínas que forman parte del complejo de Golgi se disponen siguiendo una disposición octamérica. Estas nucleoporinas se componen de:

• Complejo anular-radial: es un grupo de 8 proteínas que se disponen pegadas a las membranas del núcleo. Se ancla a la membrana nuclear externa y a la membrana nuclear interna y hace que esas dos membranas sean distintas. En el centro se dispone otro complejo proteico denominado complejo transportador.

• Complejo transportador: las sustancias que pasan entre el núcleo y el citoplasma tiene que pasar por el hueco central del complejo transportador. A ambos lados del complejo transportador y del complejo anular-radial se encuentran otros complejos proteicos.

• Complejo nucleoplásmico: en el lado del nucleoplasma.

• Complejo citoplásmico y citoplasmático: a su vez estos complejos están constituidos por diferentes partes. Partiendo del complejo citoplásmico parten 8 filamentos que se dirigen hacia el citoplasma. Desde el complejo nucleoplásmico parten otros filamentos que se fusionan en el extremo, de tal forma que constituyen una caja o una cesta denominada cesta o jaula nuclear.




Las sustancias apolares pequeñas son las sustancias que pueden pasar a través de las membranas nucleares sin ayuda de los poros nucleares.

A través del complejo de poro hay tres tipos de transporte distinto:

• Difusión pasiva: las sustancias que pasan a través del complejo de poro no necesitan interaccionar con las nucleoporinas. Es un transporte rápido pero sólo pasan moléculas pequeñas que tengan un bajo peso molecular y parece que el tamaño de las partículas tiene que ser menor de 9 nm que sería el tamaño del poro real que deja el complejo transportador.

• Difusión facilitada: permite el paso de moléculas de mayor tamaño. Es necesario que las moléculas a transportar establezcan interacciones con las nucleoporinas de tal manera que se modifica la conformación del complejo de poro.

• Transporte activo: para el transporte activo son necesarias proteínas transportadoras que establezcan interacciones con los nucleoporinas que se denominan transportadores nucleares. Hay diferentes tipos de proteínas transportadores, pueden ser importinas (las que llevan las sustancias hacia el núcleo. Reconocen señales de localización nuclear (NLS)), exportinas (las que sacan las sustancias desde el núcleo al citoplasma. Reconocen señales de localización plasmática) y las transportinas (que permiten el paso de en dos direcciones, del núcleo al citoplasma y del citoplasma al núcleo. Reconocen señales lanzadera (NS)).

El transporte activo está mediado por las proteínas Ran que están unidas a GTP o a GDP, que media la unión del transportador y de la molécula a transportar (ran-GTP y ran-GDP). Conllevan gasto de energía en forma de GTP.

! Laminillas anilladas: en relación con la envuelta nuclear. Aparecen en el citoplasma de algunos tipos celulares (células en mitosis, embrionarias y células tumorales).

Tienen las mismas características que la envuelta nuclear (con complejo de poro).

Se supone que son reservorios del complejo de poro que se integrarían en la envuelta nuclear en momentos en que el incremento en la tasa de transporte fuese incrementado. No tienen lámina nuclear.

El espesor de las membranas es de alrededor de 7 nm y el espacio que queda entre ellas es del orden de entre 30-50 nm.

! Lámina nuclear. Es una red de proteínas de entre 30-100 nm de espesor que se sitúa por dentro de la membrana nuclear interna.

Está constituida por filamentos intermedios de 10 nm de diámetro.

Los filamentos de la lámina nuclear están constituidos por 3 proteínas distintas:

• La lámina o laminina A.

• La lámina o laminina B.

• La lámina o laminina C.

La lámina B se une a la membrana nuclear interna, esa membrana nuclear interna tiene un receptor para la lámina B. A su vez la A y la C se unen a la B por un lado y por otro lado se unen a la cromatina. Es un sistema para mantener la cromatina dentro del núcleo.

Puede ensamblarse y desensamblarse, cuando la célula entre en división la lámina nuclear se desorganiza porque se produce la desfosforilacion de las proteínas de las láminas. Sin embargo, al final de la mitosis tiene lugar el proceso contrario, las proteínas se fosforilan.

Esa lámina nuclear es la responsable del ensamblaje y desensamblaje de la envuelta nuclear durante los procesos de división celular.

! Nucleoplasma: es el medio líquido en el que está la cromatina y el nucleolo. Es una fase acuosa que contiene fundamentalmente proteínas (proteínas relacionadas con el metabolismo de ácido nucleicos, proteínas que intervienen en la regulación de la expresión génica (factores de trascripción, moduladores, represores, etc)).

También hay cofactores, minerales, iones (magnesio y calcio sobre todo, también aparece sodio, potasio, etc) NAD, ATP y además otras moléculas.

Además de la lámina nuclear se discute si hay un esqueleto de proteínas similar al citoesqueleto del citoplasma. Lo que sí se sabe es que existe actina dentro del núcleo y tubulina tanto alfa como beta tubulina pero algo distintas a las citoplasmáticas.

También se han encontrado proteínas no identificadas que unen entre sí determinadas secuencias del ADN llamadas MAR o SAR (son regiones asociadas a la matriz).

Toda esa matriz de proteínas organiza los plegamientos de la cromatina y de esa manera regula la replicación y la transcripción del ADN.

Dentro del núcleo hay cromatina y está el nucleolo.

! Cromatina: está constituida principalmente por ADN y por proteínas y, además, puede aparecer con aspectos distintos. Toda esa cromatina es ADN y proteínas.

! Proteínas que se asocian al ADN:

• Histonas: son proteínas básicas. Se recambian muy poco en la célula, únicamente en la fase G1 y S del ciclo celular.

• Nucleosómicas: son la H2A, H2B, H3 y H4. Las cuatro forman los nucleosomas. Cada uno de esos nucleosomas es un disco de un diámetro de alrededor de 11 nm que contiene dos copias de cada una de estas histonas. Son proteínas básicas con restos de lisina y arginina.

• No nucleosómicas: es la H1. No forman parte de los nucleosomas. Es mayor que las otras proteínas histonas y es bastante heterogénea. Tiene una región globular y dos colas en los extremos C- y N- terminal.

• No histonas: la mayoría son ácidas del tipo de fosfoproteínas. También se asocian al ADN. Tiene una velocidad de recambio muy alta. Se sintetizan a lo largo de todo el ciclo celular. Las más conocidas son:

• Nucleoplasmina: que se unen a las histonas H2A y H2B.

• Proteína N1: que se une a las histonas H3 y H4.

• PCNA (antígeno nuclear de proliferación) Se desplaza a lo largo de la fibra de ADN. Parece que intervienen en la replicación, reparación y recombinación del ADN. Actúa como una proteína unida a la ADN polimerasa y se relaciona con proteínas que intervienen en la control del ciclo celular. Aparecen en células que están en división. Se utiliza como marcador de células proliferativas.

• Enzimas que intervienen en la duplicación del ADN.

En algunos tipos celulares no hay histonas. En los espermatozoides de algunas especies las histonas son sustituidas por otras proteínas de menor peso molecular que son las protaminas para conseguir un mayor empaquetamiento del ADN.

! Genoma: es toda la información génica contenida en la cromatina. Es variable de una especie a otra.

El genoma de eucariotas es mayor que el de procariotas.

Los anfibios tienen mayor peso génico que las aves y puede haber también diferencia en cuanto al sexo. En un organismo diploide el genoma está replicado dos veces.

En los seres humanos el genoma se encuentra duplicado. Tenemos 22 pares de cromosomas que son los autosomas y los 2 cromosomas sexuales. Tenemos 46 moléculas de ADN. Cada cromosoma es una molécula de ADN.

El genoma se divide en dos clases:

• Genoma codificante.

• Genoma no codificante.

El 40% del ADN son porciones no codificantes. Se alternan porciones codificantes y porciones no codificantes, de diferentes tamaños. Las porciones codificantes se denominan gen. Cada región de ADN que produce una molécula de ARN funcional es un gen y dentro de las moléculas de ADN se encuentran genes y porciones no codificantes.

Dentro de un gen se encuentran diferentes porciones. Los genes normalmente llevan secuencias reguladoras de la expresión del gen. En el gen se encuentran alternando intrones y exones que es la porción del ADN que se transcribe al ARN.

Al ARN se transcriben tanto los intrones como los exones pero no es un ARN funcional, sino que tiene que producirse una serie de procesos de maduración del ARN o “splicing” y se elimina la porción de los intrones quedando los exones y la molécula de ARN ya es funcional.

Las secuencias reguladoras del ADN no se transcriben, sólo se replican. En ocasiones se necesitan varias copias de un gen para sintetizar muchas proteínas.

El conjunto de gen que codifica para un mismo ARN para una misma proteína se denomina familia de genes. Dentro de la familia hay pequeños cambios.

En otros casos se pueden transcribir diferentes miembros de una familia de genes en diferentes tejidos o en diferentes fases de desarrollo. Estos procesos se han consolidado a lo largo de la evolución.

Los pseudogenes son genes que no son funcionales. En el caso de la hemoglobina se conoce que hay 2 genes que no son funcionales por mutaciones.

Parte del ADN no codificante se corresponde con el genoma no codificante que constituye el 40% de todo el ADN. Consiste en secuencias repetitivas algunas de las cuales se repiten millones de veces. No se conoce bien su función pero podrían ser secuencias reguladoras de la expresión de los genes o podría tener función estructural (Ej. Unión a la lámina nuclear).

Hay dos tipos de ADN no codificante:

• ADN satélite: contiene formaciones en tandem (repetidas una a continuación de otras). Tienen entre 5 y 200 nucleótidos y se repiten millones de veces por genoma, pero siempre una a continuación de otra, representan alrededor de entre el 10y el 20% de todo el ADN. No aportan ninguna información genética funcional. Algunas sí empeñan funciones importantes en la estructura de los cromosomas. Son pequeñas secuencias repetidas una a continuación de otra. Hay también minisatélites que son del orden de 15 pares de bases que se repiten miles de veces y microsatélites que son del orden de 5 pares de bases repetidas cientos de veces, pero siempre en tandem.

• ADN disperso: son secuencias de ADN que se repiten pero dispersas en el genoma. Hay a su vez dos tipos:

• Secuencias “SINE”: son elementos cortos dispersos y de alrededor de 300 pares de bases y hay alrededor de un millón de ellas dispersas en el genoma. Representan alrededor del 10% del genoma. Estas secuencias se transcriben a ARN pero ese ARN no codifica proteínas.

• Secuencias “LINE”: pueden tener 6000 pares de bases y se repiten del orden de 50000 veces.

 Condiciones necesarias para que el ADN constituya un cromosoma: Se necesita tener una secuencia de ADN obligatoria que son importantes porque permiten que el cromosoma se puede duplicar. Si el cromosoma no se puede duplicar no sería un cromosoma.

• Orígenes de replicación (ORI): para que el ADN se pueda duplicar. Hay varias a lo largo de un cromosoma. Sin ellos no se podría duplicar el ADN.

• Centrómeros: son secuencias de ADN a las cuales se pueden unir proteínas pero unas proteínas particulares, las proteínas del cinetocoro. Sin centrómeros no se puede dividir correctamente la célula y no se tienen cromosomas. En los seres humanos son secuencias satélite, secuencias muy repetidas y en tandem.

• Telómeros: son secuencias repetidas en tandem de ADN situadas en los extremos de los cromosomas. Desempeñan un papel fundamental en la replicación y en el mantenimiento del cromosoma. En los seres humanos esa secuencia se conoce y es AGGGTT y se repite entre cientos y miles de veces. Esas secuencias hacen que en los extremos de los cromosomas se formen unos lazos para proteger los extremos del ADN. La telomelina permite que se conserven los extremos de los cromosomas. El mantenimiento de estos Telómeros parece que está relacionado con el envejecimiento, se pierde parte de los extremos de los telómeros.

 El ADN se empaqueta en los nucleosomas. El ADN se enrolla alrededor de los nucleosomas que están constituidos por 8 histonas.

Cada 200 pares de bases aparece un nucleosoma. El ADN da 1,6 vueltas alrededor de esas proteínas histonas. La fibra nucleosómica es el ADN enrollado en los nucleosomas.

Pero en el empaquetamiento también interviene la histona H1 que puede que se una por una parte al nucleosoma y; por otra parte, al ADN ayudando a empaquetar el ADN.

La estructura que se forma por la unión entre el nucleosoma con la fibra de ADN a su alrededor y la histona H1 se denomina cromatosoma. Este empaquetamiento da una fibra de un diámetro de 11 nm.

El ADN son unidades repetidas de cromatosomas.

Las secuencias que se están transcribiendo se supone que no están en los nucleosomas y la presencia de los nucleosomas entre el ADN parece que está determinada por dos factores. En primer lugar parece que los nucleosomas están en zonas ricas en pares de bases A-T porque parece que esas regiones son más fáciles de “doblar”. Y también parece que viene determinado por la presencia de otras proteínas que normalmente son proteínas de regulación génica.

La fibra de 11 nm no queda así sino en forma de fibras más empaquetadas (con un diámetro de alrededor de 30 nm).

Se supone que esa fibra de 30 nm es la fibra cromatosómica mucho más enrollada. También hay intervalos con porciones de ADN que no están empaquetadas que ahí es donde se unen proteínas específicas de unión al ADN.

Esa fibra de 30 nm se puede empaquetar más dando fibras de alrededor de 300 nm.

La fibra de 300 nm da otra agrupación de 700 nm y la de 700 nm da ya los cromosomas.

En el caso de los cromosomas se piensa que tiene un esqueleto proteico y alrededor se enrolla el ADN.

El diámetro de los cromosomas es del orden de 1400 nm y sólo son observables cuando la célula está en división junto con el de 700 nm. El resto sólo los vemos cuando la célula se encuentra en interfase.

La eucromatina es la fibra de 11 nm que es la que se puede transcribir pero a partir de ahí hay diferentes opiniones, algunos autores piensan que a partir de 30 nm es heterocromatina aunque para otros es a partir de la fibra de 300 nm, que la Eucromatina sería la de 11 nm y la de 30 nm.

Se presentan diferencias entre la eucromatina y la heterocromatina que es la cromatina inactiva, que es la que no se transcribe, el ADN presenta metilaciones y las histonas no acetiladas; sin embargo, en la eucromatina el ADN no está metilado y las histonas están acetiladas.

Dentro de la heterocromatina se distinguen dos tipos:

• Heterocromatina constitutiva: es aquella que nunca se transcribe como por ejemplo secuencias de los centrómeros y de los telómeros.

• Heterocromatina facultativa: es aquella que no se transcribe en un tipo celular pero sí se transcribe en otros tipos celulares. En otro tipo celular puede aparecer como eucromatina.

El proceso de inactivación de una parte de un ADN es lo que sucede con el cromosoma X en el caso de las hembras. Uno de los cromosomas X de las hembras se inactiva y aparece como heterocromatina y se inactiva en etapas primarias del desarrollo.

A microscopía electrónica gracias a los neutrófilos se puede distinguir si esa sangre es de mujer o de hombre.

Los cromosomas ocupan posiciones determinadas dentro del núcleo.

Normalmente los centriolos y los telómeros se disponen en la parte externa del núcleo y además dentro de cada par de cromosomas esos cromosomas ocupan sitios distintos dentro del núcleo. Esos lugares se denominan dominios cromosómicos y entre esos dominios cromosómicos se encuentran unos espacios denominados dominios intercromosómicos. Parece que esos dominios intercromosómicos son zonas libres de ADN a donde van pasando los ARN que se están transcribiendo a partir del ADN. Las zonas que se transcriben del cromosoma sería la zona más externa de los dominios cromosómicos.

Dentro del núcleo existen unas regiones denominadas dominios funcionales dentro del núcleo. Los distintos procesos que se están realizando dentro del núcleo se realizarían esos procesos en zonas determinadas del núcleo de tal manera que la organización más interna del núcleo sería un reflejo de todos los procesos realizados en el núcleo.

 Dominios funcionales dentro del núcleo:

• Fábricas de replicación o replicones: zonas donde tiene lugar la replicación del ADN. La bromodeoxiuridina se puede incorporar a las células y con esta sustancia se puede luego observar los sitios donde se está replicando el ADN.

• Las motas nucleares o llamadas puntos de Splicing: es dónde se produce la maduración de los ARN. Se han encontrado unos complejos de ARN y proteínas que son los responsables de llevar a cabo la maduración de los ARN. Esos ARNs de denominan ARNsn (ARN nuclear pequeño). Se han descrito 5 tipos distintos de esos ARNsn en esas zonas que se unen a proteínas (se han descrito hasta ahora 6 proteínas distintas de unión a esos ARN) y ese conjunto forman partículas ribonucleicas que se conocen como espliceosomas que se pueden detectar al microscopio.

• Cuerpos nucleares: son zonas que aparecen como diferentes dentro del núcleo. Se distinguen dos tipos, cuerpos espirales y cuerpos PML. En la zona de los cuerpos espirales se han visto partículas constituidas por ARNsn y por proteínas y se supone que son los sitios donde se ensamblan esas partículas de proteínas con ARNsn. Los cuerpos PML se desconoce su función, no aparecen ARNsn unidos a proteínas parece que no están relacionados ni con la transcripción ni con la replicación.

• Nucleolo: donde se lleva a cabo la síntesis de los ARNr y la unión de los ARNr a proteínas. Es el único dominio funcional dentro del núcleo y se puede distinguir a microscopía electrónica. Se compone de diferentes partes.

 Nucleolo: el nucleolo es una región que se organiza alrededor de la región de los cromosomas donde están los genes que codifican los ARNr. Las regiones de los cromosomas donde se encuentran los genes que codifican para los ARNr es lo que se conoce como organizadores nucleolares. Esos genes en la especie humana se localizan en 5 cromosomas (en el cromosoma 13, 14, 15, 21 y 22). Además son genes que están repetidos uno a continuación de otro, en tandem. Hay 10 organizadores nucleolares. EN el nucleolo es donde se codifican los ARNm de 28 s, 18s y 5,8s y el de 5s se sintetiza fuera del nucleolo y después ya se ven los ARNr que se sintetizan en el nucleolo.

A partir del ADN que contienen los genes que codifica para ARNr se sintetiza un preARNr de 45s que todavía no es funcional. Se produce un proceso de maduración que se rompe y da 3 porciones distintas, una de 18 s, 28 s y 5,8 s y a esos también se une el ARNr de 5 s que se ha sintetizado fuera del nucleolo. La subunidad menor está constituida por ARNr de 18 s más proteínas y la subunidad mayor está constituido por ARNr de 28 s, 5,8 s y 5s.

Los RNAsno (ARN nucleares pequeños) intervienen en el procesamiento de los ARNr. Se han descrito alrededor de 200 RNAsno. Estos ARNsno se unen a proteínas y da una partícula ribonucleoproteica denominada RNPsno. Similar a lo que sucede con el ARNm.

Las subunidades son sólo fucnionales cuando pasan el complejo de poro y pasan al citoplasma.

Dentro del nucleolo se distinguen distintas porciones que son 3:

• Centro fibrilar: son las zonas del nucleolo que son más claras y se corresponden con el lugar donde se encuentran los genes del ARNr. Ese lugar estaría ocupado por fibras de ADN.

• Componente fibrilar denso: son las zonas alrededor de los centros fibrilares que se ven más densas a los electrones. Y esas zonas se corresponden con los lugares donde hay pre-ARNr.

• Componente granular: son zonas donde se encuentran ya las partículas pre-ribosómicas. Es donde se une el ARNr a las proteínas.

El nucleolo se desorganiza durante la división celular. Y al final de la división el nucleolo se vuelve a organizar y se organiza entorno a las regiones de los organizadores nucleares.

Tema 14. Citogenética humana.

CROMOSOMAS

Se habla de cromosomas durante la división celular y de cromatina durante la interfase.

Cuando se ven los cromosomas en metafase el ADN ya se encuentra duplicado.

Cada cromosoma está constituido por dos cromátidas unidas las dos en un punto que es una constricción primaria que es el centrómero. Cada una de esas cromátidas tiene dos brazos que no son unidades funcionales sino morfológicas.

En algunos casos se pueden observar otras constricciones secundarias que separan trozos de ADN, que son los satélites.

Se han propuesto varios modelos para explicar cómo se empaqueta el ADN con las proteínas en los cromosomas.

El grado de empaquetamiento del ADN en el cromosoma es de unas 8000 veces.

Cuando se observan los cromosomas en el microscopio electrónico de barrido se observan imágenes similares a una mazorca de maíz, donde cada granito se denomina microcónvula que se corresponde con ADN empaquetado y unido a proteínas.

Los cromosomas se pueden clasifica según el tamaño de sus brazos.

El brazo corto se denomina p y el brazo largo se denomina q.




Según el tamaño de los brazos se puede hacer una clasificación de los cromosomas:

• Cromosomas metacéntricos: cuando los dos brazos son iguales. Su índice centromérico es igual a uno.

• Cromosomas submetacéntricos: un brazo es un poco más largo que otro. Su índice centromérico es menor que uno.

• Cromosomas acrocéntricos: un brazo más corto que otro. Su índice centromérico tiende a cero.

• Cromosomas telocéntricos: no tienen brazo corto. Su índice centromérico es igual a cero. Los seres humanos en nuestro cariotipo no tenemos cromosomas telocéntricos.

Índice centromérico: se define como la longitud del brazo corto partido por la longitud del brazo largo (P/q) o también como la longitud del brazo corto entre la suma de ambos brazos (P/P+q).

Cariotipo: es la ordenación de todos los cromosomas de una misma especie convenientemente ordenados. Cada pareja de cromosomas homólogos se designa con un número, son los denominados autosomas porque los cromosomas sexuales se denominan con una letra. Los autosomas se denominan desde el número 1 hasta el número 22.

El número de cromosomas es característico de cada especie. Ej. Los seres humanos tenemos 46 cromosomas, el perro 78 cromosomas y la rata 42 cromosomas.

En los seres humanos los cromosomas se ordenan por su tamaño y por su forma. Se han establecido 7 grupos distintos de parejas de homólogos que se designan con una letra, desde la A hasta la G.

• Grupo A: formado por los cromosomas 1, 2 y 3. Son los cromosomas más grandes y metacéntricos.

• Grupo B: formado por los cromosomas 4 y 5. Los cromosomas son grandes pero submetacéntricos.

• Grupo C: formado por los cromosomas 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12. Los cromosomas son de tamaño medio y los hay entre metacéntricos y submetacéntricos.

• Grupo D: formado por los cromosomas 13, 14 y 15. Los cromosomas son de tamaño medio y son acrocéntricos y disponen de satélites.

• Grupo E: formado por los cromosomas 16, 17 y 18. Los cromosomas son de un tamaño medio y submetacéntricos.

• Grupo F: formado por los cromosomas 19 y 20. Los cromosomas son pequeños y metacéntricos.

• Grupo G: formado por los cromosomas 21 y 22. Los cromosomas son pequeños y acrocéntricos y disponen también de satélites.

Por otro lado se encuentran los dos cromosomas sexuales:

• El cromosoma X: que es de tamaño medio tirando a grande y es metacéntrico. Se parece mucho a los cromosomas del grupo C.

• El cromosoma Y: es muy pequeño y acrocéntrico y no tiene satélites.




Los cromosomas se pueden teñir con diferentes colorantes y hace que se tiñan unas zonas y otras no de cada uno de los brazos de los cromosomas. Las zonas teñidas se denominan bandas y las zonas sin teñir se denominan interbandas.

La tinción de las bandas facilita la realización del cariotipo. Incluso con las tinciones se pueden ver si hay algún defecto en los cromosomas.

Las principales bandas son:

• Banda Q: se obtiene cuando se tiñen los cromosomas con quinacrina y parece que se corresponde con zonas ricas en pares de bases A-T.

• Banda G: que se obtiene cuando se realiza un tratamiento a los cromosomas con proteasas y se tiñen con un colorante denomina Giemsa. Se obtiene las mismas bandas que las Q.

• Banda R: se obtiene cuando se tiñen los cromosomas con cromomicina. Las bandas que se obtienen son zonas ricas en pares de bases de G-C. Es el inverso a las anteriores.

• Banda C: tras un tratamiento alcalino a 60ºC realizado a los cromosomas éstos se tiñen a continuación con el colorante de Giemsa y la banda C se corresponde con los centrómeros y con los telómeros.

Parece que las bandas tienen una correspondencia funcional. Delimitan regiones dentro de los cromosomas y cada banda se puede enumerar. Ej. 8p1.2 (significa cromosoma 8, brazo corto, la región interna, la banda número 2).

Hay algunos cromosomas especiales, entre los que se encuentran los cromosomas gigantes:

• Cromosomas politénicos: aparecen en las células de las glándulas salivares de insectos. Aparecen en células que no se dividen pero donde se ha duplicado el ADN. Cada uno de esos cromosomas contienen 1024 fibras de ADN, cromátidas que están muy asociadas una a la otra. Las zonas más claras se corresponden con las regiones donde la cromatina está más desespirilizada, está menos empaquetada para que se pueda transcribir y son las interbandas. Sin embargo, las bandas son zonas donde la cromatina está más empaquetada y no se puede transcribir. Una interbanda puede pasar a ser banda o a la inversa en diferentes fases de la vida celular dependiendo e las necesidades de transcripción.




• Cromosomas plumulados: se llaman así por su aspecto de plumas. Aparecen en los ovocitos que son las células que van a dar los óvulos. Como es una célula que está en división el ADN se encuentran duplicado. A microscopía electrónica se observan pares de cromosomas homólogos. Si se estudian con más detalle se observan zonas más condensadas y zonas donde el ADN está desempaquetado forman una serie de lazos. Este ADN desempaquetado se está transcribiendo dando lugar a ARN. En la zona de donde parten los lazos hay zonas de ADN muy condensada llamadas cromómeros

Tema 15. Ciclo celular.




 El núcleo se reorganiza cada vez que la célula se divide.

Las células van a pasar a lo largo de su vida por una serie de ciclos, se alternan etapas de división con etapas donde no se produce la división.

 Las etapas por las que pasa una célula se denominan ciclo celular, habiendo un periodo donde la célula se divide que se denomina mitosis o división del núcleo que normalmente va acompañada de la división del citoplasma, de una citocinésis. EL resto del ciclo celular cuando la célula no está en división se dice entonces que la célula está en interfase.

Todo este ciclo debe estar muy regulado dentro de la célula.

Durante todo el ciclo, la célula aumenta de tamaño, duplica el ADN (se lleva a cabo la replicación del ADN), después los cromosomas en la división se separan entre las dos células hijas y se divide también el citoplasma. Y cada una de esas células comenzará otro nuevo ciclo celular.

La duración del ciclo celular es distinto para cada tipo celular

Un ciclo celular de una célula humana en un cultivo en laboratorio normalmente tiene una duración de 24 horas, de las cuales la mayor parte del tiempo (el 95%) la célula está en interfase, el resto (5%) la célula está en división, que dura aproximadamente una hora.

Durante el ciclo celular se modifica el aspecto de la célula.

Durante la interfase la célula tiene un aspecto similar hasta que la célula entra en división.

La interfase se divide en 3 fases sucesivas. Tras la mitosis hay un intervalo de tiempo denominado G1 gap 1, el siguiente periodo es la fase S de síntesis y la siguiente fase es la G2.

Durante la fase G1 la célula aumenta de tamaño. La célula es metabólicamente activa.

En la fase S la célula replica el ADN.

En la fase G2 continua el crecimiento de la célula. La célula en esta fase también es metabólicamente activa. Se prepara para la siguiente fase que es la división de la célula.

En una célula humana la mitosis dura alrededor de 1 hora, la fase G1 dura alrededor de 11 horas, la fase S unas 8 horas y la fase G2 4 horas.

 Sin embargo, el ciclo celular se puede alterar, por ejemplo es lo que ocurre en las células del embrión donde hay no hay un aumento del tamaño celular. Desaparece la fase G1 del ciclo celular. Se produces fases alternándose la duplicación y la división de la célula. Es una adaptación del ciclo celular y la presentan las células embrionaria.

En la fase G1 hay un punto de control del ciclo celular denominado punto de restricción. Si la célula pasa este punto continúa continua el ciclo hasta la división celular pero puede que no pase ese punto y entonces la célula se encuentra en un estado de reposo denominado G0.

Si hay presencia de factores de crecimiento adecuados la célula continúa hasta la división celular pero si no tiene factores de crecimiento entra en la fase G0 que es el periodo de reposo. Esto sucede por ejemplo en los fibroblastos. Cuando nos hacemos un corte las plaquetas liberan un factor de crecimiento derivado de las plaquetas y que favorecen a los fibroblastos.

En otros tipos celulares hay otros puntos de corte en G2, como es el caso de los ovocitos en algunas especies. Sólo salen los ovocitos de la fase G2 en respuesta a determinadas respuestas hormonales.

El paso de G2 a mitosis se activa por señales hormonales que son también señales externas. Pero además hay toda una serie de puntos de control dentro de cada fase, son puntos de control que impiden la entrada a una fase celular si no se ha completado la fase anterior.

 En el punto de control de G1 se detecta si hay ADN dañado, si hay ADN que ha sufrido alguna mutación. Si el ADN está dañado se activan una serie de proteínas para reparar el ADN dañado; entre esas proteínas se encuentra la p53 que repara el ADN. Pero puede suceder que esta proteína p53 no funcione correctamente y no se repare el ADN que es lo que conlleva a la aparición de un cáncer.

Otro punto de corte está en G2 que también repara el ADN dañado o para el ciclo celular si el ADN no ha sido replicado.

Y otro punto de corte está al comienzo de la fase de mitosis, dentro de la mitosis si los cromosomas no están correctamente ordenados en el huso mitótico que lleva a la aparición de tumores.

En todos estos procesos de regulación del ciclo celular se han descrito que existe un complejo proteico denominado MPF (factor promotor de la maduración) que es un complejo de proteínas que interviene en la regulación del ciclo celular y más concretamente en la regulación de la mitosis. Y este complejo proteico está constituido por 2 proteínas distintas: cdc2 que es una proteína kinasa y la ciclina B que es una proteína reguladora de la cdc2. Hoy se sabe que hay diferentes tipos de proteínas formando parte del MPF. Y también la ciclina la hay de muchos tipos.

El MPF se activa cuando la célula entra en la mitosis y se inactiva cuando la célula acaba la mitosis.

Tema 16. La mitosis.

 Durante la mitosis la célula ya ha duplicado el ADN. Se condensan los cromosomas. Se rompe la envuelta nuclear. El centrosoma se ha duplicado antes de la mitosis, por lo tanto hay 4 centriolos. Se organiza todo el citoesqueleto de la célula y los microtúbulos son los responsables de que cada cromátida de cada cromosoma vaya a un polo de la célula.

 Fases:

• Profase.

• Prometafase.

• Metafase.

• Anafase.

• Telofase.

PROFASE

En la profase empiezan a condensarse los cromosomas para que puedan moverse dentro de la célula.

Hay una proteínas que son las condensinas que son unos complejos proteicos que llevan a cabo la condensación del ADN para formar los cromosomas Esas condensinas son maduradas por el factor promotor de la maduración (MPF).

Por acción del cdc2 del MPF se produce la fosforilación de las condensinas y parece que produce la condensación de los cromosomas.

También es necesaria la fosforilación de la histona H3 para la condensación de los cromosomas.

El cdc2 fosforila la histona H1 pero esta fosforilación no es necesaria para la condensación de los cromosomas.

También por efecto del cdc2 del MPF se fosforilan las láminas nucleares.

La fosforilación de las láminas nucleares da lugar a la fragmentación de la envuelta nuclear.

La envuelta nuclear se fragmenta en pequeñas vesículas.

Por fosforilación del cdc2 el RE y el aparato de Golgi se fragmentan en pequeñas vesículas que posteriormente se van a distribuir por las células hijas.

Todo el citoesqueleto de la célula se reorganiza.

El MPF induce un cambio drástico e la dinámica de los microtúbulos, aumenta el ritmo de desensamblaje de los microtúbulos lo que da lugar a que los microtúbulos se despolimericen y se acorten.

El MPF actúa fosforilando proteínas de unión a los microtúbulos.

El producto es que haya más microtúbulos pero más cortos.

Se considera que la profase termina con la rotura de la envuelta nuclear.

PROMETAFASE

La prometafase se caracteriza por la formación de lo denominado huso mitótico que no es más que una disposición particular de los microtúbulos.

Existen tres tipos de microtúbulos:

• Microtúbulos cinetocóricos: que son microtúbulos que irradian desde cada uno de los centrosomas. Por el extremo + se unen al cinetocoro que son proteínas que se unen al centrómero.

• Microtúbulos polares: son microtúbulos que parten también de cada uno de los centrosomas y por el extremo + se asocian con el extremo + de otro tipo de microtúbulos que parten del centrosoma opuesto.

• Microtúbulos astrales: son microtúbulos que parten desde cada uno de los centrosomas y con su extremo + dirigido hacia la periferia de la célula, con un extremo + libre.

El huso mitótico está formado por los microtúbulos cinetocóricos y por los microtúbulos polares.

Como se ha roto la envuelta nuclear se puede formar el huso mitótico.

También durante la prometafase desaparece el nucleolo.

METAFASE

En la metafase queda un cinetocoro de una cromátida unida a un microtúbulo y el cinetocoro de la cromátida hermana queda unida a un microtúbulo del centrosoma opuesto.

Lo más característico es que todos los cromosomas quedan situados en la parte central de la célula en lo denominado placa metafásica situada en la mitad del huso mitótico.

En esta fase hay un punto de control de la mitosis que supervisa que los cromosomas se alinien de forma correcta en el huso mitótico. Si los cromosomas no está bien alineados se detiene la mitosis y no continúa la división de la célula.

ANAFASE

La anafase se caracteriza porque las cromátidas hermanas se separan, emigran a un polo distinto del huso mitótico. Se tienen que separar y cada cromátida hermana de cada cromosoma ir hacia un polo diferente de la célula.

El movimiento que realizan los cromosomas se puede llevar a cabo mediante dos mecanismos distintos denominados anafase A y anafase B.

• En la anafase A se mueven las cromátidas hacia los polos opuestos a lo largo de los microtúbulos cinetocóricos. Este movimiento está mediado por proteínas motoras asociadas a los microtúbulos que son la dineina (que va hacia el extremo - del microtúbulo) y también intervienen algunas kinesinas (que van hacia el extremo - del microtúbulo). Y además mientras se desplazan las cromátidas, los microtúbulos se van desensamblando.

• En la anafase B van a intervenir los microtúbulos polares. Lo que sucede en la anafase B es la separación de los poros entre sí que sucede por los microtúbulos polares. Los microtúbulos polares se deslizan uno sobre otro. Y también están los microtúbulos astrales que se unen a la superficie de las células y también tiran de los centrosomas separando más el huso mitótico.

Tanto en un caso como en otro en ese desplazamiento intervienen también las proteínas motoras.

En el caso de los microtúbulos polares intervienen las proteínas kinesinas y en el caso de los microtúbulos astrales intervienen la dineina que va hacia el extremo - y acerca la superficie de la célula al centrosoma.

El paso de la metafase a la anafase está controlado por un complejo proteico denominado complejo promotor de la anafase que permanece inactivo hasta que se pasa el punto de control de la metafase. Se pasa el punto de control de la metafase y se activa el complejo promotor de la anafase. Su activación hace que se degraden una serie de proteínas.

Se degradan unas proteínas denominadas cohesinas.

Estas proteínas son las que mantienen unidas las cromátidas hermanas.

Al degradarse las cohesinas se puede separar cada cromátida a un polo de la célula.

También el complejo promotor de la anafase degrada la ciclina B y se inactiva el MPF.

La anafase A y la anafase B suceden a la vez.

TELOFASE

Al inactivarse el MPF sucede lo inverso a lo que pasa en la profase. Comienza la descondensación de los cromosomas, se ensambla la envuelta nuclear, los microtúbulos vuelven al estado de interfase, se desfosforilan las proteínas que anteriormente se habían desfosforilado por acción del MPF. Se empieza a organizar otra vez el nucleolo.

CITOCINÉSIS

Se refiere a la división del citoplasma.

La citocinésis o división del citoplasma ocurre a la vez que ocurre la anafase tardía.

Cuando se inactiva el MPF ello hace que la citocinésis esté coordinada con la división del núcleo.

Se forma un anillo contráctil de actina y de miosina 2 a nivel de la placa metafásica, en el ecuador del huso mitótico.

Ese anillo contráctil va tirando de la membrana plasmática para estrangularla y que la célula quede dividida en dos células a ese nivel.

Siempre las células se van a dividir por un plano que pasa a nivel del huso mitótico.

Hay dos tipos de mitosis, la mitosis abierta que es la que se lleva a cabo en las células del hombre y la mitosis cerrada donde no se produce escisión de la envuelta nuclear y que se lleva a cabo en ciertos tipos celulares como puede ser en ciertas levaduras.




Tema 17. La meiosis.

La meiosis sólo se produce para dar lugar a gametos (ya sean óvulos o espermatozoides) que son células haploides.

Si se parte de una célula madre 2n mediante la meiosis se obtienen 4 células hijas n.

Es un proceso esencial para la reproducción sexual.

Se produce una recombinación genética.

La meiosis tienen lugar tras una interfase celular.

Tiene lugar en 2 divisiones sucesivas:

• La meiosis II o 1ª división meiótica.

• La meiosis II o 2ª división meiótica.

MEIOSIS I O 1ª DIVISIÓN MEIÓTICA

La meiosis I es un poco más larga. Puede durar hasta 40 años. Es dónde se llevan a cabo todos los procesos de recombinación genética.

La meiosis I consta de 4 fases:

• Profase I.

• Metafase I.

• Anafase I.

• Telofase I.

PROFASE I

Durante la profase I se produce la condensación de los cromosomas, el apareamiento de los cromosomas homólogos y el proceso de recombinación genética. Se subdivide, a su vez, en diferentes fases que reciben su nombre por la apariencia que presentan los cromosomas, los cromosomas se van empaquetando paulatinamente a la vez que se produce la recombinación.

• Leptoteno o leptotene que significa fino: Los cromosomas son más delgados y largos que en la profase de la mitosis. Prácticamente no se observan condensados. Se observan algunos cromómeros. A microscopía óptica no se puede distinguir las cromátidas de cada cromosomas. Además esos cromosomas se ordenan en una disposición particular que es lo que se denomina ramillete porque se disponen en asas unidas a la envuelta nuclear. Comienza el proceso de apareamiento de homólogos que se debe al apareamiento de bases entre cadenas de ADN complementarias. Parece que comienza esa unión entre cromosomas homólogos.

• Zigoteno o zigotene que significa unión: En esta fase se produce la asociación estrecha entre cromosomas homólogos. El apareamiento comienza en los extremos o desde puntos internos. Los puntos donde la asociación es muy estrecha se denomina sinapsis. Y en estas regiones se observa una estructura que se denomina complejo sinaptinémico. Esos complejos sinaptinémicos sólo son visibles a microscopía electrónica. Están constituidos por un elemento central y por dos elementos laterales de carácter proteico pero no se conoce su naturaleza. A esos elementos se unen los cromosomas. La formación del complejo sinaptinémico se inicia en zigoteno pero se completa en paquiteno. Además en paquiteno los cromosomas se hacen más cortos y más gruesos. Se observan las parejas de homólogos y esas parejas se denominan bivalentes.

• Paquiteno que significa grueso: A microscopía electrónica se observan las 2 cromátidas de cada cromosoma. Es cuando se produce la recombinación homóloga. Se produce la rotura y la fusión entre cromátidas no hermanas, el proceso de recombinación se produce en unos puntos denominados nódulos de recombinación que es donde están todas las enzimas necesarias para cortar y fusionar el ADN.

• Diploteno que significa doble: Ya se ven las cromátidas de cada cromosoma a microscopía óptica. Se ven los homólogos unidos y las 4 cromátidas. Se habla de tétradas. Comienza la separación de los cromosomas homólogos. Se van separando gradualmente y van desapareciendo los complejos sinaptinémicos y quedan puntos de unión denominados quiasma. Esos quiasmas son el reflejo morfológico del punto donde se ha producido la recombinación genética donde todavía permanece el complejo sinaptinémico.

• Diacinesis que significa hacia la separación. Los cromosomas se condensan por completo y se produce la terminalización de los quiasmas. Puede permanecer algún quiasma hasta la metafase I. Al final de la diacinesis desaparece el nucleolo y la envuelta nuclear. La está controlada también por el factor promotor de la maduración (MPF).

PROMETAFASE I

Es donde se forma el huso mitótico.

METAFASE I

Los cromosomas se sitúan en la placa ecuatorial metafásica y; en este caso, los cromosomas están unidos cada miembro de una pareja de homólogos a centrómeros opuestos. En este caso la cromátida hermana se orienta en la misma dirección unida al mismo polo de la célula a diferencia de la mitosis.

ANAFASE I

Se produce la separación de los cromosomas homólogos. Cada uno de los miembros del par de homólogos va a un polo de la célula. Las cromátidas hermanas permanecen unidas. No hay división de los centrómeros. La separación de los homólogos es al azar. Y se produce la ruptura de los quiasmas.

TELOFASE I

En cada polo de la célula están los cromosomas con 2 cromátidas. Se produce la citocinésis y se vuelve a formar la envuelta nuclear. El resultado son dos células cada una con la mitad de los cromosomas de la célula original y rápidamente empieza la meiosis II sin que haya un periodo de síntesis previo. Se inicia la meiosis II normalmente antes que los cromosomas se hayan descondensado. En algunos casos ni siquiera llegan a reorganizarse la envuelta nuclear. Se pasa directamente de la telofase a la metafase.

MEIOSIS II O 2ª DIVISIÓN MEIÓTICA

La meiosis II tiene 4 fases, es similar a la mitosis aunque partiendo de células que tienen la mitad de cromosomas:

• Profase II.

• Metafase II.

• Anafase II: se van a separar cromátidas.

• Telofase II.

El resultado final de la meiosis es 4 células haploides siendo su información genética distinta entre ellas.




Tema 18. Gametogénesis.

La gametogénesis consiste en la formación de gametos, tanto de espermatozoides como de óvulos.




ESPERMATOGÉNESIS

Incluye 4 fases que son la proliferación, crecimiento, maduración y espermiogénesis.

La célula que va a dar los espermatozoides se encuentra en el testículo, en unas células denominadas células germinales primordiales que se encuentran durante la etapa de embrionaria y fetal en el testículo.

Esas células germinales primordiales son células que tienen capacidad de división, se dividen por mitosis dentro del testículo y forman otras células que son las espermatogonias que son células que tienen capacidad de división a lo largo de toda la vida reproductora del hombre.

La división de las espermatogonias por mitosis entra dentro de la proliferación.

Cuando se van a formar el esperma, algunas espermatogonias entran en la fase de crecimiento que no es más que una interfase previa a la meiosis en la cual las espermatogonias aumentan su tamaño, una vez que han experimentado esa fase de crecimiento, las células pasan a denominarse espermatocitos primario que son los que sufren la meiosis que es la etapa de maduración. Tras la meiosis I se obtienen los espermatocitos secundarios y tras la meiosis II se obtienen otras células que son las espermátidas.

Desde los espermatocitos primarios hasta las espermátidas es la etapa de maduración.

Cuando la célula se divide por mitosis las divisiones del citoplasma no son completas, las células mantienen puentes citoplasmáticos de comunicación de una célula con otra, estos puentes citoplasmáticos los poseen las espermatogonias, los espermatocitos primarios y secundarios y las espermátidas. Son necesarios porque una tiene el cromosoma X y otra el Y; además para que se formen a la vez.

El último proceso es la espermiogénesis que tras este proceso ya se obtienen los espermatozoides. Durante la espermiogénesis ocurren cambios muy drásticos dentro de la célula, hay cambios que afectan al núcleo y cambios que afectan al citoplasma.

Lo que interesa del espermatozoide es que sea una célula muy pequeña con capacidad de movimiento para que se una al óvulo.

Se produce la condensación de la cromatina, en algunos casos las histonas se cambian por otras proteínas que son las protaminas. El espermatozoide va a tener un núcleo muy denso a los electrones.

Se pierde el nucleoplasma. Se pierde también el nucleolo porque no es necesaria la síntesis de ribosomas.

Los cambios que afectan al citoplasma son la pérdida de la mayor parte de los orgánulos y la reorganización de otros. Así, el complejo de Golgi forma una estructura que se denomina acrosoma que es una gran vesícula cargada de enzimas.

El diplosoma se conserva, va a un polo de la célula y a partir de un centriolo se forma un flagelo. En la parte inicial de ese flagelo se sitúan las mitocondrias que se disponen en espiral porque es dónde se necesita energía y el resto del citoplasma se pierde.

! Estructura de un espermatozoide:

• Cabeza: donde se sitúa el núcleo y el acrosoma.

• Cuello o segmento intermedio: es la porción inicial del flagelo y donde se sitúan las mitocondrias.

• Cola: es el flagelo.




En los humanos hay 9 fibras densas que se disponen entre los microtúbulos y las mitocondrias. Son unas fibras de carácter proteico.

Los espermatozoides se sintetizan en sitios particulares de los testículos que son los túbulos seminíferos y en la pared es donde se encuentran todas las células que darán los espermatozoides.




El proceso de la espermatogénesis dura alrededor de 64 días.

Al lado de esas células se encuentran otras células que son las células de Sertoli y tejido conjuntivo donde están las células de Leydig que secretan testosterona necesaria para la espermatogénesis.

OVOGÉNESIS

El óvulo a diferencia del espermatozoide es de mayor tamaño y tiene que tener su ADN y además tiene que tener las reservas necesarias para nutrir al embrión en las primeras fases del desarrollo embrionario y no tiene que ser móvil.

Incluye 3 fases: la proliferación, el crecimiento y la maduración.

En el ovario durante la etapa embrionaria están las células germinales primordiales que tienen capacidad de división y se transforman en ovogonias. Las ovogonias se dividen por mitosis durante el proceso de proliferación durante la etapa embrionaria.

Sólo se pueden dividir hasta el 7º mes de ciclo fetal.

Algunas de las ovogonias sufren un proceso de crecimiento que es la interfase previa a la meiosis.

Al final de la etapa de crecimiento se tienen los ovocitos primarios y este proceso tiene lugar también antes del nacimiento,.

Los ovocitos primarios sufren también el proceso de maduración, mediante la meiosis I se obtienen los ovocitos secundarios. Las 2 células resultantes de la primera división meiótica no son iguales, una de las células es más grande y la otra es muy pequeña, lo que tenemos es un ovocito secundario y una célula muy pequeña que es lo que se denomina el primer corpúsculo polar. Se produce la meiosis II y el ovocito secundario nos da un óvulo y un segundo corpúsculo polar.

El primer corpúsculo polar puede normalmente llevar a cabo la meiosis II pero normalmente degenera.

Por cada ovogonia se obtiene un óvulo y en la espermatogénesis se obtienen 4 espermatozoides. Además en la meiosis I los ovocitos quedan parados en diploteno antes del nacimiento.

Cuando llega la etapa fértil de la mujer en la fase de ovulación del ciclo menstrual algunos de ellos salen de esa parada en diploteno y continúa el proceso. Termina la meiosis I y entra en la meiosis II, llegan hasta la metafase II que es cuando son liberados del ovario.

Sólo 1 es liberado del ovario y se encuentra parado en metafase II. Si hay fecundación esa célula termina la meiosis II, sin la fecundación degenera antes de llegar a ser óvulo.




Tema 19. Defectos congénitos humanos.

En 1866 John Down descubrió un proceso en el cual los individuos tenían un aspecto característico con ojos rasgados.

Posteriormente en 1953 Lejeune sospechó que tenía que tener una base genética, pensó que serían fallos en el número de cromosomas. Observó en un cultivo celular células que procedían de un individuo con el síndrome de Down que tenían un cromosoma más de lo normal.

Las anomalías cromosómicas pueden deberse por un lado a la variación en el número de cromosomas y por otros lado debido a las variaciones en la estructura de los cromosomas.

Triploidias

Poliploidias

Tetraploidias

Número de cromosomas

Somáticas

Aneuploidias

Sexuales

Delecciones o supresiones

Duplicaciones

Estructura de los cromosomas

Inversiones

Translocaciones

NÚMERO DE CROMOSOMAS

POLIPLOIDIAS

Las poliploidias son variaciones en la serie haploide de los cromosomas en un número exacto de veces.

La situación normal en las células humanas es la diploidía (2n) y la haploidía (n) es la situación normal en los gametos.

Las triploidias es cuando el individuo es 3n y las tetraploidias es cuando el individuo es 4n.

Las posibles causas de las poliploidias son 3:

• Fallos en la formación de los gametos, alteraciones en la mitosis o en la meiosis.

• Polispermia: fecundación del óvulo por más de un espermatozoide.

• Alteraciones en las mitosis tempranas que sufre el cigoto.

Lo más frecuente es que las poliploidias surjan por fallos en la formación de los gametos.

Si se produce una triploidia el individuo tiene 69 cromosomas y los cromosomas sexuales pueden ser X X X, X X Y ó X Y Y.

El 75% de las triploidias son con dos cromosomas paternos (69, X Y Y) porque la mayor parte de las triploidias se producen por polispermia.

Cuando hay una triploidia se produce un aborto espontáneo normalmente.

El 1% de las fecundaciones son triploides. En algunos casos el individuo puede nacer pero muere antes de 1 mes.

En el caso de las tetraploidias el individuo tiene 92 cromosomas y los cromosomas sexuales serían X X X X. X X Y , que es incompatible con la vida y parece que el 5% de los abortos espontáneos que se producen son debido a tetraploidias.

ANEUPLOIDIAS

Las aneuploidias son alteraciones en el número de cromosomas pero no un número exacto de veces.

Lo más normal es que el individuo sea 2n - 1 ó 2n + 1 y produce efectos bien a los autosomas o bien a los cromosomas sexuales peor lo más normal es el aumento en 1 cromosoma o que falte un cromosoma.

Aproximadamente el 70% de las muertes de fetos se deben a aneuploidias y dentro de los nacimientos 1 de cada 1700 nacidos tiene una aneuploidia.

En el hombre es donde se produce el mayor porcentaje de aneuploidias en comparación con otros animales.

La causa de las aneuploidias puede ser que se produzcan fallos en la separación de un cromosoma en la formación de los gametos. En el hombre no es normal que se produzcan por fallos en la mitosis sino que normalmente se producen en la meiosis.

En el caso de las somáticas la ausencia de un cromosoma somático cualquiera que sea el afectado es mortal durante el desarrollo (monosomía somática) y en el caso de las trisomías somáticas se desarrollan tan mal como en las monosomías, no llegan a nacer prácticamente excepto en algunos casos como en el síndrome de Down.

Hay 3 trisomías que son las más conocidas:

• La trisomía en el par 13: (47, X X, +13 - 47, X Y, +13) éstos individuos sufren el síndrome de Patau que suele ser mortal en el primer mes de vida, como máximo los afectados viven hasta 6 meses. Se caracteriza por ciertas malformaciones como el labio leporino, la hexadactilia, la ausencia de bulbo olfatorio.

• La trisomía en el par 18: (47, X X, +18 - 47, X Y, +18) éstos individuos sufren el síndrome de Edwards que pueden vivir entre 2 y 4 meses y también se caracteriza por ciertas malformaciones entre las que destacan cardiacas (95%), orejas de aspecto funesco, prominencia occipital.

• La trisomía en el par 21: (47, X X, +21 - 47, X Y, +21) éstos individuos padecen el síndrome de Down que pueden vivir incluso hasta los 50 años aunque la incidencia es bastante alta, 1 de cada 900 nacimientos aproximadamente. Sufren hipotonía, cara redonda, oblicuidad en hendiduras palpebrales, lengua grande, malformaciones cardiacas (40%), retraso mental, etc.

Las aneuploidias sexuales son variaciones en el número de cromosomas sexuales y éstas son compatibles con la vida. Dentro se encuentran las monosomías sexuales:

• 45, Y: no se conocen casos con este tipo de monosomía sexual.

• 45, X: normalmente se representan también como 45, X O, lo padecen mujeres a las que les falta el cromosoma X y que sufren el síndrome de Turner, las mujeres que lo padecen son estériles y la estructura de su cuerpo es ligeramente anormal, hembra con caracteres secundarios infantiloides y retraso mental.

También existen trisomías y polisomías sexuales:

• 47, X X Y: los individuos padecen síndrome de Krinefelter teniendo los genitales poco desarrollados, en algunos casos cierto retraso mental y normalmente presentan algunas características físicas femeninas como normalmente las glándulas mamarias muy desarrolladas.

• 47, X X X: los individuos que presentan esta trisomías padecen el síndrome de “súper hembras” que suelen presentar un ligero retraso mental y normalmente presentan esterilidad.

• 47, X Y Y: “súper machos”, lo más característico es que los individuos presentan una conducta antisocial con agresividad.

En estos casos no se inactiva un cromosoma X sino que se inactivan los dos cromosomas X como en el caso de las “súper hembras”.

ESTRUCTURA DE LOS CROMOSOMAS

Afectan sobre todo en los procesos que se llevan a cabo en la reproducción. Las consecuencias van a depender de los genes que se vean afectados y también de la célula en la cual se produzca esa mutación. Si las alteraciones en la estructura de los cromosomas se producen en los gametos puede haber problemas en el proceso de formación de los gametos y además se transmitirá a la descendencia. La proporción de alteraciones viene influido por efectos externos: ciertos virus, los rayos X, sustancias químicas, etc; está condicionado en parte por el ambiente. Además algunos individuos tienen lo que se consideran sitios frágiles en los cromosomas.

INVERSIONES

En las inversiones un cromosoma se rompe por dos sitios y ese segmento situado entre los dos sitios de rotura se vuelve a unir al cromosoma pero en orden inverso. Normalmente si se produce una inversión en un cromosoma no se producen muchas consecuencias. Si ocurre una inversión en un cromosoma de los gametos allí sí que ocurre un problema ya que no se pueden aparear los cromosomas. Producen pocas patologías.




TRANSLOCACIONES

Las translocaciones ocurren cuando se rompe un trozo de un cromosoma y ese trozo se inserta en otro cromosoma distinto.

Hay un caso conocido, el cromosoma Philadelphia aparece en algunas células tumorales pero no se observa en las células normales de esos mismos individuos y este cromosoma es una versión del cromosoma 22, una parte del cromosoma 22 se transloca al cromosoma 9, está asociado con procesos tumorales o cancerígenos.

DELECCIONES

Una delección se produce cuando se pierde parte de un cromosoma. Normalmente tiene consecuencias graves aunque el par homólogo sea normal.

Un ejemplo es lo que sucede con el cromosoma 5, una pérdida de parte del cromosoma 5 da lugar al síndrome del maullido del gato, que produce malformaciones faciales y un desarrollo anormal de la laringe y también produce un retraso mental.

También un síndrome que se produce es el síndrome de Prader Willis que es una delección en el cromosoma 15 de origen paterno, esa porción del cromosoma 25 que se hereda de nuestra madre no es funcional, se da en 1 de cada 15000 nacimientos, las personas que lo padecen tienen un apetito insaciable y es una de las causas de la obesidad además tienen un desarrollo sexual incompleto, retraso mental y los pies y las manos pequeños.

Otra delección en el cromosoma 15 procedente de la madre produce otro síndrome el síndrome de Angelman y en algunos casos sólo afecta a un gen. Es el síndrome de las niñas o niños felices, se detecta entre los 6 y los 12 años, presentan hiperactividad, convulsiones, retraso mental severo e incluso dejan de hablar. Se da en 1 de cada 15000 nacimientos.

DUPLICACIONES

Las duplicaciones se producen cuando un cromosoma tiene una parte duplicada. Va a ser más largo de lo normal y va atener una parte duplicada.

Puede tener efectos nocivos muy graves, por ejemplo el síndrome de Pallister-Killian que es una duplicación en el cromosoma 12 que provoca retraso mental severo, las facciones de los individuos que lo padecen son muy toscas y suele ir acompañado de falta de tono muscular.

Tema 20. Envejecimiento y muerte celular.

! Causas del envejecimiento celular:

• Puede estar relacionado con alteraciones en la matriz extracelular, en la matriz que rodea a las células. En la matriz extracelular de individuos más mayores se alteran algunos de sus componentes (Ej. El colágeno) haciendo que se endurezca la matriz extracelular, es más difícil para las células tomar sustancias a través de la matriz extracelular.

• Aumento de las especies reactivas de oxígeno (H2O2, O2- anión superoxido y OH- radical hidroxilo). Esas sustancias reactivas de oxígeno se producen en la célula como consecuencia del metabolismo y la célula tiene sus propios mecanismos para eliminarlas y neutralizarlas mediante la acción de determinadas enzimas como la superoxido dismutasa y como la catalasa. En las células más jóvenes esas enzimas actúan a pleno rendimiento pero a medida que aumenta la edad de la célula puede haber problemas con esas enzimas habiendo sustancias reactivas de oxígeno que dañan la célula, que pueden producir alteraciones en las proteínas (Ej, en las proteínas que se encuentran en la membrana plasmática) o en el ADN dañando parte de sus proteínas.

• La existencia de unos genes de envejecimiento, de los gerontogenes y se ha comprobado haciendo trasplantes de núcleos en células. Hay una enfermedad, la progenia que es cuando los individuos jóvenes tienen un fenotipo de personas más mayores. Aunque los gerontogenes puede que nunca se expresen.

• Alteraciones en las telomerasas. En las células envejecidas las telomerasas están alteradas y no realizan correctamente la duplicación de los cromosomas. Y se ha comprobado que con el envejecimiento celular los telómeros de los cromosomas son más cortos.

• Alteraciones en las proteínas de estrés. Esas proteínas se sintetizan en respuesta a situaciones de estrés.

• También puede estar alterado el sistema de reparación del ADN. En las células envejecidas parece que están alterados los sistemas de reparación del ADN.

! Tipos de muerte celular:

• Muerte celular programada.

• Apoptosis.

• Necrosis.

• Anoikis.

! La muerte celular programada y la apoptosis se producen porque se dispara un programa genético, se dispara un gen que lleva a la muerte celular. Lo que pasa es que hay una diferencia, en la muerte celular programada ya está especificado en qué momento se va a producir la muerte celular mientras que en la apoptosis no está programado el momento específico.

! La necrosis es la muerte que se produce por un agente externo, hace que la célula sufra un daño y hace que la célula muera.

! El anoikis es realmente una apoptosis producida por la pérdida del contacto de la célula con la matriz extracelular.

APOPTOSIS

La apoptosis es un proceso de muerte celular que sucede para mejorar la función del organismo. La muerte celular programada se lleva a cabo principalmente durante el desarrollo embrionario aunque también ocurre en el individuo adulto.

Sucede según una serie de etapas:

• Condensación cromatina, desintegración nucleolo. Aglomeración de orgánulos, fragmentación del citoesqueleto, destrucción mecanismos de unión celular.

• Rotura de la envuelta nuclear. También hay cambios en la membrana plasmática que se vuelve irregular y se forman unas estructuras denominadas cuerpos apoptóticos.

• Degradación de los cuerpos apoptóticos por los macrófagos adyacentes a esa célula.

Cambios morfológicos

En cuanto a las alteraciones nucleares el principal cambio es la condensación de la cromatina formando un anillo periférico por dentro de la envuelta nuclear.

Dentro del núcleo también se producen alteraciones en la envuelta nuclear.

Cuando se condensa la cromatina en la primera fase también se producen alteraciones en el citoplasma. Los orgánulos se alteran.

La apoptosis tiene lugar con gasto de energía.

Se van formando acúmulos dentro del citoplasma.

Los componentes del citoesqueleto se fragmentan.

Se desintegran todos los componentes del citoesqueleto.

Se pierde la comunicación con las células vecinas o con la matriz extracelular.

En la segunda fase es cuando se rompe la envuelta nuclear. La membrana plasmática ya empieza a estructurarse de forma irregular.

Disminuye el volumen celular y van apareciendo en esta fase los cuerpos apoptóticos que son trozos de citoplasma con parte del núcleo.

Cambios a nivel molecular

El ADN se rompe en grandes fragmentos pero posteriormente se produce rotura del ADN y quedan los nucleosomas aislados y se rompe el ADN por el sitio de unión con la histona H1.

Se desorganiza la lámina nuclear por proteolisis, actúan unas enzimas que llevan a cabo el proceso de rotura de los filamentos de la lámina nuclear.

Hay una distribución de las proteínas que constituyen el complejo de poro.

Se ha comprobado que existen en la membrana una serie de receptores de muerte celular de tal manera que cuando ese receptor se pone en contacto con algunas sustancias es lo que desencadena el proceso de apoptosis.

El receptor de muerte celular cuando se activa desencadena una activación de determinadas rutas metabólicas, entre las que se encuentran la activación de las enzimas caspasas (que constituyen una familia de proteínas). Las caspasas posiblemente son las que activan las enzimas que se encargan de destruir el núcleo.

En algunos casos cuando hay un proceso de apoptosis se desencadena por una entrada excesiva de calcio en la célula que actúa sobre las mitocondrias.

Reguladores y controladores de la apoptosis

La apoptosis se puede regular por factores intracelulares o extracelulares (Ej. Hormonas y factores de crecimiento). Las hormonas y los factores de crecimiento puede ser que si hay una determinada concentración de factores de crecimiento la célula no entre en apoptosis y puede ser que un cambio en la concentración induzca a la célula a que entre en apoptosis.

Hay toda una serie de factores intracelulares. El principal control de la apoptosis intracelularmente es a nivel de las mitocondrias pero ya se conocen proteínas dentro de la célula que pueden controlar el proceso de apoptosis y entre esas proteínas se encuentra la proteína p53.

NECROSIS

La necrosis se produce en un momento determinado porque la célula sufre un daño externo (hipoxia, choque de calor, choque de frío, etc) y la célula muere.

En la necrosis lo primero que se altera es la membrana plasmática, se modifican las propiedades de la membrana y hace que el flujo de iones se altera, pasando agua a través de la membrana plasmática, aumentando el tamaño de la célula. Posteriormente se producen alteraciones en el citoplasma y en el núcleo.

No hace falta energía para lleva a cabo el proceso de muerte por necrosis.

Se alteran también los espacios extracelulares.

Muere un grupo de células adyacentes. En la región donde se produce la necrosis se produce una reacción inflamatoria.

Se rompe la membrana plasmática, se disgrega la cromatina.

	Necrosis	Apoptosis
Tipo de muerte	Catastrófica	Programada
Modo	Pasivo	Activo
Volumen celular	Aumenta	Disminuye
Lisis de la membrana	Al principio	Al final
Alteración del DNA	Al final	Al principio
Orgánulos	Lisados	Compactos
Respuesta inflamatoria	Sí	No