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Estructura de las Mitocondrias Las mitocondrias están rodeadas por dos membranas, una externa que es lisa y una interna que se pliega hacia adentro formando crestas. Dentro del espacio interno de la mitocondria en torno a las crestas, existe una solución densa (matriz o estroma) que contiene enzimas, coenzimas, agua, fosfatos y otras moléculas que intervienen en la respiración. La membrana externa es permeable para la mayoría de las moléculas pequeñas, pero la interna sólo permite el paso de ciertas moléculas como el ácido pirúvico y ATP y restringe el paso de otras. Esta permeabilidad selectiva de la membrana interna, tiene una importancia crítica porque capacita a las mitocondrias para destinar la energía de la respiración para la producción de ATP. La mayoría de las enzimas del ciclo de Krebs se encuentran en la matriz mitocondrial. Las enzimas que actúan en el transporte de electrones se encuentran en las membranas de las crestas. Las membranas internas de las crestas están formadas por un 80 % de proteínas y un 20 % de lípidos. En las mitocondrias, el ácido pirúvico proveniente de la glucólisis, se oxida a dióxido de carbono y agua, completándose así la degradación de la glucosa. El 95 % del ATP producido se genera, en la mitocondria. Las mitocondrias son consideradas organoides semiautónomos, porque presentan los dos ácidos nucleicos (del tipo procarionte) Cresta mitocondrial (detalle). (Son cilíndricas,miden 3um de largo,y 5 um de diámetro) En las células Suelen hallarse entre 1000 y 2000 mitocondrias Esquema de un corte al M.E.T. Importancia de la energía para la célula - Mantener la estructura organizada de la célula - Desplazarse - Ingerir, digerir y procesar el alimento - Adaptarse a los cambios ambientales - Crecer y reproducirse * O sea, la célula necesita energía para mantener su ciclo vital Unas funciones de la célula que requieren energía 1) Mitosis y Meiosis 2) Motilidad y Contracción 3) Biosíntesis de Materiales Celulares 4) Transporte Activo 5) Transmisión de Señales 6) Endocitosis y exocitosis MITOCONDRIAS MEMBRANA EXTERNA - Tiene mayor cantidad de lípidos que proteínas - Es permeable a todos los solutos existentes en el citosol, pero no a las macromoléculas. - Presenta diferente composición de colesterol, de fosfolípidos y proteínas relacionadas a la supervivencia celular - Presenta una proteína relacionada a la supervivencia celular ESPACIO INTERMEMBRANA - Elevada concentración de H+ MATRIZ MITOCONDRIAL - Es un gel denso que posee una enorme cantidad de proteínas solubles, ribosomas (similares a los ribosomas de las procariontes), ADN mitocondrial y proteínas del ciclo de krebs y de la beta oxidación de ácidos grasos. - Las enzimas involucradas en la descarboxilación del piruvato se localizan en matriz mitocondrial (ae) - 3 tipos de ARNm ,2 tipos de ARNr,20 tipos de ARNt La funcion principal es generar ATP MEMBRANA INTERNA - Presenta una serie de pliegues que forman las crestas - con las crestas la superficie de la membrana interna aumenta de manera significativa - Posee más cantidad de proteínas que de lípidos - Presenta las proteínas necesarias para realizar la respiración celular - Muy impermeable a diferente electrolitos, inclusos a protones - Impermeabilidad al agua y solutos pequeños - Presenta proteínas de la familia de los citocromos que son necesarias para realizar la respiración celular - La proteína de la membrana interna no hidroliza ATP, sino que lo sintetiza. En ella se localizan: 1) cadena transportadora de electrones - Conjuntos de macromoléculas compuestos por 4 complejos (entre los cuales se encuentran dos transportadores de electrones denominados ubiquinoma y citocromo c):- NADH deshidrogenasa (I) - Succinato deshidrogenasa (II) - es una de las enzimas del ciclo de Krebs - Citocromo b-c1 (III) - Citocromo oxidasa (IV) 2) ATP Sintasa - Complejo proteico - Cataliza la formación de ATP a partir de ADP y fosfato - Responsable de la "fosforilación oxidativa” 3) Un fosfolípido doble - difosfatidilglicerol o cardiolipina 4) Diversos canales iónicos y permeasas FUNCIONES DE LAS MITOCONDRIAS (LAS MÁS IMPORTANTES SON CICLO DE KREBS Y FOSFORILACIÓN): …………………………………………… GLUCOLISIS (SE LLEVA A CABO EN EL CITOPLASMA) RESPIRACION CELULAR CICLO DE KREBS (SE LLEVA A CABO EN LA MATRIZ MITOCONDRIAL) ……………………………………………. FOSFORILACION OXIDATIVA o transporte de electrones …………………………………………………….(SE LLEVA A CABO EN LAS CRESTAS )(MEMBRANA INTERNA) ) Es un proceso por la cual la célula obtiene energía a partir del ATP GLUCÓLISIS - Gluco = Glucosa | lisis = rompimiento. Es una vía metabólica en la que se produce la lisis o degradación de la glucosa. CICLO DE KREBS : Ocurre después de la Glucólisis CADENA RESPIRATORIA Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA :Electrones provenientes de la Glucólisis y/o Ciclo de Krebs APOPTOSIS (muerte celular programada) - Es un proceso que se dá, por ejemplo, para eliminar células que un tejido tiene de más, para eliminar células tumorales o células que están infectadas por algún virus. - para que se desencadene la apoptosis es necesaria la desactivación de la proteína BCL2 que está inserta en la membrana mitocondrial externa. REMOCION DE CALCIO CITOPLASMATICO Se lleva a cabo cuando los niveles de este caution aumentan y alcanzan los niveles que son tóxicos para la célula SINTESIS DE AMINOACIDOS Y ESTEROIDES - Son organelas citoplasmáticas que pertenecen a la família de los plástidos - juntos con las mitocondrias constituyen las maquinarias bioquímicas que se encargan de producir las transformaciones energéticas necesarias para mantener las funciones de las células. - poseen pigmentos (clorofilas, carotenoides) que en ellos tiene lugar la fotosíntesis - poseen pigmentos fotosintéticos, como la clorofila. - sólo se encuentran en las células vegetales (hoja, tallos jóvenes y algunas algas y bacterias) - las células de los vegetales superiores tienen entre 20 y 40 cloroplastos - algunas levaduras tienen solamente 1 cloroplasto - suele tener forma ovoide, esférica o discoidal. - son más grandes de lo que las mitocondrias, alcanzando un promedio de 6 micrones Los cloroplastos son organoides en los que se lleva a cabo la fotosíntesis en las células vegetales eucariontes. En los procariontes fotosintetizadores no existen tales organoides. Los pigmentos captadores de energía, se hallan asociados a las laminillas derivadas de la membrana plasmática. Generalmente poseen forma discoide, su tamaño es variable (término medio: 4 a 6 nm de longitud). El cloroplasto está limitado por una doble membrana que no posee clorofila ni citocromos, que envuelve a la matriz o estroma. Esta posee el 50% de las proteínas, que en su mayoría son solubles; también contiene ribosomas y ADN de características procarionte. Estas dos últimas características explican que el cloroplasto sea un organoide semiautónomo. Dentro del estroma se hallan los tilacoides, que son vesículas aplanadas dispuestas como un retículo membranoso. Su superficie externa está en contacto con el estroma, la interna limita el espacio intratilacoide. Los tilacoides se disponen como pilas de monedas para formar las granas, entre las cuales se extienden laminillas intergrana formando un retículo membranoso. LOS CLOROPLASTOS POSEEN: UNA MEMBRANA EXTERNA - no presenta plegamientos - mucho más permeable a los iones, algunos solutos pequeños y el agua - la composición de la membrana externa difiere de la interna y de la tilacoidal. (autoevaluación) UNA MEMBRANA INTERNA - no presenta plegamientos - es lisa - más impermeable y posee los transportadores para facilitar el traspaso de sustancias UN ESPACIO INTERMEMBRANA muy delgado CLOROPLASTOS ESTROMA - en el estroma se encuentran proteínas solubles, el ADN y los Ribosomas (similares a los ribosomas de las procariontes) - Los protones son bombeados desde el estroma hacia el espacio del tilacoide por el complejo de citocromos (ae) - presenta algunas proteínas necesarias para realizar la respiración celular. UNA MEMBRANA TILACOIDAL - se encuentra en el interior del cloroplasto (el interior del cloroplasto es llamado estroma) - se repliegan entre sí forman los tilacoides - presenta plegamientos que forman unas estructuras llamadas tilacoides (auto evaluación) - son impermeables a los iones (esto es muy importante para la fotosíntesis) - es impermeable a los protones (autoevaluación) - se encuentra la clorofila y también están otras proteínas encargadas de la fotosíntesis, como la ATP sintasa, el sistema de los citocromos y la plastoquinona - presenta algunas proteínas necesarias para realizar la respiración celular. La membrana tilacoidal responde al modelo del mosaico lipoproteico. Se encuentra en ella el 50% de los lípidos del cloroplasto y entremezclados moléculas de clorofila, carotenoides, plastoquinonas que intervienen en la fotosíntesis. TILACOIDES - constituyen sacos aplanados agrupados como pilas de monedas. Cada pila de tilacoides recibe el nombre de granum (plural, GRANA), MEMBRANA TILACOIDAL ADN esquema de la ultraestructura al M.E.T grana de un cloroplasto * OTROS MIEMBROS DE LA FAMILIA DE LOS PLÁSTIDOS SON LOS LEUCOPLASTOS, QUE SON INCOLOROS Y DENTRO DE ELLOS SE ENCUENTRANLOS AMILOPLASTOS QUE SON LAS CÉLULAS ENCARGADAS DE PRODUCIR Y ALMACENAR ALMIDÓN. LA FUNCIÓN PRINCIPAL DE LOS CLOROPLASTOS ES LA FOTOSÍNTESIS Se llevan a cabo las funciones : -Ciclo de Calvin -------- -Fosforilación oxidativa -síntesis de hidratos de carbono FOTOSÍNTESIS - Es la síntesis de compuestos orgánicos complejos a partir de compuestos inorgánicos utilizando la energía proveniente de la luz - Por medio de la clorofila contenida en los cloroplastos, los vegetales verdes son capaces de absorber la energía que la luz solar emite como ….fotones y transformarla en energía química. - Consiste en la combinación de CO2 y H2O para formar hidratos de carbono con liberación de O2 - Los hidratos de carbono formados por la fotosíntesis son sacáridos solubles - Es el proceso inverso a la glucólisis y al ciclo de krebs - El rendimiento de la fotosíntesis depende de diversos factores, como la intensidad de la luz (así como su color y el tiempo de iluminación), la disponibilidad de agua en el suelo, la concentración de dióxido de carbono (CO2) en el aire y la temperatura ambiental. HAY DOS ETAPAS: 1) reacciones fotoquímicas (o lumínicas) - depende de la luz - ocurre en las granas - se obtiene ATP, NADPH y como subproducto el oxígeno - insertos en la membrana tilacoidal están los componentes moleculares para realizar la fotosíntesis. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Estos componentes se dividen en: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… a) fotosistema I - está en la membrana más externa de las granas - P680 es el primer nivel de energía del fotosistema 1 b) fotosistema II - se encuentra en la membrana más interna de las granas - P700 es el fotosistema 2 que es un nivel medio de energía - dentro de cada fotosistema se puede distinguir dos zonas: complejo (centro) antena y centro de reacción. - El recorrido de los electrones durante la etapa fotoquímica de la fotosíntesis es: H2O ---> fotosistema II --->fotosistema I --->NADPH) - Los electrones que circulan a través de los dos fotosistemas tiene su menor energía potencial a nivel del: NADPH * LOS FOTOSISTEMAS POSEEN LAS PROTEÍNAS NECESARIAS PARA GENERAR NADPH Y ATP; CLOROFILAS QUE ABSORBEN LA LUZ DE LONGITUDES DE ONDA DE 700 Y 680 NM RESPECTIVAMENTE; Y UN CENTRO ANTENA Y UN CENTRO DE REACCIÓN. 2) reacciones bioquímicas (o en la oscuridad) - independiente de la luz (puede ocurrir en la oscuridad) - ocurre en la estroma - utiliza ATP y NADPH para, a través de la reducción del dióxido de carbono, formar hidratos de carbono - a través de un ciclo de reacciones enzimáticas, conocido como ciclo de calvin, se parte de dióxido de carbono y se obtiene los intermediarios necesarios para la síntesis de glucosa o otros hidratos de carbono, como, así también, de ácidos grasos. - son necesarias 6 vueltas del ciclo de calvin para que se formen 12 moléculas de gliceraldehido 3-fosfato, los cuales pueden originar recién una molécula de glucosa. - la primera fase del ciclo de calvin se llama carboxilación, la segunda reducción y la tercera regeneración. - Son sustratos del ciclo de Calvin CO2 + ATP + NADPH (ae) FOTORRESPIRACIÓN - es el mecanismo por el cual en presencia de luz y baja concentración de dióxido la enzima rubisco incorpora oxígeno en lugar de fijar los átomos de carbono provenientes del dióxido. Por lo que todo mecanismo termina consumiendo oxígeno y generando dióxido de carbono - En este proceso participan el cloroplasto, la mitocondria y el peroxisoma PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS- absorben la energía luminosa y se excitan (pasan a un estado de mayor energía) - cuando se excitan liberan la energía a través de: emisión de calor emisión de fluorescencia transmisión de energía a otra molécula transformación en energía química Similitudes entre Mitocondrias y Cloroplastos - ambas son responsables de los procesos metabólicos para la obtención de energía - se encuentran en el citoplasma de la célula - son visibles al microscopio óptico - están recubiertos por una doble membrana - entre ambas membranas se genera el espacio intermembrana, que adquiere relevancia en los procesos metabólicos - en su interior poseen ADN circular, ribosomas y proteínas solubles - ambas se originaron a partir de células procariontes (teoría endosimbiótica) - poseen cierta autonomía, ya que pueden sintetizar sus próprias proteínas y reproducirse y dividirse por fisión binaria al igual lo hacen las bacterias Diferencias entre mitocondrias y cloroplastos - generalmente los cloroplastos poseen un tamaño mayor al de las mitocondrias - las mitocondrias se encuentran en células animales y vegetales. Los cloroplastos sólo en vegetales. - las mitocondrias poseen dos membranas. Los cloroplastos tres. - las mitocondrias obtienen energía a partir del proceso de respiración celular (degradación de los hidratos de carbono con la siguiente producción de dióxido de carbono y agua). Los cloroplastos a través de fotosíntesis. - en las mitocondrias, el transporte de electrones se produce en la membrana interna. En los cloroplastos, en la membrana tilacoidal. - Los cloroplastos poseen pigmentos fotosintéticos, como la clorofila. Las mitocondrias carecen de los mismos. METABOLISMO -El metabolismo (del griego “metabole”, cambio) es la totalidad de los procesos químicos de un organismo. -El metabolismo es “el mapa de rutas” de miles de reacciones químicas que ocurren en la célula. -Las enzimas dirigen dichas rutas metabólicas, acelerando diferencialmente reacciones determinadas. - Es un conjunto de reacciones bioquímicas que involucran la SÍNTESIS (anabolismo) o la DEGRADACIÓN (catabolismo) de moléculas en donde interviene la utilización y/o transformación de energía (energía es lo necesario para producir un efecto). Como un todo, el metabolismo maneja las fuentes de materia y energía de la célula. Algunas rutas metabólicas liberan energía por ruptura de los enlaces químicas de moléculas complejas a compuestos más simple. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… -CATABOLISMO CELULAR o VÍAS CATABÓLICAS: Son procesos de degradación, Su función es reducir, es decir de una sustancia o molécula compleja hacer una más simple. Son reacciones exergónicas en las que se “libera energía al medio” que se almacena en forma de ATP. SON ESPONTANEAS…… ………………………………. -VÍAS ANABÓLICAS o ANABOLISMO CELULAR: Sintetiza ATP .Son las que consumen energía para construir moléculas de mayor tamaño a partir de moléculas más simples. Son reacciones endergónicas que “requieren un aporte de energía” que procede de la hidrólisis del ATP. NO SON ESPONTANEAS Así, la transferencia de energía del catabolismo al anabolismo se denomina acoplamiento energético. - Procesos metabólicos son procesos por lo cual la célula obtiene, transforma y utiliza la energía necesaria para mantenerla viva. - Apenas los alimentos son ingeridos, los polisacaridos, lipidos y proteínas son escindidos, por acción de enzimas, en moléculas cada vez más pequenãs, estableciendo verdaderas cadenas metabólicas. - La escisión enzimática de los alimentos tiene lugar en tres escenarios orgánicos: el TUBO DIGESTIVO, el CITOSOL y la MITOCONDRIA. Leyes de la termodinámica - El universo de estudio está formado por sistema y entorno. EL SISTEMA PUEDE SER: ABIERTO (INTERCAMBIA ENERGÍA Y MATERIA CON EL ENTORNO), CERRADO (SÓLO INTERCAMBIA ENERGÍA CON EL ENTORNO) y AISLADO (NO HAY INTERCAMBIO CON EL ENTORNO) 1ª LEY DE LA TERMODINAMICA 1) La energía total (H) del universo es constante. 2) La energía no puede sercreada ni destruida, sólo transformada 3) Si el sistema absorbe energía, la devuelve al entorno. Es decir, la cantidad total permanece constante. 2ª LEY DE LA TERMODINAMICA - La entropía del universo tiende al máximo Energía - es única, pero se presenta de diferente formas, como cinética, térmica, etc. - si una degradación ocurre en un paso o muchos pasos, la cantidad de energía liberada por molécula es la misma - independientemente de la forma como la célula obtiene energía, ella la transforma en energía química, es decir, aquella que está contenida en los enlaces o uniones entre los átomos que forman una molécula. - La mayor parte de la energía contenida en las moléculas de los alimentos es extraída mediante una sucesión de oxidaciones, al cabo de las cuales el oxígeno atmosférico se une al hidrógeno y al carbono liberados por esas moléculas y se forma H2O y CO2, respectivamente. La energía química que los organismos utilizan en las reacciones metabólicas, proviene de los enlaces químicos de los glúcidos, lípidos y proteínas. Esta energía potencial que guardan los enlaces químicos, puede ser aprovechada parcialmente por el organismo cuando se rompen esos enlaces químicos. La energía que no puede ser atrapada por el organismo, se disipa como calor. En condiciones experimentales controladas, puede medirse y compararse la cantidad de energía que entra y sale de un sistema determinado. - No toda la energía es utilizada en un trabajo. La energía no utilizada se pierde en forma de calor Energía Total = Energía Útil + Energía Disipada. 1) la energía total se conoce como H (entalpía) 2) la energía útil se conoce como G .3) la energía disipada se conoce como T (temperatura) x S (entropía) Reacciones - Si la reacción que ocurre espontáneamente libera energía es Exergónica, pues la variación de G (energía útil) es negativa - las reacciones que se necesita energía se llaman Endergónica y la variación de G es positiva - cuando una reacción libera calor se llama Exotérmica y la variación de H es negativa - cuando absorbe calor se llama Endotérmica y la variación de H es positiva. - para realizar sus funciones la célula necesita energía. Para mantener la energía total constante, la célula necesita devolver al entorno una cantidad de energía igual. - Los procesos anabólicos son endergónicos y su delta G positivo (ae) Estado Estacionario - Es cuando la velocidad de intercambio es igual (pero distinta de cero) en ambos sentidos. Por lo tanto las partículas siguen se moviendo y la cantidad de moléculas es la misma. - la energía que absorben y la energía que devuelven es igual en ambos los sentidos y además distinta de cero. EXOTERMICA: ES CUANDO UNA REACCION LIBERA CALOR . para tener (ENTALPIA)- H ENDOTERMICA: ES CUANDO UNA REACCIÓN ABSORBE CALOR . (ENTALPIA) + H ENERGIA LIBRE : G ENZIMAS (ENERGIA LIBRE CONSTANTE) Todas las reacciones que se efectúan en los seres vivos son catalizadas por enzimas. Estas hacen posible que las reacciones metabólicas se desarrollen a un ritmo razonable, compatible con la vida. - SON CATALIZADORES BIOLÓGICOS, - Los catalizadores biológicos disminuyen la energía de activación acelerando la velocidad de la reacción - son moléculas que aumentan la velocidad de una reacción química, participando de la misma, pero sin sufrir modificaciones permanentes. - las enzimas disminuyen la energía de activación (que es la mínima cantidad de energía que se necesita para que ocurra una reacción química) a través de la generación de complejos moleculares entre la enzima y el sustrato que poseen una energía de activación menor que el sustrato sólo. - la molécula sobre la que actúa la enzima recibe el nombre de Sustrato y las que se forman se llaman Productos - La mayoría de las enzimas son proteínas. Pero hay las ribozimas que son moléculas de ARN con actividad enzimáticas. - Inhibidor competitivo es una sustancia que compite con el sustrato por el sitio activo de la enzima - Inhibidor no competitivo es una sustancia que influye en la afinidad de la enzima por el sustrato sin acoplarse en el sitio activo Una enzima puede estar formada por una sola cadena de polipéptido, consistir en subunidades múltiples o requerir de componentes no proteicos. En general las reacciones catalizadas por enzimas se llevan a cabo a presión, temperatura y pH moderado Enzimas simples: son aquellas que constan solo de una estructura proteica. Pueden estar formadas por una o varias cadenas polipeptídicas, cuando el sitio activo de la enzima (el sitio que reconoce el sustrato) está en la própia proteína Enzimas conjugadas: también llamadas holoenzimas (corresponden a la forma activa) poseen en su estructura una parte no proteica denominada cofactor (corresponde a iones inorgánico como Mg, Mn, Zn o Fe) y una parte proteica que se denomina apoenzima. Para que estas enzimas actúen como catalizadores es necesario que la apoenzima se una al cofactor. El término cofactor puede aplicarse tanto a un Ión como a una molécula orgánica de naturaleza variable (grupo prostético y coenzimas). Las coenzimas funcionan como portadores de grupos químicos pequeños como ser acetilo, metilo o bien protones y electrones. Las coenzimas se unen no covalentemente a la apoenzima permitiendo que la holoenzima así formada lleve a cabo reacciones que la apoenzima sola no puede efectuar. Por ejemplo, ninguna de las cadenas laterales de los aminoácidos es capaz de transportar electrones pero cuando se agrega por ejemplo la coenzima FAD+, la proteína adquiere esta función. - si la parte no proteica corresponde a macromoléculas (como FAD o NAD) se llama coenzima Características de las enzimas 1) Son muy específicas 2) Son altamente eficientes - se requiere baja concentración para que puedan cumplir su función3) Son reutilizables 4) Mantienen la variación de G - al disminuir solamente la energía de activación no modifican la variación de energía libre de la reacción 5) son susceptibles de seren moduladas o reguladas por diferentes factores, como la temperatura, el pH, la concentración de Sustrato y de la propia Enzima, y también por la presencia de inhibidores - mecanismo de regulación de la actividad enzimática: a) Regulan la síntesis - se encuentran las moléculas que actúan en el sitio de regulación del gen específico localizado en el ADN b) Regulan la degradación - lo hacen a través de la marcación de la enzima con ubiquitina para su posterior destrucción por los proteosomas c) regulan la actividad catalítica - puede aumentarse o disminuirse, pero sin modificar la cantidad de enzima sintetizada - La enzima reconoce el sustrato y interactúa con él. - Tipo de interacción: a) Llave y la cerradura - sitio activo y sustrato son perfectamente complementarios b) Ajuste inducido - la unión de la enzima y el sustrato induce un cambio en el sitio activo que permite la complementariedad total entre ellos. Inhibidores irreversibles: estos inhibidores se enlazan con fuerza a la enzima, generalmente se unen covalentemente a algún aminoácido del sitio activo. Existen algunos inhibidores que se conocen como sustrato suicida, que se enlazan al centro activo y químicamente se transforma en una especie reactiva que modifica en forma irreversible al aminoácido del sitio activo. Inhibidores reversibles: este tipo de inhibidores se disocian fácilmente de las enzimas, dentro de este grupo encontramos los inhibidores competitivos y los no competitivos. Los inhibidores competitivos: compiten con el sustrato por el sitio activo de la enzima, y si aumentamos la cantidad de sustrato, el efecto inhibidor se revierte alcanzándose la velocidad máxima. Los inhibidores no competitivos: se enlazan a un sitio distinto del sitio activo, de manera que el inhibidor se puede unir a la enzima libre o bien al complejo enzima sustrato, pero en ninguno de los casos obtendremos productos. El efecto de estos inhibidores no se revierte por el agregado de mayor cantidad de sustrato, de manera que se llega a una velocidad máxima menor que si no tuviera el inhibidor. NO AUMENTA LA ACTIVIDAD CATALITICA DE LA ENZIMA Existen distinto tipos de mecanismos regulatorios de la actividad enzimática: 1. Inhibición por producto final: Con frecuencia las enzimas son inhibidas en forma competitiva por los productos de las reacciones que catalizan. Esto es predecible, ya que la estructura del producto es muy similar a la del sustrato. Esta inhibición ocurre en las últimas etapas de la reacción cuando hay una gran cantidad de producto y baja concentración de reactivo o sustrato. En la mayoría de los casos, las reacciones metabólicas no ocurren en un solo paso, sino que son varias y encadenadas formando parte de una ruta metabólica, en donde el producto de una reacción es el sustrato de la siguiente. Generalmente en estos casos el producto final, es decir el producto de la última reacción de esa vía, actúa inhibiendo a las enzimas que intervienen en los primeros pasos. 2. Regulación alostérica: Este tipo de regulación ocurre solo en las enzimas alostéricas, que son enzimas que por lo general tienen estructura cuaternaria y además del sitio activo poseen otro capaz de reconocer efectores, que se denomina sitio alostérico. Los efectores son sustancias que pueden modular la actividad de las enzimas, algunos efectores aumentan la actividad enzimática, de modo que se conocen como efectores positivos y otros tienen efecto inhibitorio que se denominan efectores negativos. 3. Regulación por modificación covalente: en este mecanismo algún aminoácido de la enzima se une covalentemente a algún grupo químico y de esta forma se activa o se inactiva la enzima. El grupo que más frecuentemente interviene en este tipo de regulación es el grupo fosfato (P) y los aminoácidos que normalmente intervienen son la serina y la treonina. 4. Regulación genética: Involucra el control a nivel del ADN. El ADN es la molécula que almacena la información para la síntesis de proteínas de acuerdo al siguiente flujo de información. ATP - la molécula energética por excelencia es el ATP (adenosín trifosfato) - está formado por una adenina (base nitrogenada), una ribosa (hidrato de carbono) y un grupo fosfato - la energía es liberada cuando los enlaces de alta energía del ATP se rompen - Las ATPasas (SE DEGRADA Y SE SINTETIZA PERMAMENTEMENTE) son una clase de enzimas que catalizan la descomposición de ATP en ADP (adenosín difosfato). Es decir, el ATP pierde un fosfato. Este proceso libera energía. - Las ATP sintasas son enzimas que catalizan la síntesis de ATP (adenosín trifosfato), a partir de ADP (adenosín difosfato) y Pi (fosfato inorgánico). Este proceso necesita energía. La energía es obtenida desde las células de su entorno. VRF - En un proceso anabólico se Sintetiza ATP - En un proceso anabólico se utiliza ATP ATP y ADP - El ADP se comporta como una pequeña “batería descargada”, que al cargarse por la unión de un fosfato se convierte en ATP, la “batería cargada” - Una vez formado, el ATP sale da la mitocondria y se difunde por la célula, de modo que su energía puede ser usada para las distintas actividades celulares. Al removerse la energía del ATP, se reconstituye el ADP, que reingresa en las mitocondrias para recibir una nueva “carga” de energía. NAD+ y NADP+: (nicotinamida adenina dinucleótido y nicotinamida adenina dinucleótido fosfato). Son coenzimas que intervienen en las reacciones de oxido-reducción, son moléculas que transportan electrones y protones. Intervienen en procesos como la respiración y la fotosíntesis. FAD+: También es un transportador de electrones y protones. Interviene en la respiración celular. Coenzima A: Es una molécula que transporta grupos acetilos, interviene en la respiración celular, en la síntesis de ácidos grasos y otros procesos metabólicos. SO N R EV ER SI B LE S RESPIRACION CELULAR La célula viva se asemejaa una industria química donde miles de reacciones ocurren dentro de un espacio, en este caso, un espacio microscópico. Por ejemplo, los azúcares son convertidos en aminoácidos y viceversa. El glucógeno es ensamblado a partir de miles de moléculas de glucosas; las proteínas a partir de aminoácidos. Por otro lado, estos polímeros serán hidrolizados cuando las necesidades de la células así lo requieran. - la degradación de los alimentos empieza en el tubo digestivo. Allí, los hidratos de carbono se degradan a monosacáridos (glucosa), los lípidos se convierten en ácidos grasos y glicerol, y las proteínas en aminoácidos. – La glucólisis es la segunda etapa de la degradación de los glúcidos (la primera empieza en el tubo digestivo). La descarboxilación oxidativa es la tercera, el ciclo de krebs es la cuarta y la fosforilación oxidativa es la quinta. - La degradación de ácidos grasos se llama Beta-oxidación y se lleva a cabo en las mitocondrias - En el ciclo de krebs cada acetil CoA genera un ATP, tres NADH y FADH2, y la energía contenida en los NADH y FADH2 es transferida al ATP al cabo de la fosforilación oxidativa. 1) GLÚCIDOS - LOS GLÚCIDOS SON DEGRADADOS EN LAS SEGUINTES ETAPAS Glucólisis - Gluco = Glucosa | lisis = rompimiento - se lleva a cabo en el citoplasma y no requiere oxígeno, es decir se degrada en condiciones anaeróbicas - es una vía metabólica en la que se produce la lisis o degradación de la glucosa a través de numerosas reacciones enzimáticas. - a partir de la glucosa (que está formada por 6 átomos de carbono) se obtienen 2 moléculas de 3 átomos de carbono cuyo producto final se llama Piruvato o ácido pirúvico. - como resultado final de la glucólisis se obtiene: 2 PIRUVATOS + 2 [NADH + H+] + 2 ATP - las enzimas que presentan una regulación importante en la vía glucolítica son: HEXOQUINASA, FOSFOFRUCTOQUINASA Y LA PIRUVATO QUINASA. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… - En la presencia de O2 el Piruvato puede entrar en el Ciclo de Krebs (vía aeróbica) - Ya en la ausencia de O2, el Piruvato puede realizar la fermentación la cual, dependiendo del tipo de célula involucrada, dará como producto final Etanol o Ácido Láctico, en lo que se conoce como vía anaeróbica. - como los glóbulos rojos no tienen mitocondrias, obtienen energía debido a glucólisis - el rendimiento global máximo de ATP que se puede obtener a partir de una molécula de glucosa es de 38 ATP. - Durante la glucólisis, los átomos de carbono de la glucosa se oxidan al cederle electrones y protones al NAD+. * en la Glucólisis se obtiene 4 ATP, pero el proceso consume 2 ATP. Entonces, el producto final son 2 ATP. 2) DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA - Se lleva a cabo en las mitocondrias - Cada Piruvato (3 carbonos) se convierte en un Acetilo (2 carbonos). - El Acetilo se liga a una coenzima y se convierte en Acetil CoA. - El carbono del piruvato es removido junto con dos oxígenos, lo que produce CO2. En conjunto estas reacciones reciben el nombre de descarboxilación oxidativa. - La reducción del piruvato se lleva a cabo en anaerobiosis (ae) - Durante la descarboxilación oxidativa se forma 1 NADH por cada Acetilo. - a continuación, los átomos de carbono e hidrógeno del acetilo son oxidados y generan CO2 y H2O. Las oxidaciones liberan energía que pasa al ATP. Las oxidaciones y formación de ATP ocurren en dos tiempos: el primero (ciclo de krebs) genera CO2 y el segundo (cadena respiratoria) genera H2O 1. Por acción de la piruvato deshidrogenasa, cada piruvato (3C) se convierte en un acetilo(2C) 2. El acetilo se liga a la Coenzima A (CoA) con la que compone la acetil CoA. 3. El carbono del piruvato es removido junto a 2 oxigenos, lo que produce CO2 4. El piruvato cede también un hidruro (H-) 5. Se genera energía suficiente para producir un NAD+, este recibe el H- y se transforma en NADH por cada acetilo producido. La energía almacenada en ese NADH es transferida al ATP. Los atomos de C y H del acetilo son oxidados y se produce H2O Y CO2. Esto ocurre en dos tiempos, en el primero se genera CO2, en el segundo H2O 3) CICLO DE KREBS - Ocurre después de la Glucólisis - se lleva a cabo en la matriz mitocondrial y en condiciones aeróbicas - Proveniente del citosol, el piruvato ingresa en la matriz mitocondrial, donde por acción de la Piruvato deshidrogenasa pierde un carbono y se convierte en el grupo acetilo de la Acetil CoA. Así, el Ciclo de Krebs comienza con la unión del Acetil CoA con el Ácido Oxalacético para generar una molécula de Ácido Cítrico. - por cada glucosa se forman 2 Piruvatos y, por lo tanto, 2 Acetil CoA. Cada acetil genera 1 ATP, 3 NADH y 1 FADH2, por lo que al cabo de las dos vueltas que se necesitan para metabolizar a los dos acetilos surgen 2 ATP + 6 [NADH + H+] + 2 [FADH2] - recibe el nombre de ciclo porque comienza con la unión del Acetil CoA a una molécula de Oxaloacetato y termina con la Oxaloacetato que puede unirse nuevamente a la Acetil CoA y continuar con el ciclo - cada vuelta completa consta de 7 reacciones enzimáticas - Las enzimas del complejo piruvato deshidrogenasa son las enzimas responsables del ciclo de krebs y de la beta-oxidación. - El ciclo de Krebs depende del oxígeno debido a los metabolitos que allí se requieren, aunque el oxígeno no participe directamente en el ciclo. Es el primer tiempo, de la energía liberada una pequeña fracción se utiliza para generar ATP de forma directa, pero la mayor parte es utilizada para reducir tres NAD+ que se convierten en NADH y un FAD, que pasa a su estado reducido o FADH2 4)CADENA RESPIRATORIA Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA - se lleva a cabo en las crestas (membrana interna) - depende de oxigeno - Los NADH y los FADH2 son oxidados, de modo que vuelvena convertirse en NAD+ y FAD. - Los electrones provenientes de la Glucólisis y/o Ciclo de Krebs van a circular por una serie de proteínas de la llamada Cadena Respiratoria (o cadena transportadora de electrones). Durante el pasaje de estos electrones se van produciendo un bombeo de moléculas de hidrógeno desde la matriz mitocondrial hasta el espacio intermembranoso, de forma que se produce un gradiente electroquímico entre estos dos espacios. Después, estos protones vuelven a la matriz por intermedio de la ATP Sintasa, y así se genera ATP, en un proceso llamado Fosforilación Oxidativa. - los componentes de la cadena respiratoria se encuentran anclados y distribuidos en la membrana mitocondrial interna. En conjunto forman un complejo multi enzimático representado pelas enzimas NADH-Q reductasa, (Q)-ubiquinona, citocromo reductasa, citocromo c, y citocromo oxidasa. - como producto final del traspaso de electrones de un complejo a otro, así como de la generación de protones y de la oxidación de oxígeno, se obtiene H2O. - - cuando ambos nucleótidos son oxidados, la energía depositada en sua moléculas se libera y es transferida al ADP, el cual, dado que se fosforila, se convierte en ATP. - La fosforilación oxidativa consiste en la síntesis de ATP, utilizando la energía liberada del transporte de electrones de la cadena respiratoria La fosforilación es la adición de un grupo fosfato a cualquier otra molécula. La fosforilación más importante para el metabolismo es la fosforilación del ADP, es decir, la adición de un grupo fosfato al ADP para formar ATP RESUMEN DE LAS ECUACIONES DE LA FOTOSÍNTESIS Ecuación general de las reacciones dependientes de la luz: 12 H2O + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 Pi 6 O2 + 12 NADPH + 12 H+ + 18 ATP Ecuación general de las reacciones independientes de la luz: 12 NADPH + 12 H+ + 18 ATP + 6 CO2 C6H12O6 + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 Pi + 6 H2O Procediendo a la simplificación de los elementos comunes en ambos lados de las ecuaciones acopladas, se obtiene la ecuación global simplificada de la fotosíntesis: 6 CO2 + 12 H2O C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O RESUMEN DE LAS PRINCIPALES REACCIONES DE LA FOTOSÍNTESIS Serie de reacciones Resumen del proceso Materiales necesarios Productos finales Reacciones dependientes de la luz (en la membrana tilacoidal) Se utiliza la energía de la luz solar para dividir el agua, sintetizar ATP y reducir el NADP Reacciones fotoquímicas Se energiza la clorofila, el centro de reacción envía un electrón energizado hacia un aceptor de electrones Energía lumínica, pigmentos como la clorofila Transporte de electrones Los electrones son transportados a lo largo de una cadena de aceptores de electrones en las membranas tilacoidales; los electrones , reducen el NADP+, la división del agua genera H+, que se acumulan dentro de los tilacoides. Electrones, NADP+, H2. NADPH + H + + O2; H + Quimiósmosis Se bombea H+ a través de la membrana tilacoidad, formando un gradiente de protones; esos protones regresan a través de los conductos especiales de la membrana formados por el complejo proteínico CF0 - CF1; se produce ATP. Un gradiente protónico y un potencial de membrana; ADP + Pi (fosfato inorgánico) ATP Reacciones independientes de la luz (en el estroma) Fijación de CO2. El CO2 se combina con un compuesto orgánico Ribulosa bifosfato, CO2, ATP, NADPH + H+ La teoría quimiosmótica explica: 1)La relación existente entre el gradiente de protones y la síntesis de ATP. 2). La síntesis de ATP en mitocondrias y cloroplastos. 3). La relación existente entre el transporte de electrones y el bombeo de protones. La comunicación intercelular y la transmisión intracelular de señales - la Comunicación Celular es la capacidad de las células de intercambiar información fisicoquímica con el medio ambiente y con otras células - la comunicación celular es un mecanismo homeostático porque tiene como objetivo mantener las condiciones fisicoquímicas internas adecuadas para la vida de la célula frente a los cambios externos. - Los organismos unicelulares reciben sinal del medio, por ejemplo de otras células para la reproducción. - los pluricelulares se comunican para coordinar el trabajo en conjunto. - En los organismos multicelulares complejos tanto la supervivencia de las células como las actividades que éstas realizan dependen de estímulos externos provenientes de otras células. La comunicación celular permite a la célula realizar tareas de: 1) Supervivencia o Muerte Celular 2) Diferenciación 3) Multiplicación (proliferación) 4) Degradación o síntesis de sustancias 5) secreción 6) incorporación de solutos o macromoléculas 7) contracción 8) movimiento (movilización) 9) conducción de estímulos eléctricos Etapas en el proceso de comunicación celular 1) síntesis de la señal por la célula emisora 2) secreción de la señal por la célula emisora 3) transporte de la señal a la célula diana 4) reconocimiento de la señal por el receptor de la célula diana 5) transmisión intracelular de la señal (transducción de señal) 6) respuesta (cambios en el status celular) 7) terminación de la respuesta (degradación de la señal) Inducción En la mayoría de los organismos superiores existen dos métodos fundamentales de comunicación intercelular: un sistema fundado en las neuronas o células nerviosas y otro basado en las hormonas. En ambos sistemas las células se comunican entre si a través de mensajeros químicos. Las neuronas envían mensajes a sus células efectoras (células blanco), que pueden ser células musculares, células glandulares u otras neuronas. Para enviar su mensaje, la neurona libera una sustancia química, un neurotransmisor. El neurotransmisor es liberado en sitios específicos llamados sinapsis [1] . Las moléculas de neurotransmisor se unen a receptores, situados en la superficie de la célula blanco, y provocan de esta forma cambios físicos y químicos en la membrana celular y en el interior celular. Por lo tanto diremos que en general, la acción de estimular a las células desde el exterior se llama inducción y se realiza a través de sustancias producidas por células inductoras. La célula que es sensible al inductor se denomina célula inducida, blanco o diana y presenta para el mismo receptores específicos (fig. 7.1), que pueden ubicarse en la membrana plasmática, el citoplasma o en el núcleo. Estos receptores son proteínaso complejos proteicos. Tipos de inducciones 1. Endocrina: una glándula libera hormonas (inductor) que pueden actuar sobre células u órganos situados en cualquier lugar del cuerpo (células blanco). Por lo tanto podemos decir que células inductoras e inducidas se encuentran distantes. Las glándulas endocrinas liberan hormonas al torrente sanguíneo: las células o tejidos blanco poseen receptores que reconocen exclusivamente los diferentes tipos de moléculas hormonales. Así un receptor reconoce exclusivamente una hormona. Una célula puede tener distintos tipos de receptores, y así reconocer diferentes hormonas. Ej. Insulina, glucagón, hormonas adenohipofisiarias, etc. Cuando la célula inductora y la célula blanco se hallan distantes entre sí, la sustancia inductora ingresa en la sangre y a través de ella alcanza a la célula inducida - en este caso, las sustancias inductoras se denominan hormonas. - A esta categoría pertenecen también las secreciones neuroendocrinas 2. Paracrina: Una célula o un grupo de ellas liberan una hormona que actúa sobre las células adyacente que presenten el receptor adecuado. De esta forma la célula inductora e inducida se encuentran próximas. Ej. Prostaglandinas - Cuando la célula inductora se halla cerca de la célula inducida - la sustancia inductora recorre un corto trecho de la matriz extracelular para alcanzar a la célula blanco 3. Autocrina: Una célula libera una hormona que actúa sobre la misma célula. Ej. Prostaglandinas la sustancia inductora es secretada y recibida por la propia célula 4. Neuroendocrina: Una neurona libera su neurosecreción al torrente sanguíneo. Ej. Oxitocina, ADH, hormonas liberadoras e inhibidoras hipotalámicas 5. Por contacto directo: La hormona o molécula inductora es retenida en la membrana plasmática de la célula inductora, por lo tanto no se secreta. Las células deben ponerse en contacto, para que la sustancia inductora tome contacto con el receptor localizado en la membrana plasmática de la célula inducida. Ejemplo de este tipo de comunicación tienen lugar en algunas respuestas inmunológicas. la sustancia inductora es retenida en la membrana plasmática de la célula inductora y no se secreta. Por lo tanto, para que la sustancia inductora pueda entrar en contacto con el receptor se necesita que la célula inductora se traslade hasta el lugar de la célula inducida 6. Yuxtacrina ( a través de uniones comunicantes, nexus o gap: Las células conectadas a través del establecimiento de este tipo de uniones firmes, puede responder de forma coordinada ante un inductor que se une a alguna de las células que están comunicadas. A través de estas uniones pasan pequeñas moléculas como los segundos mensajeros. Especificidad - Cada sustancia inductora actúa sobre ciertas células (especificidad) - La especificidad de las sustancias inductoras se corresponde con la especificidad de los receptores, que son moléculas o asociaciones moleculares (generalmente glicoproteína) http://genomasur.com/lecturas/Guia07.htm#_ftn1 Características del complejo inductor- receptor Cuando una hormona pasa a la circulación sanguínea, puede alcanzar todos los tejidos del cuerpo, sin embargo, por lo general su acción sólo se evidencia en un limitado número de células. Como señaláramos, el receptor es por lo general un complejo proteico específico al que cada inductor se une selectivamente, de este modo la sustancia inductora y su receptor forman un complejo que presenta las siguientes características: a) Adaptación inducida - la fijación de la sustancia inductora al receptor requiere una adaptación estructural recíproca entre ambas moléculas b) Saturabilidad - El número de receptores existente en cada célula es limitado un eventual aumento en las concentraciones del inductor, pondría en evidencia la saturabilidad del sistema. c) Reversibilidad - La unión sustancia inductora-receptor es reversible, ya que el complejo se separa un tiempo después de su formación - el receptor puede unirse a otras moléculas de ligando. El complejo inductor-receptor se disocia después de su formación. * El complejo ligando receptor es específica, reversible y saturable La interacción inductor-receptor es la primera de una serie de reacciones consecutivas que se propagan por el interior de la célula, mientras que el último eslabón de esta serie puede considerarse cómo la respuesta. Como ya lo adelantáramos y de acuerdo a la ubicación de los receptores específico, los inductores se pueden clasificar en dos grupos: a) los que se unen a receptores de membrana y b) los que ingresan a la célula y se unen a receptores citosólico. A su vez las moléculas que actúan como hormonas pueden clasificarse de acuerdo a su estructura química en cuatro categorías: 1. Esteroides: Las hormonas esteroides son derivados del colesterol. Ejemplos de las hormonas esteroides son los glucocorticoides, los mineralocorticoides, los esteroides sexuales, la vitamina D y el ácido retinoico. 2. Derivados de aminoácidos: hormonas derivadas del aminoácido tirosina. Conocidas como aminohormonas. Existen dos tipos de aminohormonas las que interactúan con receptores de membrana (adrenalina y noradrenalina, producidas por la glándula suprarrenal) y las que se unen a receptores citosólicos (por ejemplo, la hormona tiroidea producida por la glándula tiroides). 3. Péptidos o proteínas: Son cadenas de aminoácidos. Ejemplos de hormonas peptídicas son la oxitocina y la hormona antidiurética. Ejemplos de hormonas proteicas son la Insulina y la hormona del crecimiento. Estas proteínas y otros factores de crecimiento son mitógenos potentes. (es decir activan la mitosis). 4. Derivados de ácidos grasos: Las prostaglandinas y las hormonas juveniles de los insectos son hormonas derivadas de ácidos grasos. Debemos recordar que estas moléculas son mensajeros químicos, cuya función es coordinar las respuestas de las distintas poblaciones celulares en un organismo pluricelular. Sin embargo, estos mensajeros químicos no actúan de la misma forma. Por ejemplo las hormonas peptídicas y proteicas debido a su tamaño y polaridad, no pueden atravesar la membrana plasmática y deben unirse a receptores dispersos en la superficie externa de la célula. Estos son los llamados receptores de membrana, que en general son glicoproteicos. Los receptores de membrana detectan la llegada de una hormona y activan una ruta de transmisión de señales intracelular, que en ultima instancia regula los procesos celulares. Por lo tanto en este caso podemos decir, que la membrana plasmática celular constituye una barrera que se opone al flujo de información. En la membrana plasmática se alojan mecanismos que transducen las señales externas, en otras internas, responsables últimos de la regulación de las funciones celulares. En general vamos a denominar a las señales externas (hormonas), como primeros mensajeros, y a las señales internas como segundos mensajeros. El proceso de generar los segundos mensajeros, depende de una serie de proteínas de la membrana celular. Los segundos mensajeros son en general moléculas de pequeño tamaño, cuya rápida difusión permite que la señal se propague rápidamente por todo el interior celular. El otro tipo de señales extracelulares (inductores) son las hormonas esteroideas y las hormonas tiroideas, que por su naturaleza hidrofóbica (liposoluble), pueden difundir a través de la membrana plasmática, e interactuar directamente con receptores que se encuentran en el interior de la célula, por ejemplo en el citosol . Una vez queel inductor, interactua con el receptor citosólico, formando un complejo Hormona-Receptor, este complejo ingresa al núcleo donde activan genes específicos. representa la secuencia precisa de componentes en una respuesta celular a una hormona peptídica Hormona unida al receptor proteína G AC proteinquinasa fosforilación de proteína Receptores Los receptores pueden estar en el citosol o en la membrana plasmática a) Inducciones celulares mediadas por receptores citosólicos - Las hormonas esteroideas, las hormonas tiroideas, la vitamina D y el ácido retinoico son sustancias inductoras que se unen con receptores de las células inducidas situados en el citosol - estos señales (de naturaleza hidrofóbica) pueden atravesar la membrana plasmática por difusión e ingresar a la célula, donde se unen a un receptor específico, formando un complejo hormona-receptor que es capaz de se translocar hasta el núcleo, unirse al ADN y modificar la transcripción de ARN Mensajero. - en ausencia de la sustancia inductora, el receptor permanece en el citosol unido a la chaperona hsp90 b) Inducciones celulares mediadas por receptores localizados en la membrana plasmática - las señales hidrofílicas (como neurotransmisores y factores de crecimiento) poseen en general naturaleza proteica - se unen a receptores que se encuentran en la membrana plasmática de las células inductoras. - ponen en marcha en las células inducidas una serie de reacciones moleculares hasta que se llega a la respuesta celular. - Entre las moléculas que intervienen en la mayoría de las vías de señales abundan las quinasas. Receptores membranosos y enzimas - existen receptores membranosos que al ser inducidos: 1) adquieren actividad enzimática o activan a una enzima independiente; 2) Activan a proteína G. - están formados por una proteína integral que atraviesa una sola vez la membrana - Los que adquieren actividad enzimática pueden ser de guanilato ciclasa, de serina-treonina quinasa, de tirosina fosfatasa o de tirosina quinasa - Los que activan a una enzima es siempre una tirosina quinasa Tirosina Quinasa - Pertenecen a una familia de moléculas llamadas factores de crecimiento - comienza cuando se une al ligando y se forman dímeros que activa a la proteína quinasa presentes en el receptor a las cuales pueden fosforilar a las tirosina - un ejemplo es el receptor para insulina Receptores acoplados a Proteína G - receptores localizados en la membrana plasmática que al ser inducidos activan a proteínas G. - presentes sólo en eucariontes - atraviesan 7 veces a la membrana plasmática - Al ser activada, la proteína G activa o inactiva a una enzima de la membrana plasmática o abre o cierra canales iónicos, dependiendo del tipo de Proteína G: a) Proteína Gs - activa la enzima Adenilato Ciclasa (AC) - Por activación conducen al aumento de la concentración citoplasmática de AMPc, con posterior activación de la PKA b) Proteína Gi - inhibe al AC c) Proteína Gq - activa a la enzima Fosfolipasa C (PLC) d) Proteína Gk - activa canales de K+ (potasio) Más acerca de la Proteína G - está localizada en la membrana plasmática, en la cara citosólica - está formada por 3 subunidades alfa, beta y gama. - tiene actividad GTPasa, es decir, puede degradar a un nucleótido trifosfatado que es el GTP - La subunidad alfa posee actividad GTPasa (ae) - en su forma inactiva está unida GDP - la proteína G se activa cuando el GDP es reemplazado por un GTP - La activación de la proteína G se produce cuando la sustancia inductora se une al receptor, pues éste se pone en contacto con la subunidad alfa y hace que su GDP sea reemplazado por un GTP. Ello permite que se separe de las subunidades beta y gama, que en forma separada (en forma activa) pueden activar a otras enzimas, como la AC y PLC. - cuando la sustancia inductora se desliga del receptor y la transmisión de la señal concluye, la proteína G se inactiva debido a que la GTPasa de la subunidad alfa hidroliza el GTP a GDP y P - como la proteína GTPasa degrada el GTP, queda unida al GDP y se vuelve a inactivar y así se finaliza la respuesta. Transducción de Señal - la unión de una molécula señalizadora (o ligando) a sus receptores específicos desencadena una serie de reacciones en el interior de la célula. Esto proceso se conoce como Transducción de Señal. - los mediadores esenciales de este proceso son los llamados mensajeros intracelulares o segundo mensajeros (la llegada de la sustancia inductora es considerada el primer mensajero). - los segundos mensajeros son moléculas que transduce señales extracelulares corriente abajo la célula hasta inducir un cambio fisiológico en un receptor (o efector), como puede ser por ejemplo una enzima metabólica, una proteína reguladora de genes o una proteína del citoesqueleto - ejemplos de segundo mensajero: cAMP, DAG, IP3, Ca2+ - el producto final desencadenará, entonces, una respuesta que llevará a un cambio en la fisiología celular, como cambios en el metabolismo, en la expresión de genes o en la forma celular. Amplificación de la señal - las cascadas de reacciones producidas por distintas enzimas que se activan por proteínas G unidas a receptores de membranas pueden ser amplificadas Muerte Celular - La muerte de las células es un fenómeno común durante el desarrollo embrionario, necesario para remover tejidos provisorios (por ejemplo, las membranas interdigitales durante la formación de los dedos), eliminar células superfluas (como ocurre con casi la mitad de las neuronas en el curso de la neurogénesis), generar conductos, formar orificios, etc - También se producen muertes celulares durante la vida posnatal, cuando el organismo necesita remodelar tejidos o remover células dañadas, innecesarias, redundantes, envejecidas o peligrosas para su salud, como lo son las células infectadas, las tumorales o las autorreactivas - la comunicación celular es un proceso homeostático que permite el equilibrio de la célula frente a cambios externos. Estos cambios pueden hacer la célula adaptarse. Cuando no se adaptan o fallan los mecanismo de adaptación, ocurre una lesión celular, que puede ser reversible o irreversible. - Cuando la lesión es reversible, las organelas dañadas son eliminadas por un proceso llamado autofagia, que permite la célula volverse al equilíbrio. Autofagia - generan energía en metabolitos mediante la digestión de sus proprias organelas y macromoléculas - son mecanismos de degradación de componentes celulares - eliminan organelas dañadas - permite la supervivencia de células que son privadas de nutrientes o de factores de crecimiento - la autofagia forma autofagosomas, en lo cual el contenido a se degradar se encuentra dentro de una doble membrana - los autofagosomas se fusionan con los lisosomas formando los Autolisosomas, que son encargados de degradar a las organelas y macromoléculas - cuando la lesión es irreversible, lleva a la muerte celular, que puede ser: a) Apoptosis - muertes celulares programadas o fisiológicas - a diferencia de la necrosis, la apoptosis requiere energía en forma de ATP y carece de inflamación local - es regulado por una variedad de caminos de senãlización intracelular - existen dos vías: intrínseca (o mitocondrial) y extrínseca (o dereceptores de muerte) - en ambas las vías están involucradas una familia de proteínas denominadas caspasas b) Necrosis - muertes celulares accidentales producidas por traumatismo, sustancias tóxicas, obstrucciones vasculares, etc. - proceso con ausencia de ATP - se caracteriza por la inducción de inflamación local. - la ruptura de los lisosomas libera las enzimas contenidas en esos, llevando a la degradación del material genético y degradación de las membranas plasmáticas y proteínas (como el citoesqueleto) Apoptosis x Necrosis - En la apoptosis ocurre la condensación del citoplasma y del material genético, con fragmentación del ADN y formación de corpos apoptóticos, que son removidos por fagocitosis, lo cual no genera un proceso de inflamación local - En la necrosis ocurre una ruptura de la membrana plasmática con liberación de contenido citoplasmático y la degradación del mismo, tanto de las proteínas, de los lípidos y del material genético. Genera proceso de inflamación local * Una lesión a nivel celular: Es el resultado de un estímulo nocivo, o de una falla en los mecanismos de adaptación frente a estímulos estresantes por parte de la célula (ae) La OXIDACIÓN en los sistemas biológicos es una deshidrogenación, es decir, la pérdida de un átomo de hidrógeno (H), o lo que es equivalente la pérdida de un protón (H+) y su electrón (e-) correspondiente; o la ganancia de oxígeno. La enzima que cataliza la oxidación de una molécula debe presentar una coenzima de óxido-reducción como por ejemplo NAD+, capaz de aceptar los hidrógenos. La REDUCCIÓN en los sistemas biológicos es una hidrogenación, es decir, la ganancia de un átomo de hidrógeno, lo que es equivalente a la ganancia de un protón (H+) más su electrón (e-) correspondiente, o la pérdida de oxígeno. La enzima que cataliza la reducción de una molécula debe presentar una coenzima reducida como por ejemplo NADH, capaz de ceder hidrógenos. La oxidación y la reducción siempre ocurren simultáneamente porque los electrones que pierde un átomo o molécula oxidados son aceptados por otro átomo o molécula que se ha reducido en el proceso. INTRODUCCIÓN El núcleo es la estructura más destacada de la célula eucarionte, tanto por su morfología como por sus funciones. Su tamaño es variable (5 a 10 mm) al igual que su ubicación siendo en la mayoría de los tipos celulares central. El núcleo tiene tres funciones primarias, todas ellas relacionadas con su contenido de ADN. Ellas son: 1. Almacenar la información genética en el ADN. 2. Recuperar la información almacenada en el ADN en la forma de ARN. 3. Ejecutar, dirigir y regular las actividades citoplasmáticas, a través del producto de la expresión de los genes: las proteínas. En el núcleo se localizan los procesos a través de lo cuales se llevan a cabo dichas funciones. Estos procesos son: 1. La duplicación del ADN y su ensamblado con proteínas (histonas) para formar la cromatina. 2. La transcripción de los genes a ARN y el procesamiento de éstos a sus formas maduras, muchas de las cuales son transportadas al citoplasma para su traducción y 3. La regulación de la expresión genética. ESTRUCTURA DEL NÚCLEO El núcleo está rodeado por la envoltura nuclear, una doble membrana interrumpida por numerosos poros nucleares. Los poros actúan como una compuerta selectiva a través de la cual ciertas proteínas ingresan desde el citoplasma, como también permiten la sal ida de los distintos ARN y sus proteínas asociadas. La envoltura nuclear es sostenida desde el exterior por una red de filamentos intermedios dependientes del citoesqueleto, mientras que la lámina nuclear, la cual se localiza adyacente a la superficie interna de la envoltura nuclear, provee soporte interno. El núcleo también tiene un nucleoplasma, en el cual están disueltos sus solutos y un esqueleto filamentoso, la matriz nuclear la cual provee soporte a los cromosomas y a los grandes complejos proteicos que intervienen en la replicación y transcripción del ADN. Los cromosomas aparecen ocupando lugares específicos. Los genes que codifican productos relacionados, aunque estén localizados en diferentes cromosomas, pueden estar ubicados próximos en el núcleo interfásico. Por ejemplo, los cromosomas humanos 13, 14, 15, 21 y 22 poseen un gran número de genes que codifican para ARNr. Dichos cromosomas están agrupados de tal forma que los genes de los ARNr están todos juntos y confinados en el nucléolo, el lugar donde se sintetizan, procesan y ensamblan los ARNr. Esta separación física asegura que los ARNr puedan sereficientemente ensamblados dentro de las subunidades ribosomales. En el núcleo, los genes transcripcionalmente activos tienden a estar separados de los inactivos. Los activos se encuentran ubicados centralmente, mientras que los silentes están confinados próximos a la envoltura nuclear. Tan pronto como las células entran en mitosis o meiosis, los fragmentos de la matriz nuclear dirigen la condensación de los cromosomas, constituyéndose en la parte central de los mismos. LA ENVOLTURA NUCLEAR La envoltura está formada por dos membranas concéntricas interrumpidas por poros nucleares y por la lámina nuclear. Las membranas delimitan un espacio de 10 a 50 nm, el espacio o cisterna perinuclear. La membrana La membrana externa en contacto con el citoplasma tiene ribosomas adheridos, que sintetizan las proteínas que se vuelcan al espacio perinuclear. El espacio perinuclear se continua con el REG. La membrana interna posee proteínas integrales que le son propias, que se unen a la lámina nuclear y a los cromosomas. La lámina nuclear, capa fibrosa de 10 a 15 nm en la que apoya la membrana interna, está formada por proteínas del tipo de los filamentos intermedios, polímeros de lamina o laminina nuclear. Ellas se unen a las proteínas integrales de membrana. La fosforilación de las laminas provoca el desensamble de la lámina nuclear causando la ruptura de la envoltura al inicio de la división celular. La lámina nuclear confiere estabilidad mecánica a la envoltura nuclear. Además, al interactuar con la cromatina participa en la determinación de la organización tridimensional del núcleo interfásico. Si bien la formación de la lámina no se requiere durante los pasos iniciales, la organización de la envoltura es indispensable para el crecimiento posterior y el mantenimiento de su integridad. Las laminas se incorporan luego que la cisterna perinuclear rodea al ADN y se inicia el transporte entre el núcleo y el citoplasma. (Fig. 10.3) La envoltura nuclear es un derivado del sistema de endomembranas, siendo esto evidente al inicio de la división celular, cuando la envoltura se desorganiza y pasa a formar parte del sistema de cisternas y vesículas del retículo endoplásmico. La aparición de la envoltura nuclear permitió que los eucariontes aislaran los procesos genéticos principales, como la autoduplicación del ADN o la síntesis de ARN. Además esto posibilitó que el ARNm se modifique dentro del núcleo antes de ser traducido en los ribosomas. Estas modificaciones no ocurren en los procariontes, ya que a medida que la ARN polimerasa sintetiza el ARN, simultáneamente el extremo 5’ se une al ribosoma y comienza la traducción. COMPLEJOS DE PORO NUCLEARLa envoltura nuclear presenta estructuras discoidales llamadas complejos de poro nuclear (CPN) El número de CPN es variable, incrementándose a medida que aumenta la actividad celular. En una célula de mamífero hay entre 3000 a 4000 complejos de poro. Cada CPN es una estructura macromolecular compleja constituida por un gran número de proteínas de disposición octamérica. Está formado por: · Ocho columnas proteicas, que forman las paredes laterales del poro. · Un anillo externo, formado por ocho unidades proteicas. · Un anillo interno, también con estructura octamérica. · Proteínas de anclaje que fijan cada columna al espacio perinuclear. · Proteínas radiales que se proyectan desde las columnas hacia la luz del poro, a manera de diafragma · Proteínas fibrilares fijas al anillo interno y externo. En la cara nuclear convergen para formar una canastilla o cesta. A lo largo de estas fibrillas se ubican nucleoporinas que intervienen en el transporte de sustancias a través del poro. · Un poro central o abertura. La luz de los CPN suele presentarse obturada por las proteínas que circulan a través del poro, como por las carioportinas (Kap) que actúan como eficientes transportadores en el tráfico núcleo/citoplasma. Los CPN presentan uno o varios canales acuosos a través de los cuales las pequeñas moléculas solubles en agua difunden (transporte no regulado). Las moléculas de mayor peso molecular son transportadas en forma activa, por lo que requieren energía y moléculas transportadoras. Se importan dentro del núcleo: · Las proteínas sintetizadas en el citoplasma necesarias para ensamblar los ribosomas. · Los factores de transcripción requeridos en la activación o inactivación de los genes. · Los factores de empalme necesarios en el proceso de maduración de los ribosomas. Las moléculas y macromoléculas ensambladas y exportadas desde el núcleo al citoplasma incluyen: · Las subunidades ribosomales · ARNm · ARN . …ARN de transferencia · Factores de transcripción que son devueltos al citoplasma para ser reutilizados. Los mecanismos implicados en el transporte a través del poro son diferentes al transporte de proteínas en las membranas de otros organelos . Por ejemplo, las proteínas nucleares son transportadas a través del poro manteniendo su conformación plegada, por el contrario las proteínas que no se localizarán en el núcleo se despliegan durante el transporte. Los complejos de poro nuclear hacen de la envoltura nuclear una barrera selectiva entre el núcleo y el citoplasma. Estos complejos constituyen la principal vía de comunicación entre el compartimiento nuclear y citoplasmático de la célula ante el pesado tráfico molecular. Aun cuando las proteínas pequeñas y otras moléculas viajan a través de los canales periféricos, las proteínas de gran tamaño deben poseer una etiqueta para ingresar por el canal central. Estas proteínas sintetizadas en el citoplasma contienen la señal de localización nuclear (nuclear signal localization, NSL). Tampoco los ARN pueden salir de núcleo por sí mismos. Ellos salen a través del complejo de poro con una proteína especial que posee una señal nuclear de exportación (nuclear export signal, NES). Ambas NSL y NES consisten en una secuencia corta de aminoácidos, muchos de los cuales tienden a estar ubicados centralmente dentro de las proteína. Observemos en la Fig. 10.4, como las proyecciones filamentosas desde la cara citosólica del complejo pueden enlazar proteínas, conduciéndolas dentro del poro central. Los filamentos citosólicos, el poro central y la canasta nuclear se proyectan dentro del compartimiento nuclear. Se cree que la canasta puede ser un área importante de paso para la preparación de las ribonucleoproteínas (RNP) antes de ser exportadas. Las moléculas de mayor tamaño requieren de una proteína “transbordadora” o carioportina. La superfamilia de carioportinas esta integrada por: importinas . exportinas y transportinas . IMPORTACIÓN DE PROTEÍNAS Las importinas son heterodímeros, formados por dos subunidades, la subunidad-a se une a la NSL de la proteína nuclear permitiendo la unión con la subunidadad-b. Esta unión origina una “importina funcional” que lleva unida a la proteína nuclear a ser transportada. El complejo importina funcional se pone en contacto con los filamentos citosólicos, donde guiado por las nucleoporinas (Nup), llega al poro central. La translocación de complejo importina/carga es regulado por la pequeña RanGTPasa [1] , que se une a la subunidad b de la importina. Esta b-importina es la encargada de interactuar con el poro provocando su dilatación y posibilitando el ingreso de la proteína nuclear. La translocación de proteínas es un proceso activo. Cuando el complejo penetra al interior del núcleo, las subunidades de importina se separan y la carga es liberada. La disociación de las subunidades causa entonces un nuevo cambio en su forma, dejando al descubierto la NES de cada subunidad. Otras proteínas en el poro central reconocen la NES y retornan las subunidades al citoplasma. EXPORTACIÓN DE ARN Los ARN maduros se asocian a proteínas llamadas transportinas, las cuales actúan como transbordadores permitiendo el pasaje de ARN al citoplasma. En la fig. 10.6 se esquematiza como el ARNm es llevado fuera del núcleo. Los ARNm maduros que presentan la poli A se asocian con varias proteínas, formando una partícula de ribonucleoproteína (RNP). Estas partículas se mueven linealmente a través de la canasta nuclear. Al igual que las importinas, las RNP son recicladas hacia el núcleo. En el citoplasma, las CRBP ( del inglés, cytoplasmic RNA-binding proteins) reemplazan a las RNP para guiar a los ARNs a sus destinos citosólicos correctos. http://genomasur.com/lecturas/Guia10.htm#_ftn1 CROMOSOMAS Y CROMATINA El núcleo contiene los cromosomas de la célula. Cada cromosoma consiste en una molécula única de ADN con una cantidad equivalente de proteínas. Colectivamente, el ADN con sus proteínas asociadas se denomina cromatina. La mayor parte de las proteínas de la cromatina consisten en copias múltiples de cinco clases de histonas. Estas proteínas básicas son ricas en residuos de arginina y lisina cargados positivamente. Por esta razón se unen estrechamen te con los grupos fosfatos (cargados negativamente) del ADN. La cromatina también contiene pequeñas cantidades de una amplia variedad de proteínas no histónicas y RNP. La mayoría de ellas son factores de transcripción (por ej., el receptor esteroide), siendo su asociación con el ADN pasajera. Estos factores regulan que parte del ADN será transcripta en ARN. NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LA CROMATINA La observación a través del microscopio óptico de un núcleo interfásico, nos permite distinguir dos tipos de cromatina. La eucromatinao cromatina laxa, de localización central, y la heterocromatina o cromatina densa, en la periferia del núcleo (Fig.10.7). La heterocromatinarepresenta aproximadamente el 10% del total de cromatina y es considerada transcripcionalmente inactiva (Fig. 10.8). La eucromatina se encontraría al menos en dos estados, la eucromatina accesible, que representa alrededor del 10%, donde se encuentran los genes que se están transcribiendo y la eucromatina poco accesible, más condensada (pero menos que la heterocromatina), donde están los genes que la célula no está transcribiendo. Si el núcleo celular se incuba con nucleasas, enzimas que digieren el ADN, las secuencias que primero se digieren son las que portan los genes expresados por la célula, lo que corrobora el menor grado de condensación de la eucromatina. Cuando el cromosoma en interfase se esparce artificialmente sobre agua, tiene la apariencia de un collar de perlas. Las perlas son los nucleosomas, las unidades de enrollamiento de la cromatina. (Fig. 10.10b) Los nucleosomas están formados por un centro o "core" de histonas. Dicho centro posee dos copias de cada una de las siguientes histonas: H2A; H2B; H3 y H4 Alrededor del centro de histonas, 146 pares de bases del ADN se enrollan en dos vueltas. La unión de las histonas al ADN no depende de una secuencia particular de nucleótidos, sino de la secuencia de aminoácidos de la histona. Las histonas son unas de las moléculas más conservadas durante el transcurso de la evolución. La histona H4 en el ternero difiere de la H4 de la planta de poroto en sólo 2 residuos de aminoácidos de una cadena de 102. Alrededor de 60 pares de bases de ADN unen un nucleosoma con el próximo. Cada región de unión es el ADN espaciador. La quinta histona, la H1, conecta a los nucleosomas y actúa como una banda de goma, manteniéndolos juntos dentro de una misma cuerda enrollada. Esta estructura se conoce como fibra de 10nm, siendo el primer grado del empaquetamiento de la cromatina. (Fig. 10.9) Los nucleosomas se organizan, a su vez, en fibras de 30nm (solenoide), girando a manera de resorte alrededor de un eje virtual. Esta estructura es mantenida por la interacción de las H1 de nucleosomas cercanos. (Fig. 10.10c) En el siguiente nivel de empaquetamiento, las fibras de 30 nm se organizan en una serie de bucles o asas superenrolladas (Fig. 10.10d; Fig. 10.11). Estos bucles se estabilizan gracias a la interacción con las proteínas de la matriz nuclear o andamiaje nuclear (“scaffold”). Cada bucle de cromatina representa un dominio funcional o unidad de replicación (Fig. 10.10e). Estos dominios contienen alrededor de 100.000 pares de bases, extensión de ADN suficiente para acomodar varios genes de tamaño promedio. Algunos genes, sin embargo, pueden abarcar varios dominios adyacentes de un cromosoma. Cada cromosoma puede tener cien o más dominios.Durante la profase, los cromosomas aparecen en forma más condensada, alcanzando la cromatina su mayor nivel de condensación en metafase(Fig. 10.10f). La organización de los cromosomas envuelve la fosforilación de la H1 y otras proteínas, lo cual causa el plegamiento y empaquetamiento aún más compacto de la cromatina. El andamiaje o matriz nuclear se convierte en el centro de la estructura del cromosoma, y como la compactación continúa, éste se pliega modo de acordeón. El grado de condensación de los dominios de cromatina se mantiene principalmente debido a la asociación con la matriz nuclear y a proteínas asociadas como la topoisomerasa II o girasa, encargada de controlar el grado de superenrollamiento del ADN (Fig. 10.11). La unión entre la cromatina y la matriz se da a nivel de zonas altamente conservadas, denominadas secuencias SAR o MAR (scaffold associated regions/ matrix attachment regions). Las SAR son regiones de varios cientos de pares de bases ricas en residuos de adenina y timina, abundantes en la heterocromatina. Con coloraciones especiales los cromosomas, revelan diferencias estructurales de importancia funcional. Las bandas oscuras consisten en cromatina altamente condensada, mientras que las bandas claras se corresponden con cromatina más laxa. El examen de la cromatina en bandas claras y oscuras revela que ambos tipos de cromatina están acomodados en bucles de distintos tamaños y que a su vez se proyectan desde el andamiaje plegado. El andamiaje está muy plegado en la heterocromatina, y es más lineal en las bandas de eucromatina, formando bucles más amplios. Las histonas de la eucromatina están fuertemente acetiladas. Estos cambios afectarían el grado de empaquetamiento de la eucromatina, haciéndola más accesible para la transcripción de sus genes. LAS CARACTERÍSTICAS DE LA HETERO Y EUCROMATINA SON: Características de la Cromatina Tipo de cromatina Estado físico Cambio químico Tipo de genes Replicación Eucromatina Laxa Acetilada Activos Fase S temprana Heterocromatina condensada Metilada Silentes Fase S tardía Los cromosoma en metafase también poseen un revestimiento de RNP. Dicho revestimiento deriva de los componentes del nucléolo. Estos cromosomas se constituyen en el vehículo para dividir el material nucleolar entre las futuras células hijas. El empaquetamiento de la cromatina permite confinar al ADN dentro del núcleo La molécula de ADN de un cromosoma humano contiene 50 x 106 pares de nucleótidos en el cromosoma más pequeño (1.7 cm con la molécula extendida) a 250 x 106 pares de nucleótidos en el más largo ( 8.5 cm). Midiendo extremo con extremo el total de cromosomas de una célula humana diploide, el ADN se extiende más de 2 metros. El empaquetamiento del ADN en forma de cromatina, no solamente le permite entrar dentro de los límites del núcleo, sino también lo protege del ataque de las nucleasas. EL CROMOSOMA EUCARIOTA Cada cromosoma eucariota consiste en una molécula simple de ADN de alrededor de 150 millones de pares de nucleótidos. La molécula de ADN en el cromosoma eucariota es lineal, por lo tanto posee dos extremos (en contraste con el cromosoma bacteriano que es circular). La molécula de ADN de un cromosoma típico eucariota contiene: · Un conjunto lineal de genes que codifican para ARN y proteínas interrumpido por · Muchas secuencias de ADN no codificante. El ADN no codificante incluye: · Secuencias de aproximadamente 170 nucleótidos de ADN satélite, repetidas miles de veces, que corresponden al centrómero. · Secuencias repetitivas en los extremos del cromosoma llamadas telómeros. · Múltiples secuencias señalizadoras altamente conservadas, denominadas origen de replicación (ORI) , necesarias para que se realice la duplicación del ADN en un tiempo breve. El centrómero es una constricción primaria localizada centralmente o hacia los extremos de cada cromosoma. El ADN centromérico como ya mencionamos es altamente repetitivo y se encuentra siempre condensado siendo parte de la heterocromatina. Los telómeros son cruciales en la vida de la célula. Ellos son necesarios para la duplicación completa del cromosoma, los protegen de las nucleasas, evitan que los extremos del cromosoma se fusionen entre sí y facilitan la interacción del cromosoma con la envoltura nuclear. Los telómeros de las células humanas contienen la secuencia 5'TTAGGG3, que se repite aproximadamente 2000 veces. 5 '... ..TTAGGG TTAGGG TTAGGG TTAGGG TTAGGG TTAGGG..... 3 ' 3 '... ..AATCCC AATCCC AATCCC AATCCC A..... 5 ' La cadena rica en guanosina corre en dirección 5' a 3', extendiéndose 12 a 15 nucleótidos más allá de la cadena rica en citosina, formando un apéndice en una de las cadena en cada extremo del cromosoma. Este desnivel se mantiene de generación en generación por medio de una enzima especial, la telomerasa, que agrega nuevas unidades al extremo 3' de la cadena rica en guanosina (Fig. 11.13). La telomerasa es una ribonucleoproteína, la cual provee un molde de AAUCCCque guía la inserción de la secuencia TTAGGG. Entonces la telomerasa es una retrotranscriptasa, sintetiza ADN a partir de un molde de ARN. Las células con telomerasa activa pueden compensar el acortamiento de los telómeros durante la duplicación del ADN. La telomerasa activa se encuentra solamente en: · Las células de la línea germinal, incluyendo células troncales embrionarias · Eucariotas unicelulares · Células cancerosas Los cromosomas se diferencian por la ubicación del centrómero Durante la mayor parte de la vida de la célula, los cromosomas son demasiado largos y tenues para ser vistos bajo un microscopio. Antes de que una célula se divida, cada cromosoma se duplica (durante la fase S del ciclo celular). Al inicio de la división celular, los cromosomas duplicados se condensan en estructuras que pueden teñirse con facilidad (por ello denominadas cromosomas), pudiéndose observar bajo el MO. La condensación es tal que el cromosoma es aproximadamente 10.000 veces más corto que la molécula de ADN que contiene (Fig. 10.14). A primera vista, los cromosomas duplicados se mantienen juntos por el centrómero. Mientras están juntos, es común llamar a cada parte del cromosoma duplicado, cromátida hermana. Esto no debe confundirnos, cada una de las "cromátidas hermanas" es un cromosoma completo. El cinetocoro es una estructura proteica discoidal que forma parte del centrómero y ayuda a separar las cromátidas hermanas. Es el sitio de unión con los microtúbulos del huso, que contienen los motores de dineína que tiran a los cromosomas en la anafase. Además proveen una plataforma para ensamblar y movilizar las proteínas que construyen el huso. La posición del centrómero, determina el largo de los brazos del cromosoma; en base a esto se puede clasificar a los cromosomas en: (Fig. 10.15) · Metacéntricos: el centrómero en posición central determina brazos de igual longitud · Submetacéntricos: un par de brazos es más corto que el otro, pues el centrómero se encuentra alejado del centro. · Acrocéntricos: el centrómero se halla próximo a uno de los extremos, por lo tanto uno de los brazos es casi inexistente. Los cromosomas acrocéntricos poseen una masa de cromatina llamada satélite, en el extremo del brazo corto. El satélite se halla aislado del resto del cromosoma por la constricción secundaria. La zona aledaña al satélite de los cromosomas acrocéntricos contribuye a formar el nucléolo (Fig. 10.16) El más corto de los dos brazos del cromosoma se llama p; el más largo es el brazo q. Todas las especies tienen un número característico de pares de cromosomas homólogos llamado número diploide (2n). El número diploide del hombre es 46. El cariotipo es una representación gráfica o fotográfica de los cromosomas presentes en el núcleo de una sola célula somática de un individuo. Cada miembro del par de cromosomas homólogos proviene de cada uno de los padres del individuo cuyas células examinamos. El cariotipo de la mujer contiene 23 pares de cromosomas homólogos, 22 pares son autosomas y el par restante, cromosomas sexuales, ambos " X". El cariotipo del hombre contiene los mismos 22 pares de autosomas y 1 par de cromosomas sexuales, un cromosoma sexual "X" y un cromosoma sexual "Y" (un gen en el cromosoma Y designado SRY es el que pone en marcha el desarrollo de un varón, por lo tanto determina el sexo). El análisis del cariotipo involucra la comparación de cromosomas por su longitud, la ubicación de los centrómeros y la ubicación y los tamaños de las bandas G. Durante la mitosis, los 23 pares de cromosomas humanos se condensan y son visibles con un microscopio óptico. Preparación de un Cariotipo: La preparación de un cariotipo normalmente involucra bloquear las células (glóbulos blancos) durante la mitosis con colchicina y marcar los cromosomas condensados con tinción Giemsa. La tinción marca las regiones de los cromosomas que son ricos en pares de nucleótidos entre A -T produciendo una banda oscura, la banda G. Luego de la tinción, los cromosomas se fotografían, se recortan y se ordenan de acuerdo a su longitud. Los de igual tamaño se aparean según la ubicación de su centrómero. Una error común es suponer que cada banda representa un sólo gen. En realidad las bandas más pequeñas contienen más de un millón de pares de nucleótidos y potencialmente cientos de genes. Por ejemplo, el tamaño de una banda pequeña es igual a toda la información genética de una bacteria. El análisis del cariotipo es una de muchas técnicas que nos permiten investigar las miles de enfermedades genéticas que se pueden EL NUCLÉOLO En el nucléolo tiene lugar la formación de subunidades ribosómicas, la síntesis y procesamiento de ARNr y actualmente se considera que desempeña un importante papel en la regulación del ciclo celular. [2] El nucléolo es un aglomerado de fibras de cromatina de distintos cromosomas. En el hombre, los pares 13,14, 15, 21 y 22, aportan sectores de cromatina que forman el nucléolo. Todos estos cromosomas son acrocéntricos y presentan constricciones secundarias denominadas organizadores nucleolares (NOR), donde están los genes que codifican ARNr El nucléolo aparece como una estructura simple carente de componente membranoso, en la que diferenciamos dos regiones: · Una zona fibrilar central, formada por ADNribosómico y ARNr naciente · Un zona granular periférica donde los gránulos están formados por las subunidades ribosómicas en proceso de ensamblado Los nucléolos, al igual que la envoltura nuclear desaparecen en la mitosis y se reorganizan alrededor de los segmentos de ADNr, que como su nombre lo indica, codifica ARNr. Siendo el ARNr el más abundante dentro de los tipos de ARN, existen múltiples copias del gen que lo codifica. El genoma humano presenta alrededor de 200 copias del gen para ARNr. Estos genes que promedian los 10.000 nucleótidos se localizan en tándem. Cada gen está separado por ADN espaciador y presenta asociado una molécula de ARN polimerasa I. De cada enzima parten perpendicularmente los ARNr nacientes, tomando la apariencia característica de un árbol de navidad. Cada gen produce un transcripto llamado ARNr 45S que será luego procesado El tamaño del nucleólo varía entre células y en la misma célula según su actividad, pues si bien la velocidad de transcripción puede acelerarse, el ensamblado de las subunidades ribosomales requiere de un tiempo más o menos constante; es por ello que en los nucléolos grandes observamos mayor proporción de componente granular. EL CONCEPTO DE GEN El genoma es el conjunto de genes de una especie. Pero ¿qué es un gen?. En principio es una unidad informativa discreta, responsable de una característica transmisible, vg. el color de ojos, la textura de la semilla, la longitud del tallo. Este es el concepto mendeliano del gen, acuñado en el siglo XIX, cuando aún se desconocía su verdadera naturaleza química. Esta definición del gen sigue siendo útil en determinado contexto, con la salvedad de que hoy identificamos a dicha unidad de información con un fragmento de ADN localizado en determinado lugar de un cromosoma. Una segunda concepción del gen surgió cuando los genetistas demostraron de forma concluyente que los genes especifican la estructura de las proteínas individuales. A principios de los años 1950 se llegó a conocer la secuencia de aminoácidos de la proteína insulina y se descubrió que cada proteínaconsiste en una secuencia de aminoácidos típica, de la cual, se supuso, dependerían sus propiedades. Al mismo tiempo se correlacionaron mutaciones (alteraciones en la secuencia de nucleótidos del ADN) con alteraciones de la secuencia de aminoácidos en las proteínas. Resultó evidente que la secuencia del ADN especifica, mediante algún código, la secuencia proteica. Un gen es, entonces, una secuencia de ADN con la información necesaria para la síntesis de una proteína particular. Dado que el ADN es una molécula relativamente inerte, su información se expresa indirectamente, a través de otras moléculas. El ADN dirige la síntesis de proteínas y éstas determinan las características físicas y químicas de la célula. Como ya adelantáramos, las instrucciones genéticas contenidas en el ADN se expresan en dos pasos. El primero de ellos, la transcripción, consiste en la síntesis de ARN a partir del ADN. El ARN contiene toda la información de la secuencia de bases del ADN de la que ha sido copiado. El segundo paso de la expresión genética es la traducción, momento en el cual el ARN ejecuta las instrucciones recibidas cristalizándolas en la síntesis de una proteína específica. Existen diversos tipos de ARN: el ARNm (mensajero), el ARNr (ribosómico), el ARNt (de transferencia) y los ARN pequeños. De todos ellos, tan sólo el ARNm es portador de información acerca de la secuencia aminoacídica de una proteína; sin embargo todos ellos son transcriptos de ADN. Por lo tanto, resulta necesario revisar la segunda definición del gen. Hoy se acepta que un gen es una secuencia de ADN transcripta que genera un producto con función celular específica. Cabe aclarar, no obstante, que esta definición no es completamente satisfactoria, en la medida en que existen regiones reguladoras de los genes, que no se transcriben, y otras regiones (llamadas intrones) que se transcriben pero se eliminan sin cumplir ninguna función aparente. http://genomasur.com/lecturas/Guia10.htm#_ftn1 LA ORGANIZACIÓN DEL GENOMA Con la excepción de ciertos virus, que contienen un genoma de ARN, el resto de los genomas utiliza el ADN como depositario de la información genética. Sin embargo, debemos señalar algunas diferencias significativas en cuanto a la organización del genoma en procariontes y eucariontes. · En primer lugar, el ADN procarionte se presenta como una única molécula circular, en tanto el ADN eucarionte es de estructura lineal. Además las células eucariotas poseen usualmente más de una molécula de ADN en sus núcleos. Cada molécula corresponde a un cromosoma, cuyo número es constante para todas las células de una misma especie (con excepción de las gametas). · El ADN eucarionte, por otro lado, se halla asociado íntimamente a diferentes proteínas, entre las cuales las histonas juegan el papel más importante en lo que respecta al empaquetamiento del ADN. Esta asociación a histonas no se verifica en el ADN procarionte, por lo cual se lo ha denominado “ADN desnudo”. En las células eucariotas los cromosomas están confinados en el compartimiento nuclear, donde tiene lugar la transcripción, mientras que la traducción se localiza en el citoplasma; por lo tanto, ambos procesos se encuentran separados espacial y temporalmente. Esto permite que los transcriptos de ARN experimenten en el núcleo un proceso de maduración previo a la traducción. En las células procariotas, donde no existe la envoltura nuclear, el ADN está en contacto directo con el citosol, y los procesos de transcripción y traducción no se hallan separados en espacio ni en tiempo. Los ARNs no son sometidos a modificaciones postranscripcionales. · Los eucariontes tienen genomas mucho más grandes que los procariontes. Aunque el valor C (cantidad haploide de ADN de una especie) es muy variable entre los mismos eucariontes (ver tabla 1), es siempre notablemente mayor que el de los procariontes. No necesariamente un mayor valor C refleja una mayor complejidad genética (véase en tabla 11.1 valores de Salamandra y Homo sapiens). · En los procariontes se da una máxima economía de información: en casi todos los casos cada cromosoma contiene una sola copia de cualquier gen particular, y, con excepción de las secuencias reguladoras y señaladoras, prácticamente se expresa todo el ADN. En cambio, en toda célula eucariota parecería haber un gran exceso de ADN, o por lo menos de ADN cuyas funciones se desconocen por completo. Por ejemplo, la estimación del ADN “innecesario” en los seres humanos llega a ser tan elevada como el 95% del genoma. EL MARCO DE LECTURA ¿De qué manera se leen los codones durante la síntesis proteica? Consideremos la siguiente secuencia de bases de un ARNm: 5’-----GUUCCCAUA----3’ Si comenzamos la lectura en la G situada hacia el extremo 5’, este mensaje podría ser traducido como una secuencia de tres aminoácidos (las palabras del código se leen de corrido, sin ningún “signo de puntuación” entre ellas): Valina - prolina - isoleucina ¿Cuál sería la traducción del mensaje si en cambio la lectura se iniciara en la primera U desde el extremo 5’? fenilalanina - prolina Con este simple ejemplo resulta evidente que el sitio de inicio de la traducción es de importancia capital para la correcta traducción del mensaje. ¿Qué determina que la lectura comience en el sitio correcto? Los ARNm portan un codón, el AUG (codifica metionina), que es interpretado por los ribosomas como codón de iniciación. Este codón da el marco o cuadro de lectura que será empleado de allí en más. En adelante, el ribosoma se desplazará a lo largo del ARNm en bloques consecutivos de tres bases, garantizando la lectura de los codones apropiados. Las mutaciones que implican ganancia o pérdida de un nucleótido resultan más destructivas que las sustituciones, pues al modificar el marco de lectura, alteran por completo el mensaje. Por último hemos de señalar que el código es leído sin solapamiento. Esto significa que cada nucleótido del mensaje es utilizado como componente de un solo codón (aunque nuevamente existen excepciones). EL CÓDIGO GENÉTICO Características del Código Genético EL CÓDIGO GENÉTICO CONSTA DE 64 CODONES O TRIPLETES DE BASES.61 CODONES CODIFICAN AMINOÁCIDOS. 3 CODONES FUNCIONAN COMO SEÑALES DE TERMINACIÓN. EL CÓDIGO NO ES AMBIGUO, PUES CADA CODÓN ESPECIFICA A UN SOLO AMINOÁCIDO. EL CÓDIGO ES DEGENERADO, YA QUE UN AMINOÁCIDO PUEDE ESTAR CODIFICADO POR DIFERENTES CODONES. ES UNIVERSAL, DEBIDO A QUE SUS MENSAJES SON INTERPRETADOS DE LA MISMA FORMA POR TODOS LOS ORGANISMOS. UTILIZA UN MARCO DE LECTURA ESTABLECIDO AL INICIO DE LA TRADUCCIÓN Y NO LO MODIFICA. NO SE PRODUCE SOLAPAMIENTO DE CODONES. Hemos visto que los genes son segmentos de ADN situados en los cromosomas, que se comportan como unidades de transcripción. Hemos señalado también que muchos de los ARN transcriptos son productos celulares finales con función propia (al margen de las modificaciones postranscripcionales que requieran para completar su maduración), es decir que, en alguna medida, la transcripción es un paso terminal de la expresión de ciertos genes. Sin embargo, sabemos que muchos otros genes contienen la información necesaria para especificar la secuencia de aminoácidos de las tantas proteínas que una célula es capaz de sintetizar. En estos casos, la transcripción es tan sólo el primer paso de la expresión genética. Los ARN obtenidos, ARN mensajeros, son, como su nombre lo indica, meros transportadores de información que aún debe ser decodificada, información que debe traducirse en la síntesis de una proteína. La traducción es el segundo paso de la expresión genética. ¿De qué manera la estructura de una molécula de ARNm lleva implícita la información para construir una proteína? La información reside en la secuencia de basesy está “escrita” en un código propio al que llamamos código genético. Muchas de las características del código genético fueron anticipadas en forma teórica a partir del descubrimiento del ARNm. Pero en el año 1961, Nirenberg y Matthaei desarrollaron una técnica que abrió el camino para que en los siguientes cuatro años el código genético fuera enteramente descifrado. Podemos pensar al código genético como un idioma. Los idiomas utilizan una cierta cantidad de letras, éstas se combinan para formar palabras, y cada palabra tiene un significado, designa a un objeto particular. En el código genético están presentes todos estos elementos: las letras son las 4 bases que forman las cadenas de ARN (A, U, C, G); las palabras son siempre agrupaciones de 3 letras o tripletes de bases, llamadas codones en la molécula del ARNm, y los objetos designados por dichas palabras son cada uno de los 20 aminoácidos que componen las proteínas. ¿Por qué las palabras-codones se forman con 3 bases? Si cada palabra constara de 1 base, habría 4 palabras, y si se formara con 2, las palabras posibles serían 16. En ninguno de los casos alcanzarían para designar a todos los aminoácidos. Pero se pueden obtener 64 combinaciones diferentes si las bases se combinan de a 3; 64 codones son más que suficientes para nombrar a los 20 aminoácidos. ¿Cuál es la función de los 44 codones restantes? Así como en cada idioma existen palabras distintas con un mismo significado, el código genético emplea codones diferentes para nombrar a un mismo aminoácido. La mayoría de los aminoácidos están codificados por más de 1 codón: existen codones sinónimos. La presencia de codones sinónimos en el código genético habla de una degeneración, característica que, lejos de resultar desventajosa, reporta a las células sus beneficios. Los codones sinónimos son muy similares entre sí, por lo tanto la sustitución de una sola base en un codón frecuentemente da por resultado otro codón que especifica al mismo aminoácido. Por otra parte, aminoácidos de propiedades semejantes son codificados por codones semejantes. Si en una proteína se reemplaza un aminoácido hidrófobo por otro de iguales características a consecuencia de una mutación, las chances de que el cambio sea viable son mayores. Esta flexibilidad del código no debe confundirse con ambigüedad: el código no es ambiguo, en tanto cada codón especifica a uno y sólo a un aminoácido. Así no da lugar a error en el momento de ser traducido. Los codones que codifican aminoácidos suman en total 61. Los 3 codones que no especifican ningún aminoácido, UGA, UAG y UAA, actúan como señales de terminación en la traducción o síntesis de proteínas. Son llamados codones de terminación o stop. La tabla del código que se halla a continuación es válida para los seres vivos más diversos: el hombre, las bacterias, las levaduras, las plantas. El código genético es universal, lo cual da prueba de que todos los organismos comparten un mismo origen. Una de las contadas excepciones a la universalidad del código es el ADN mitocondrial, en el cual algunos codones son leídos de manera diferente. DUPLICACIÓN O REPLICACION DEL ADN CARACTERÍSTICAS DE LA DUPLICACIÓN DEL ADN Aunque los principios generales de la duplicación o replicación del ADN son sencillos y pueden considerarse como consecuencia directa de su estructura, el proceso requiere una maquinaria compleja que contiene una gran cantidad de enzimas y proteínas que actúan en conjunto. 1. MÚLTIPLES PUNTOS DE ORIGEN Los cromosomas eucariontes tienen una gran cantidad de ADN, el cual se halla contenido en dos moléculas lineales, una para cada cromátide. Si estas moléculas se replicasen a partir de un sitio único de origen, la etapa “S” de la Interfase sería extremadamente larga. Las células eucariontes resuelven este problema disponiendo de múltiples sitios de origen de la replicación en cada cromosoma. En ellos, el ADN presenta secuencias especiales de nucleótidos. Además todos los orígenes tienen en común secuencias conservadas de aproximadamente doce pares de nucleótidos, llamados ARS (autonomus replication secuence). 2. DESENROLLAMIENTO DE LAS CADENAS DE ADN En cada cromosoma, las dos cadenas del ADN se encuentran arrolladas una a la otra como los hilos de una soga. Si tratamos de separarlas, la soga debe apretarse más en las vueltas restantes o girar. Algo similar ocurre en el ADN, cuando las cadenas complementarias se separan para iniciar la duplicación. En ese momento aumenta la tensión torsional en el sector no duplicado de la doble hélice. El desenrollamiento es realizado por las enzimas ADN-helicasas, las cuales recorren la hélice desenrollando las hebras del ADN a medida que avanzan. Una vez separadas, las cadenas se combinan con las proteínas SSB, llamadas también proteínas desestabilizadoras, que evitan el autoapareamiento entre las bases complementarias libremente expuestas A medida que la enzima helicasa abre la doble hélice, dos enzimas complementarias: la topoisomerasa I y la topoisomerasa II o girasa, van disminuyendo la tensión torsional acumulada por el superenrollamiento en el sector no replicado de la doble hélice. La topoisomerasa I primero corta una de las cadenas del ADN, luego la cadena cortada gira una vuelta en torno a su propio eje y finalmente vuelve a unir los extremos cortados. La topoisomerasa II corta las dos cadenas, las cuales luego de girar una vuelta alrededor del eje de la doble hélice, restablecen sus uniones. Ambas enzimas utilizan energía del ATP y se comportan como nucleasas (cortando las cadenas de ADN) y luego como ligasas (restableciendo las uniones fosfodiéster). Las topoisomerasas I y II se diferencian no sólo porque la primera corta una de las cadenas y la segunda corta las dos, sino también porque la topoisomerasa I realiza desenrollamientos de corto alcance y la girasa abarca una extensión de ADN bastante mayor. 3. LA DUPLICACIÓN DEL ADN ES BIDIRECCIONAL Al abrirse la doble hélice se forma una “burbuja” de replicación, cuyo tamaño aumenta a medida que avanza la separación de las dos cadenas del ADN, fenómeno que se produce en ambos extremos de la burbuja en forma simultánea. Se establece de este modo, en cada uno de los extremos, una estructura en forma de Y, a la que llamamos horquilla de replicación, cuyos brazos representan a las cadenas ya separadas de ADN y el tronco la doble hélice en vías de separación. Así cada burbuja tiene dos horquillas de replicación que a partir de un punto de origen común avanzan en direcciones opuestas. Las horquillas desaparecen cuando se van integrando a las burbujas contiguas. Las horquillas que recorren los telómeros desaparecen cuando se separa el último par de nucleótidos. El segmento de ADN que se sintetiza a partir de un origen de replicación (con sus dos horquillas), lo llamamos replicón. De este modo la replicación del ADN termina cuando se ensamblan los sucesivos replicones. Esto permite que el ADN se sintetice en un tiempo bastante breve para el ciclo de vida de una célula. 4. LA SÍNTESIS DE ADN ES DISCONTINUA Una de las características de las ADN-polimerasas es que sólo pueden actuar en dirección 5’ 3’, por agregado de nucleótidos en el extremo 3’ de las cadenas nuevas. Como vimos, a medida que se separan las cadenas progenitoras en la horquilla de replicación, una presenta sus nucleótidos en dirección 5’ 3’ y la otra en dirección 3’ 5’. De manera que la primera al ser copiada debería formar una cadena hija en sentido 3’ 5’, algo que las polimerasas no pueden hacer. Las células solucionan esta situación utilizando estrategias distintas en la construcción de cada una de las nuevas cadenas. La cadena hija que se formó en dirección 5'3’ se construye en forma continua mediante el agregado de nucleótidos en el extremo 3’ a medida que avanza la horquilla de replicación. En cambio la otra cadena hija es sintetizada de manera discontinua, en pequeños tramos, llamados fragmentos de Okazaki, los cuales se unen entre sí a medida que se sintetizan, por acción de la enzima ADN-ligasa. Por lo expuesto, podemos decir que la síntesis del ADN es un proceso bidireccional, no sólo porque se produce en dos direcciones divergentes a partir de una misma burbuja de replicación, sino también porque las cadenas de la doble hélice son sintetizadas en direcciones opuestas. 5. MODELO SEMICONSERVATIVO Como las nuevas hélices de ADN están formadas por una cadena original (preexistente) que sirvió de molde y una cadena nueva (recién sintetizada) decimos que el mecanismo de replicación es semiconservativo. INICIO DE LA SÍNTESIS DE ADN Para iniciar la síntesis de las cadenas complementarias se requiere además del ADN molde un cebador o primer , que consiste en una pequeña cadena de ARN de unos diez nucleótidos de largo. La síntesis del cebador es catalizada por una enzima llamada ARN-primasa y. el cebador queda unido al ADN temporariamente. Unavez sintetizado el cebador la síntesis continúa si la ADN-polimerasa tiene disponibles suficientes desoxirribonucleótidos trifosfatados (dATP, dGTP, dCCP y dTTP). Éstos se agregan en la cadena nueva de acuerdo a la secuencia de nucleótidos de la cadena que sirve de molde. Gran parte de la energía requerida durante la replicación la aportan los desoxirribonucleótidos trifosfatados, que hidrolizan los últimos dos grupos fosfato (liberando energía) cuando se unen entre sí. Al iniciarse la síntesis continua del ADN, en cada origen se forman dos cebadores orientados divergentemente uno en cada cadena de la doble hélice y a continuación la ADN-polimerasa cataliza la síntesis de la cadena continua agregando nucleótidos en el extremo 3’ de la hebra en formación. Mientras tanto los cebadores son removidos por una nucleasa reparadora y su lugar es reemplazado por un fragmento de ADN equivalente sintetizado por la ADN-polimerasa . Como vimos la cadena continua requiere un solo cebador que se forma a comienzo de la replicación, en cambio la cadena discontinua necesita muchos cebadores, uno para cada fragmento de Okazaki. La enzima responsable de la síntesis discontinua es la ADN-polimerasa . Cabe señalar que las ADN-polimerasas son sostenídas por un anillo proteico llamado PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen) mientras realiza el deslizamiento por la cadena de ADN Los fragmentos de Okazaki alcanzan una longitud de 200 nucleótidos. Una vez completa la síntesis de un fragmento ambas enzimas se liberan y vuelven juntas hacia el ángulo de la horquilla de replicación, dejando atrás los 200 nucleótidos del segmento que acaban de sintetizar y otros tantos del ADN molde que se usará para copiar el próximo fragmento de Okazaki. Como ocurre con la polimerasa d en movimiento, la ADN-polimerasa a no se desprende del ADN debido a que se le asocia un aro de PCNA. Luego el cebador es hidrolizado por una nucleasa, la que se encarga también de reparar errores (segundo sistema de reparación) y los huecos son rellenados con desoxirribonucleótidos por la ADN-polimerasa . Finalmente los fragmentos de Okazaki son unidos por la ADN-ligasa. La discontinuidad de la síntesis hace que la hebra mal orientada crezca más lentamente que la otra, que lo hace en forma continua, por esta razón se les asignó el nombre de cadena rezagada y cadena adelantada respectivamente. Replicación de la heterocromatina La heterocromatina por estar muy compactada se replica tardíamente durante la fase “S” del ciclo celular. Síntesis de histonas Hemos señalado que el ADN se replica en forma semiconservativa, es decir que las cadenas de la doble hélice progenitora, al separarse para su replicación, se comparten por igual en ambos cromosomas hijos. En cambio no se sabe como se segregan las histonas. Es posible que al cabo de la replicación sean heredadas totalmente por uno de los cromosomas hijos, en este caso el otro cromosoma hijo debe procurarse de la totalidad de histonas nuevas. En su mayor parte las histonas se sintetizan durante la fase “S” de la interfase y se incorporan al cromosoma apenas es duplicado el ADN REPLICACIÓN EN PROCARIONTES Muchas de las características esenciales de la duplicación del ADN son universales, aunque existen algunas diferencias entre procariontes y eucariontes debido a que su material genético está organizado de manera distinta. En las bacterias casi todo el ADN se encuentra formando una cadena circular, en cambio en los eucariontes cada cromosoma no duplicado contiene una cadena lineal asociada a una gran cantidad de proteínas y algo de ARN. En procariontes al existir un único punto de origen se forma sólo un ojal de replicación. Aquí actúan tres ADN-polimerasas: ADN-polimerasa I, es la que elimina el cebador y reemplaza los ribonucleótidos de éste por desoxirribonucleótidos, rellenando los huecos dejados por la ADN-polimerasa II. Adiciona 10 nucleótidos/seg. ADN-polimerasa II, tiene actividad de nucleasa, es decir que retira nucleótidos de la cadena de ADN en los sitios donde se produjeron errores o desemparejamientos. ADN-polimerasa III, es la enzima responsable de alargar las cadenas en el proceso de replicación. Adiciona 500 nucleótidos/seg. - MÚLTIPLES FUNCIONES DE LAS ADN-POLIMERASA EN E. COLI POLI. I Y POLI. III · SÍNTESIS DE ADN EN SENTIDO 5’ 3’ · EXONUCLEASA EN SENTIDO 3’ 5’ · CORRECCIÓN DE ERRORES, REMOVIENDO NUCLEÓTIDOS EN SENTIDO 5’ 3’ POLI. I · EXONUCLEASA EN SENTIDO 5’ 3 - PRINCIPALES ENZIMAS QUE ACTUAN EN LA REPLICACIÓN ENZIMAS reacciones que catalizan ADN-POLIMERASA I (PROCARIONTES) elimina el cebador, reemplazando los ribonucleótidos por desoxirribonucleótidos. rellena los huecos del adn. ADN-POLIMERASA II (PROCARIONTES) nucleasa, corrige errores. ADN-POLIMERASA III (PROCARIONTES) principal enzima de la replicación. sintetiza la cadena nueva a partir del cebador. realiza corrección de pruebas. ADN-POLIMERASA (EUCARIONTES) sintetiza los fragmentos de adn discontinuos a partir del cebador. ADN-POLIMERASA (EUCARIONTES) rellena los huecos dejados por el cebador y repara errores como un segundo sistema de reparación. ADN-POLIMERASA (EUCARIONTES) sintetiza la hebra continua a partir del cebador y realiza lecturas de prueba. HELICASAS rompen los puentes de hidrógeno, separando las cadenas del adn. PRIMASAS sintetizan el primer o cebador. PROTEÍNAS SSB se extienden sobre las hebras del adn evitando autoapareamientos entre las bases libremente expuestas TOPOISOMERASAS I Y II corrigen el superenrollamiento EL PROCESO DE LA TRANSCRIPCIÓN La transcripción consiste en la síntesis de ARN a partir de un molde de ADN. A continuación realizaremos una descripción general del proceso de transcripción tomando en cuenta los aspectos comunes a la síntesis de los distintos tipos de ARN. La transcripción, tanto en células procariotas como eucariotas, involucra la participación de una enzima ARN polimerasa ADN dependiente. Ésta sintetiza una cadena de ARN cuyos inicio, terminación y secuencia de bases vienen determinados por el propio gen. El primer paso de la transcripción es la unión de la enzima ARN polimerasa a una región del gen llamada promotor. El promotor es una secuencia específica de bases con alta afinidad por la enzima, por lo que proporciona a la misma su sitio de unión al ADN. Es asimismo una señal que indica cuál cadena se ha de transcribir. La transcripción es asimétrica, pues usualmente sólo se transcribe una de las dos cadenas que forman cada gen. La cadena que actúa comoplantilla es la cadena molde, negativa o no codificante; la hebra no transcripta, complementaria de la anterior, se denomina antimolde, positiva o codificante. La ARN polimerasa se desplaza sobre la cadena molde, recorriéndola en dirección 3’ => 5’ o “río abajo” y transcribiéndola a partir del nucleótido que el promotor señala como punto de inicio de la transcripción. Este nucleótido se nombra +1 y los siguientes, río abajo, siguen la numeración correlativa (+2, +3, etc.). Partiendo desde el punto de inicio en la dirección contraria, es decir “río o corriente arriba”, los nucleótidos se numeran –1, -2, etc. La ARN polimerasa sólo puede desplazarse y transcribir si previamente la doble hélice sufre un desenrollamiento y fusión (separación de las cadenas complementarias por ruptura de los puentes de hidrógeno entre las bases). La misma enzima cataliza ambos procesos, generando hacia el extremo 3´ una burbuja de transcripción, un tramo de aproximadamente 12 nucleótidos de longitud, en el cual las cadenas permanecen desapareadas. La burbuja de transcripción aparenta avanzar río abajo junto con la enzima, pues a medida que progresa la fusión por delante de ella, la doble hélice se recompone por detrás. La formación de la burbuja causa una supertorsión o superenrollamiento de la doble hélice en los sectores ubicados hacia el extremo 5’ del molde. Este fenómeno es corregido por la acción de una enzima topoisomerasa I. Cuando el molde ya ha sido desapareado en la burbuja de transcripción y expone sus bases, éstas son reconocidas por la ARN polimerasa. A medida que la enzima “lee” la plantilla, coloca junto a cada base de la misma el ribonucleótido trifosfato portador de la base complementaria. A los desoxirribonucleótidos de A, T, C y G se le aparean, respectivamente, los ribonucleótidos de U (recordemos que el ARN no contiene T), A, G y C mediante puentes de hidrógeno. Una vez ubicados los dos primeros ribonucleótidos, la enzima cataliza la formación del puente fosfodiéster entre ambos, iniciándose la cadena de ARN El enlace fosfodiéster se produce entre el hidroxilo en posición 3’ del primer nucleótido y el grupo fosfato interno, en posición 5’, del segundo. Un grupo pirofosfato de este último es liberado como producto y escindido rápidamente en dos fosfatos por la acción de una pirofosfatasa. Dicha ruptura es tan exergónica que la reacción inversa se torna prácticamente imposible. Así, desde el punto de vista termodinámico, se favorece la síntesis de la nueva cadena. Por lo tanto, son los mismos sustratos los que, por estar trifosfatados, aportan la energía necesaria para su polimerización. Este procedimiento se repite tantas veces como nucleótidos contenga el molde, de tal manera que el ARN va creciendo en forma antiparalela a aquél, es decir, desde su extremo 5’ (el que quedó libre en el primer nucleótido) hasta su extremo 3’ (que quedará libre en el último nucleótido añadido). La dirección de la síntesis del ARN es 5´ => 3´. Siempre los nucleótidos recién incorporados al ARN forman una hélice corta ARN-ADN con su plantilla. Esta hélice híbrida es transitoria, pues conforme el polímero se alarga por su extremo 3’, el extremo 5’ se separa del molde, el cual vuelve a emparejarse con su hebra de ADN complementaria. La transcripción concluye cuando la ARN polimerasa alcanza una señal (una secuencia específica de bases del ADN) que actúa como señal de terminación. El producto obtenido, un ARN transcripto primario, resulta una copia complementaria y antiparalela de una región del gen comprendida entre el punto de inicio y la señal de terminación. El transcripto primario repite la dirección y la secuencia (excepto porque lleva U en vez de T) de la hebra no copiada o antimolde, lo que justifica que a esta última se apliquen las denominaciones de hebra positiva o codificante. Es la cadena convencionalmente elegida para representar un gen. Cabe aclarar que al describir la transcripción en forma general, hemos omitido la mención de regiones reguladoras de los genes, bajo cuyo control se encuentran los acontecimientos analizados. Este aspecto del tema será desarrollado más adelante en el mismo capítulo. En el siguiente cuadro resumimos los requisitos de la transcripción: · Una molécula de ADN molde, con región promotora, que indica el inicio de la transcripción, con secuencia de terminación, que marca el fin del proceso, y un segmento que será expresado. · Una enzima ARN polimerasa que: -reconoce las secuencias señalizadoras, -abre la hélice, -lee el molde (de 3´a 5´), -reconoce y ubica los sustratos complementarios, -polimeriza los sustratos(de 5´a 3´). · Cofactores enzimáticos de la ARN polimerasa: Mg++ o Mn++. · Sustratos: UTP, ATP, GTP Y CTP. · Una fuente de energía: los mismos sustratos. · Una pirofosfatasa. · Una topoisomerasa I. · Una topoisomerasa I. A partir de distintos genes se transcriben diferentes clases de ARN: ARN mensajero(ARNm),ARN de transferencia(ARNt),ARN …………ribosómico(ARNr),ARN pequeños nucleares y citoplasmáticos (ARNpn/ARNpc respectivamente). SI BIEN EL PROCESO TRANSCRIPCIONAL ES BÁSICAMENTE SIMILAR EN PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS, EXISTEN DIFERENCIAS QUE ,,,,,,,,,,,DETALLAREMOS A CONTINUACIÓN: EUCARIOTAS PROCARIOTAS 1- La transcripción es llevada a cabo por tres tipos de enzima ARN polimerasa, cada una especializada en la síntesis de los distintos tipos de ARN: La ARN polimerasa I transcribe genes del ADN nucleolar que codifican para los ARNr 45S La ARN polimerasa II transcribe genes del ADN no nucleolar que codifican para todos los ARNm y para la mayoría de los ARNpn. La ARN polimerasa III transcribe genes del ADN no nucleolar que codifican para los ARNt, los ARNr 5S,los ARNpc y para el resto de los ARNpn. 1- La transcripción es llevada a cabo por un solo tipo de ARN polimerasa que sintetiza las diversas clases de ARN. La ARN pol. bacteriana es un complejo proteico oligomérico constituido por cinco subunidades. Excepto la subunidad sigma (s), el resto conforma un núcleo enzimático. Todo el complejo constituye una holoenzima capacitada para leer las secuencias promotoras. 2- Las ARN polimerasas eucariotas no se unen al ADN molde en su sitio promotor si no están presentes proteínas denominadas factores basales de transcripción. Estos son específicos de cada polimerasa y se encuentran en todos los tipos celulares. Las células eucariotas también cuentan con factores de transcripción específicos los cuales relacionan a los factores basales con las regiones reguladoras de un gen. Los factores específicos controlan la tasa de transcripción de los genes. Cada tejido presenta una combinación particular de los mismos. 2- Si bien la ARN polimerasa bacteriana no re quiere de factores de transcripción, se considera a la subunidad s como un factor de inicio de la transcripción, ya que el núcleo enzimático despojado de la subunidades no puede por sí mismo leer adecuadamente las secuencias promotoras y efectuar la transcripción. 3- Cada ARN polimerasa reconoce una secuencia particular de nucleótidos o señal para la transcripción ,que es diferente para cada enzima. Por ejemplo la ARN polimerasa II, que trasncribe los genes que codifican para ARNm, reconoce varias secuencias de nucleótidos en el promotor, entre las cuales se encuentran las secuencias llamadas caja TATA o caja Hogness-Goldberg, caja CAAT y GC. Éstas secuencias se encuentran "río arriba" respecto del punto de inicio de la transcripción. El reconocimiento de dichas secuencias por parte de la ARN polimerasa II y los factores basales de transcripción son prerequisitos para iniciar la copia del gen. Cabe destacar que las secuencias consensoque reconocen las distintas ARN polimerasas y sus correspondientes factores basales difieren en composición y ubicación dentro del gen, esto significa que no siempre se localizan delante del promotor. CAAT--GGGCCGGG--GGGCCGGG-TATA--inico Promotor eucariota 3- La ARN polimerasa bacteriana también reconoce secuencias consenso indispensables para la unión de la holoenzima y la señalización del punto de inicio. Una de las secuencias más conocidas es la caja TATAAT o caja Pribnow y TTGACA, ubicadas siempre río arriba del punto de inicio de la transcripción. -35 -10 +1 5' -----TTGACA----TATAAT----inicio--3' Promotor procariota RESUMIENDO, LAS PRINCIPALES DIFERENCIAS EN LA TRANSCRIPCIÓN EN CÉLULAS PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS: · EXISTE UNA SOLA ARN POLIMERASA PROCARIOTA Y TRES ARN POLIMERASAS EUCARIOTAS. · LA ARN POLIMERASA PROCARIOTA NO REQUIERE FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN. LAS EUCARIOTAS REQUIEREN LA PRESENCIA DE FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN BASALES Y SU ACTIVIDAD ES REGULADA POR FACTORES DE TRANSCRIPCIÓN ESPECÍFICOS. · LAS SECUENCIAS SEÑALIZADORAS SON DIFERENTES. LA MAQUINARIA TRADUCCIONAL La traducción implica el funcionamiento coordinado de un gran número de moléculas entre las que se encuentran los distintos tipos de ARN. Una vez transcriptos cada ARN sufre una serie de modificaciones cuyas características difieren según hablemos de células procariotas y eucariotas. Describiremos cada ARN en general y luego sus variantes en ambos tipos celulares. ARNm (MENSAJERO) Los ARNm son moléculas lineales de cadena simple en donde residen las instrucciones para la elaboración de un producto proteico. Los ARNm eucariotas y procariotas son esencialmente iguales en el sentido que presentan, una vez listos para la traducción, una secuencia continua de codones que se extienden desde el principio al fin del mensaje genético dictando con exactitud la secuencia lineal de aminoácidos de una cadena polipeptídica en particular. Esta secuencia se lee en la dirección 5'® 3'. El principio de la secuencia presenta un codón iniciador (casi siempre AUG), y el final de la secuencia o región codificadora es un codón de terminación o stop (UGA, UAA, UAG). Además de la región codificadora presenta sectores extra en los extremos 5' y 3' del mensajero denominados secuencias directora y seguidora respectivamente. Estas regiones no se traducen en proteína aun cuando forman Existen diferencias entre los ARNm procariota y eucariota ARNm PROCARIOTA 1-Los ARNm procariotas presentan las secuencias codificadoras continuas, pues carecen de intrones. 2-No sufren modificaciones post-transcripcionales. 3-Muchos ARNm procariotas son policistrónicos, es decir que una sola molécula de ARNm contiene información para varias proteínas. Este ARNm contiene codones para la terminación y para la iniciación de la traducción entre las secciones codificadoras de proteínas, de modo que se traduce como varias moléculas de proteína distintas. parte del ARNm transcripto del gen. ARNm EUCARIOTA 1- La mayoría de los ARNm eucariotas presentan la secuencia del mensaje interrumpida, es decir coexisten a lo largo de la molécula sectores que codifican para la proteína llamados EXONES, con secuencias intercaladas sin información denominadas INTRONES 2- Los ARNm transcriptos primarios sufren una serie de modificaciones antes de salir al citoplasma como ARNm maduro. Algunos cambios consisten en el agregado de moléculas en los extremos 5' y 3' llamados capping y poliadenilación. Capping: Ésta es la denominación del proceso por el cual se adiciona en el extremo 5' del ARNm una molécula de 7 metil-guanosina (un nucleótido metilado) a la que se conoce como cap (del inglés, capuchón). Ésta molécula se agrega al ARNm naciente cuando éste alcanza, aproximadamente, los 30 nucleótidos de longitud. Por ser esta modificación simultánea a la transcripción se la considera co-transcripcional. La cap impide la degradación del ARNm inmaduro por nucleasas y fosfatasas nucleares. También participa en la remoción de intrones y en el inicio de la traducción. Poliadenilación: Este proceso consiste en el agregado de alrededor de unas 250 adenosinas o cola poli A , en el extremo 3' del ARNm. El ARNm presenta una secuencia de nucleótidos específica AAUAAA conocida como señal de poliadenilación. Una nucleasa corta al pre-ARNm a unos 20 nucleótidos después de la señal. Una vez liberado el pre-ARNm, la enzima POLIA-POLIMERASA le agrega las adenosinas de a una por vez. Por otra parte la ARN pol II continúa transcribiendo un tramo más del molde, para finalmente disociarse del gen. Este último tramo de ARN es totalmente infructuoso, pues resulta rápidamente degradado por nucleasas y fosfatasas. Las funciones de la cola poli A son: proteger el extremo 3' de la degradación y ayudar a los ARNm a salir del núcleo. Carecen de cola poli A los ARNm de histonas, dado que como ya se mencionó, no presentan la señal de poliadenilación. Otra excepción la ejemplifican algunos genes que presentan más de una señal de poliadenilación. Cuando así ocurre, el mismo gen puede ser transcripto en dos productos diferentes, dependiendo de cuál sea la señal reconocida. Otra modificación significativa afecta a la secuencia codificadora, que sufre un acortamiento producto de la eliminación de los intrones, quedando como producto final los exones empalmados en secuencia continua. Este tipo de procesamiento se llama empalme (splicing) y fue descubierto en 1977. Para que se lleve a cabo este tipo de maduración del pre-ARNm se necesita una batería de ribonucleoproteínas nucleares: las RNPpn ( snRNP, del inglés, small nuclear ribonucleoprotein). Estas partículas ricas en uridinas y diversas proteínas se denominan U1, U2, U4, U5, U6 y se combinan de a una por vez en los extremos de cada intrón (lindantes a sendos exones). El complejo resultante del ensamblado de las distintas RPNpn se denomina espliceosoma. La actividad enzimática residiría en los ARNpn del espliceosoma. Éstos serían los responsables de reconocer las secuencias señalizadoras de corte, escindir a los intrones y empalmar a los exones entre ellos, produciendo una molécula de ARNm maduro. Mecanismo molecular del splicing El corte de intrones y el empalme de exones deben ser muy exacto, pues de lo contrario un error pequeño, causaría un corrimiento del marco de lectura del ARNm. Los intrones son clivados del transcripto primario por las RNPpn que reconocen cortas secuencias conservadas dentro del intrón y en los límites con los exones. Estas secuencias, muy similares en todos los intrones estudiados, son: · Secuencia GU en el extremo 5' o sitio dador · Secuencia AG en el extremo 3' del intrón o sitio aceptor · Secuencias conocida como sitio de ramificación que se localiza en el interior del intrón Estas secuencias participan en las reacciones de clivado y empalme que ocurren en dos etapas: En la primer etapa, una RNPpn reconoce al sitio dador y otra se enlaza al sitio de ramificación. El extremo 5' es clivado y l igado a un nucleótido(A) del sitio de ramificación. En la segunda etapa, se da el reconocimiento del extremo 3’ por parte de otra RNPpn y se produce el corte en el extremo 3' del intrón, seguido por el empalme de los dos exones. Así se libera el ARNm maduro del espliceosoma. El intrón queda eliminado en forma de lazo y será degradado posteriormenteen el núcleo. Como citáramos anteriormente, la presencia del capuchón en el extremo 5' es requerida para que las RNPpn trabajen, no así la cola poli A. 3- Los ARNm maduros son monocistrónicos, es decir el sector codificador dicta la secuencia para una sola cadena polipeptídica. ARNt (TRANSFERENCIA) Los ARNt son moléculas "adaptadoras" ya que interactúan por un lado con la cadena polinucleotídica (ARNm) y por el otro con los aminoácidos que formarán parte de la cadena polipeptídica, así alinean a los aminoácidos siguiendo el orden de los codones del ARNm. Cada ARN t es una molécula de 70 a 93 ribonucléotidos. Enlaces puente hidrógeno entre sus bases repliegan la molécula dando origen a una disposición espacial en forma de trébol (Fig.11.15). Cada brazo presenta una zona de doble cadena y un asa o buc le de cadena simple sin apareamiento de bases. Interacciones posteriores doblan la estructura de trébol formando una "ele". ¿Por qué existen 64 codones y aproximadamente 31 ARNt, si en la naturaleza hay 20 aminoácidos ? Existen 64 combinaciones posibles en que las 4 bases pueden ordenarse en tripletes o codones. De ellos, 3 son codones stop. Los 61 tipos restantes codifican para los 20 aminoácidos, existiendo para varios de ellos codones sinónimos (ver tabla 11.2). Los anticodones de los ARNt reconocen a los codones del ARNm, sin embargo no hay 61 tipos distintos de ARNt porque no se requiere la complementaridad exacta entre los 3 nucleótidos del codón y el anticodón. En muchos casos, mientras coincidan las 2 primeras bases del codón, hay suficiente "balanceo"en la tercera posición para permitir el acoplamiento con más de un tipo de nucleótido en el anticodón, de manera que existen aproximadamente 31 tipos de ARNt. Por ejemplo el aminoácido fenilalanina es codificado por dos codones sinónimo: UUU / UUC. Sin embargo un solo anticodón AAG puede complementarse indistintamente con UUU y UUC, realizando el trabajo de llevar a la fenilalanina al ribosoma para ser incorporada a la cadena polipeptídica en formación . Todos los ARNt presentan un porcentaje significativo de bases poco frecuentes que surgen por modificación post-transcripcional de los cuatro ribonucleótidos estándar A, G, C y U En esta molécula se distinguen básicamente dos extremos: En el extremo 3' o extremo aceptor de la molécula se encuentra el trinucleótido CCA que representa el sitio de unión donde se liga el aminoácido. Esta unión es catalizada por una enzima aminoacil ARNt sintetasa específica y apropiada para cada uno de los 20 aminoácidos. En el otro extremo de la "ele" se localiza un triplete de nucleótidos conocido como anticodón, cuya secuencia varía en cada tipo de ARNt. Cada anticodón es complementario de un codón del ARNm, aunque podría acoplarse a más de un codón (sinónimo). Por lo hasta aquí expuesto, podemos concluir que el ARNt debe poseer varias propiedades específicas: · Debe ser reconocido por una aminoacil ARNt sintetasa que lo una al aminoácido correcto. · Debe tener una región que actúe como sitio de unión para el aminoácido. · Debe tener una secuencia complementaria (anticodón) específica para el codón del ARNm correcto. Las modificaciones que sufren los pre-ARNt son semejantes en procariotas y en eucariotas en cuanto en ambos se producen escisiones y modificaciones químicas, por ejemplo se elimina un dinucleótido 3' del precursor y se agrega el triplete CCA a los ARNt que no poseen todavía esta secuencia terminal. También aparecen bases raras (Fig.11.16) por modificación enzimática de nucleótidos estándar del ARNt precursor. Algunos genes para ARNt presentan un intrón que interrumpe la secuencia codificadora, él cual es removido post-transcripción. LOS ARN PEQUEÑOS Los ARN pequeños forman complejos con proteínas específicas dando lugar a la formación de partículas ribonucleoproteicas (RNP). Las RNP localizadas en el núcleo se denominan RNPpn: partícula ribonucleoproteica pequeña ( sn RNP/s: small -pequeña- /n: nuclear- RNP:ribonucleoproteica). Varios RNPpn conocidos como U1 a U6 participan en el procesamiento de los ARNm. Estas partículas forman un complejo multienzimático denominado espliceosoma, encargado de realizar cortes y empalmes en los ARNm transcritos primarios (splicing) . Las RNP localizadas en citoplasma se denominan RNPpc: partícula ribonucleoproteica pequeña citoplasmática (scRNP/s: small/ c:cytosolic-citosol- /RNP:ribonucleoproteica). La función más conocida de cualquier RNPpc es la que desempeña el complejo ARN /proteínas que componen la partícula de reconocimiento de la señal o SRP. Estas partículas participan en el reconocimiento de secuencias específicas de las proteínas de secreción, membranares y lisosomales, deteniendo su traducción hasta que el ribosoma en donde se están sintetizando se contacte con la membrana del retículo endoplasmático granular, en donde finalizan su traducción. ARNr (RIBOSÓMICO) Los ARNr, junto a proteínas, son los componentes de los RIBOSOMAS. Los ribosomas y los ARNt intervienen en la traducción de la información codificada en el ARNm por lo cual los primeros son considerados fábricas de proteínas. Cada ribosoma consta de dos subunidades: la subunidad MAYOR y la subunidad MENOR La subunidad mayor contiene una depresión en una de sus superficies, en la cual se ajusta la subunidad menor. El ARNm se inserta en el surco formado entre las superficies de contacto de las subunidades. (Fig. 11.19). Dentro de cada ribosoma hay dos huecos llamados sitios A (AMINOACÍDICO) y P (PEPTIDÍLICO), para el ingreso de los ARNt unidos a sus correspondientes aminoácidos. (Fig. 11.20) Las subunidades ribosómicas trabajan conjuntamente para la síntesis proteica. La subunidad menor aloja al ARNm sobre el cual se acomodan los ARNt para que puedan unirse los aminoácidos que transportan. La subunidad mayor cataliza la unión peptídica de los aminoácidos gracias a la acción de la peptidil transferasa ( enzima que forma parte de la estructura de esta subunidad). [1] Si bien cumplen idéntica función, los ribosomas procariotas y eucariotas se diferencian en su tamaño, coeficiente de sedimentación [2] , y en el tipo y número de moléculas de ARNr y proteínas que los forman: Todos los ARNr procariotas y eucariotas sufren modificaciones post-transcripción. En eucariotas los ARNr 18S; 5,8S y 28S son transcriptos de un mismo gen que codifica para un pre-ARNr 45S. La síntesis del este transcripto primario se realiza en la zona fibrilar del nucléolo a partir de la ARN pol I. Una vez obtenido el largo transcripto primario, se eliminan las secuencias espaciadoras(tramos de ARN inútiles para integrar la estructura ribosómica), las que serán degradadas por enzimas. Las secuencias resultantes utilizables de ARNr (28S, 18S y 5,8S) son metiladas y junto con ARNr 5S extranucleolar, se ensamblan a proteínas importadas del citoplasma para conformar la subunidades ribosómicas (Fig. 11.22). Las subunidades ribosómicas en distintos estadios de ensamblaje, se localizan en la periferia del nucléolo, conformando la zona granular del mismo. Finalmente, las subunidades ribosómicas por separado y antes de completar sus respectivos ensambles, son exportadas al citoplasma a través del complejo del poro, concluyendo el procesamiento de cada subunidad en el citosol. Respecto del ARNr 5S no transcripto en el nucléolo, una vez sintetizado se incorpora al resto de los componentes para conformar la subunidad mayor del ribosoma (Fig.11.23). http://genomasur.com/lecturas/Guia11.htm#_ftn1 http://genomasur.com/lecturas/Guia11.htm#_ftn2 ELPROCESO DE LA TRADUCCIÓN O SÍNTESIS PROTEICA La síntesis proteica consiste en la traducción de la información codificada en la secuencia de nucleótidos del ARNm, en la secuencia correspondiente de aminoácidos en una cadena polipeptídica. La síntesis proteica se lleva a cabo en los RIBOSOMAS y si bien en esencia es un proceso similar en todos los organismos, la maquinaria traduccional es más compleja en eucariotas. La síntesis proteica incluye las siguientes etapas: 1. ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS O AMINOACILACIÓN 2. TRADUCCIÓN DEL ARNm ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 1. ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS Antes de la traducción cada ARNt se engancha a su aminoácido específico. Esta reacción de aminoacilación es catalizada por las enzimas aminoacil ARNt sintetasas. Existen 20 tipos distintos de enzimas, una para cada aminoácido. El proceso de aminoacilación ocurre en dos etapas: a- En la primera fase se utiliza la energía de la hidrólisis del ATP para unir cada aminoácido a un AMP, con un enlace de alta energía. Esta reacción da origen a un complejo intermediario denominado aminoacil- AMP: b- Sin abandonar la enzima, se transfiere el aminoácido del complejo aminoacil-AMP al ARNt específico, con lo cual se origina la molécula final: AMINOACIL –ARNt En resumen, la aminoacilación o activación de los aminoácidos tiene dos funciones : 1- proporcionar el primer paso en la traducción del mensaje genético a una secuencia de aminoácidos ; 2- activar al aminoácido antes de incorporarlo a la proteína. El enlace entre el ARNt y el aminoácido libera al hidrolizarse la energía necesaria para propulsar la formación del enlace peptídico durante la traducción. 2. TRADUCCIÓN El mecanismo por el cual se traduce el mensaje del ARNm puede describirse en tres etapas: · Iniciación · Elongación · Terminación En todas las fases se requiere la presencia de un complejo sistema de proteínas citoplasmáticas conocidas como factores de iniciación, factores de elongación y factores de terminación respectivamente. Dichos factores son diferentes en procariotas y eucariotas aunque sus funciones son semejantes. INICIACIÓN DE LA TRADUCCIÓN En esta etapa se reúnen los componentes que constituyen el complejo de iniciación, disparador de la síntesis proteica. El complejo está compuesto por una molécula de ARNm, una subunidad mayor, una subunidad menor, el ARNt iniciador (cargado con metionina en eucariotas y con N-formilmetionina en procariotas) y factores proteicos de iniciación (IF) . Dicho complejo comienza a formarse cuando se acoplan a la subunidad menor el ARNm y el aminoacil ~ARNt iniciador. No está claro cual de las dos moléculas se une primero la subunidad menor, pero ambas deben estar presentes antes que la subunidad mayor cierre el complejo originando un ribosoma completo y funcional (Fig. 11.26). La posible secuencia de acontecimientos durante la iniciación de la traducción en eucariotas es: 1. El aminoacil~ARNt iniciador se une a la subunidad menor, con gasto de GTP. 2. El ARNm se acopla a la subunidad menor , para lo cual debe ser previamente reconocida la cap y los nucleótidos contiguos en el extremo 5' del mensaje. 3. La subunidad menor se desliza sobre el ARNm hasta localizar al codón de iniciación AUG. Este modelo de selección propuesto para eucariotas difiere del modelo de emparejamiento descripto para procariotas, por el cual el acoplamiento de bases codón-anticodón iniciador se produciría por un emparejamiento de bases que preceden a AUG del ARNm con el extremo 3'del ARNr de la subunidad menor. 4. Una vez localizado y acoplado el anticodón al codón AUG del mensaje se establece la pauta de lectura correcta para el resto de los codones que contenga la región codificadora del ARNm. 5. Finalmente se acopla la subunidad mayor, quedando el aminoacil ~ARNt iniciador en el sitio P del ribosoma. Como todas las cadenas polipeptídicas han sido iniciadas por un ARNt iniciador, todas las proteínas recién sintetizadas tienen metionina (o N- formilmetionina en bacterias) como residuo amino terminal. En ambos casos la metionina inicial es eliminada por una aminopeptidasa específica. Cabe destacar que en eucariotas, en cuanto se han reconocido la cap y los nucleótidos aledaños que preceden a AUG en el extremo 5' del mensaje, ningún otro codón AUG del ARNm será utilizado como lugar de iniciación, por lo tanto de cada molécula de ARNm se sintetiza una sola cadena proteica. Los ARNm eucariotas son monocistrónicos. (Fig. 11.13 ). En procariotas, dado que la secuencia de iniciación puede aparecer varias veces a lo largo del mensaje, pueden originarse varias cadenas polipeptídicas a partir de un ARNm. La mayoría de los ARNm procariotas son policistrónicos. (Fig. 11.14 ). En conclusión, tres clases de interacciones determinan el inicio de la síntesis proteica: Reconocimiento del codón de iniciación AUG en la subunidad menor del ribosoma Acoplamiento de bases del codón AUG con el ARNt iniciador Acoplamiento de la subunidad mayor del ribosoma cerrando el complejo de iniciación Las principales diferencias en la iniciación de la traducción en procariotas y eucariotas son: Eucariotas Procariotas Modelo de selección: La subunidad menor se desliza sobre el ARNm hasta localizar al codón de iniciación. Modelo de emparejamiento: El acoplamiento de bases codón-anticodón iniciador se produciría por un emparejamiento de bases que preceden a AUG del ARNm con el extremo 3' del ARNr 16S de la subunidad menor. El ARNt iniciador transporta metionina. El ARNt iniciador transporta metionina formilada (N- formilmetionina). Se requiere la presencia de cap en el extremo 5'. No existe cap. La secuencia de iniciación aparece una vez a lo largo del mensaje (ARNm monocistrónico). La secuencia de iniciación puede aparecer varias veces a lo largo del mensaje(ARNm policistrónico). Participan factores de iniciación eIF (e= eucariota;I=iniciación;F=factor) específicos de este tipo celular Participan factores de iniciación IF (I=iniciación; F=factor) específicos de este tipo celular. ELONGACIÓN DE LA CADENA POLIPEPTÍDICA El proceso de elongación o crecimiento de la proteína puede resumirse en tres etapas: 6. Una molécula de aminoacil~ARNt ingresa al sitio A vacante del ribosoma (adyacente al sitio P que está ocupado) acoplándose por complementaridad de bases al segundo codón del ARNm expuesto en ese lugar. Esta reacción requiere la intervención de un factor de elongación y GTP. (Fig. 11.27) 7. El aminoácido iniciador se desacopla del ARNt del sitio P, liberando energía que se utiliza en la formación del enlace peptídico entre los dos aminoácidos alineados (reaccionan el carboxilo del primer aminoácido con el grupo amino del segundo aminoácido). Esta reacción es catalizada por una peptidil transferasaintegrante de la subunidad mayor. Como consecuencia de esta reacción el ARNt iniciador del sitio P queda sin aminoácido y el dipéptido resultante queda enganchado al ARNt del sitio A (peptidil ARNt). 8. El nuevo peptidil ARNt del lugar A es translocado al lugar P cuando el ribosoma se desplaza tres nucleótidos a lo largo de la molécula de ARNm. Esta etapa requiere energía y la presencia del un factor de elongación. Como parte del proceso de translocación la molécula libre de ARNt que se ha generado en el sitio P se libera del ribosoma, puesto que su lugarpasa a ser ocupado por el peptidil ARNt. Así el sitio A, que se halla desocupado, puede aceptar una nueva molécula de aminoacil~ARNt, con lo cual se vuelven a iniciar los pasos anteriormente analizados. Resumiendo, el ciclo de elongación de la síntesis se caracteriza por: La unión del aminoacil-ARNt (reconocido por el codón) La formación del enlace peptídico La translocación del ribosoma TERMINACIÓN DE LA SÍNTESIS PROTEICA 9. La finalización de la síntesis proteica ocurre ante la llegada, al sitio A del ribosoma, de uno de los tres codones stop o de terminación: UGA, UAG, UAA. Éstos son reconocidos por un factor de terminación. La asociación del codón stop con dicho factor modifica la actividad de la peptidil transferasa, la que adiciona agua al peptidil - ARNt en lugar de un nuevo aminoácido. 10. Como consecuencia de esta reacción el polipéptido se desacopla del ARNt, liberándose en el citoplasma. El ARNm se desacopla del ribosoma y se disocian las dos subunidades, las cuales podrán volverse a ensamblar sobre otra molécula de ARNm reiniciándose el proceso de traducción. Los acontecimientos que caracterizan a la terminación de la síntesis son : El reconocimiento del codón stop La disociación de las subunidades ribosómicas,el ARNm y la cadena polipeptídica. EL COSTO ENERGÉTICO DE LA SÍNTESIS PROTEICA La síntesis proteica requiere más energía que cualquier otro proceso anabólico. Para formar cada enlace peptídico se consumen tres enlaces de alta energía: · uno en la activación del aminoácido; · otro en la unión del aminoacil ~ARNt a la subunidad menor del ribosoma; · el tercero en la translocación del ribosoma. POLIRRIBOSOMAS En cuanto un ribosoma ha traducido una secuencia de aminoácidos suficientemente larga como para dejar libre el extremo 5' del ARNm, un nuevo ribosoma puede iniciar la traducción. Al grupo de ribosomas que traducen simultáneamente el mismo mensaje se lo denomina polirribosoma o polisoma. Los ribosomas en esta unidad estructural operan independientemente sintetizando una cadena polipeptídica completa. DIFERENCIAS EN LA TRADUCCIÓN EN PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS En eucariotas la envoltura nuclear y la maduración que sufren los ARNm impiden su traducción inmediata. El ARNm es "leído" después de que haya abandonado el núcleo a través de los poros nucleares. La traducción es por lo tanto post-transcripcional. En procariotas la traducción es simultánea a la transcripción, esto es, mientras se está terminando de transcribir el extremo 3', el extremo 5' libre del ARNm se asocia a un ribosoma y al ARNt iniciador comenzando la traducción. LA FIDELIDAD DE LA TRADUCCIÓN La precisión en la incorporación de los aminoácidos en la secuencia apropiada durante la síntesis proteica, depende básicamente de dos mecanismos: · La unión del aminoácido a su ARNt correspondiente o aminoacilación. En esta etapa la actividad correctora de las enzimas aminoacil - ARNt sintetasa minimizan los errores en la selección del aminoácido correcto. Muchas enzimas tienen dos sitios activos distintos, uno que lleva a cabo la reacción de carga, y otro que reconoce un aminoácido incorrecto que se haya colocado en el ARNt y lo libera por hidrólisis. · El apareamiento de bases codón - anticodón, donde una equivocación en la correspondencia de nucleótidos daría como resultado la incorporación del aminoácido incorrecto. En este punto de control participa un factor de elongación que forma un complejo con el aminoacil ARNt y el GTP; este complejo y no el ARNt libre es el que se une al codón correspondiente en el ARNm. Recién después del correcto apareamiento codón - anticodón, el factor se disocia posibilitando la unión del aminoácido a la cadena polipeptídica. Este retraso en la unión del aminoácido posibilita que se elimine el ARNt incorrecto, antes que el residuo aminoacídico que transporta pueda enlazarse a la proteína en crecimiento. TRADUCCION EN PROCARIOTAS TRADUCCION EN EUCARIOTAS REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA Regulación en procariotas: el operón Las células procariotas pueden regular de varias formas la cantidad de proteínas que van a ser sintetizadas. No obstante se considera que la expresión génica está regulada principalmente a nivel de la transcripción . La mayoría de los procariotas, tales como Esclerichia coli, están expuestos a una gran variedad de condiciones en su medio y exhiben una notable capacidad para adaptarse a las mismas, esto es consecuencia de una gran habilidad para regular la expresión de genes específicos que codifican aquellas moléculas que responden a los estímulos de su entorno. Así, esta capacidad de un organismo para regular la expresión de sus genes incrementa su aptitud para crecer y dejar progenie en cualquier tipo de condiciones ambientales. La síntesis de transcriptos de genes y proteínas requiere un considerable gasto de energía. Si se "apaga" la expresión de estos genes (cuando sus productos no son necesarios). Un organismo puede evitar gastar energía o utilizarla en vías metabólicas de moléculas que maximicen la tasa de crecimiento en su medio circundante. ¿Cuáles son los mecanismos por los cuales estos organismos regulan la expresión de genes en respuesta a cambios en el ambiente? En bacterias, los genes que codifican para la síntesis de enzimas que participan en una vía metabólica, se agrupan en el cromosoma en un complejo denominado OPERÓN. Todos los genes del operón actúan como unidades coordinadas mediante un mecanismo de control descripto por primera vez por Jacob y Monod en 1961. Un operón típico consta de: · Genes estructurales : son los genes que codifican para las enzimas de la vía metabólica. Tienen la particularidad de situarse próximos entre sí, de manera tal que son transcriptos en una sola molécula de ARNm policistrónico. Cuando éste se traduce se obtienen las diferentes enzimas de la vía metabólica. · Promotor: como analizáramos anteriormente, es la secuencia de nucleótidos del ADN en donde se une la ARN polimerasa para iniciar la transcripción. · Operador : es una secuencia de nucleótidos que se interpone entre el promotor y los genes estructurales, en donde se inserta una proteína reguladora denominada proteína represora. La proteína represora es codificada por el gen regulador, localizado en una región distinta del cromosoma bacteriano, aguas arriba del sitio operador. Uno de los ejemplos de operón más conocido es el operón lac. Este es un conjunto de genes que intervienen en la utilización de la lactosa, por parte de la bacteria, como fuente de energía. Las tres enzimas que intervienen en la vía de degradación de la lactosa son: la enzima permeasa , la beta galactosidadsa y la transacetilasa. El operón lac está formado por tres genes estructurales dispuestos en serie(z, y, a). La trasncripción de estos genes da origen a una molécula de ARNm que codifica para la tres enzimas que participan de la misma vía metabólica. En ausencia de lactosa el represor se enlaza al operador e impide a la ARN polimerasa insertarse en el sitio promotor con lo cual se interrumpe la transcripción (Fig. 11.33) . El represor ejerce su influencia mediante control negativo, puesto su interacción con el ADN inhibe la expresión del operón. En presencia de lactosa, este disacárido se une a la proteína represora, provocándole un cambio conformacional e incapacitándola para unirse al ADN del operador. En estas condiciones, se transcriben los genes estructurales, apareciendo en el citosol las enzimas que degradarán a la lactosa. En este ejemplo de operón el represor solo puede unirse al operador en ausencia del inductor (Fig.11.34). El operón lac es un ejemplo de operón inducible, es decir aquel en el cual la presencia de una sustancia específica (en este caso la lactosa)induce la transcripción de los genes estructurales. El operón lac también se encuentra bajo control positivo. Este efecto se da cuando en el medio hay glucosa, así la bacteria metaboliza este monosacárido ignorando cualquier otra fuente de carbono disponible. Cuanto menor es la concentración de glucosa en el medio, mayor es la concentración de AMPc , el cual tiene influencia en el "encendido" del operón lac. El AMPc actúa uniéndose a una proteína fijadora de AMPc denominada CAP (proteína activadora de catabolitos). Cuando la concentración de este complejo es alta (pues el medio contiene poca glucosa), el CAP-AMPc se fija a un sitio específico del promotor lac, aumentando la afinidad de la región promotora para la ARN polimerasa, lo que estimula la transcripción del operón (Fig. 11.35). Por lo expuesto concluimos que: Para que se exprese el operón lac deben darse dos condiciones en el medio: que esté presente la lactosa y que la concentración intracelular de glucosa sea baja. Existen otros tipos de operones en bacterias, como por ejemplo el operón triptofano, el que se caracteriza por ser un operón reprimible. El operón triptofano consiste en cinco genes estructurales que codifican para las enzimas involucradas en la biosíntesis del aminoácido triptofano. Dichos genes se agrupan en una unidad de transcripción con un solo promotor y un operador. Un gen regulador se localiza fuera del operón y codifica para la síntesis de una proteína represora. Esta proteína difiere del represor lac en que se sintetiza en forma inactiva siendo incapaz de unirse al operador. En ausencia de triptófano, la ARN polimerasa se une al promotor y transcribe los genes estructurales en un ARNm policistrónico. Esto es posible pues el represor inactivo no logra unirse por si solo al operador (Fig. 11.36). En presencia de triptófano en el medio circundante, el aminoácido (molécula denominada co-represor) se une a la proteína represora constituyendo el complejo represor/co-represor. Dicho complejo reconoce a la zona operadora a la que se fija, impidiendo a la ARN polimerasa transcribir los genes estructurales (Fig. 11.37) . Con este mecanismo de regulación la bacteria ahorra energía sintetizando triptófano solamente cuando esta sustancia esencial en su crecimiento, está ausente en el medio ambiente COMPARACIÓN ENTRE EL OPERÓN LAC Y EL OPERÓN TRIPTÓFANO OPERÓN LAC OPERÓN TRIPTÓFANO Operón inducible, se expresa en presencia de lactosa. Operón reprimible, se expresa en ausencia de triptófano. La lactosa es el inductor El triptófano es el co-represor El represor se sintetiza en forma activa. Actúa solo El represor se sintetiza en forma inactiva. Actúa en presencia del co-represor Sus enzima participan en un vía catabólica Sus enzima participan en una vía anabólica REGULACIÓN EN EUCARIOTAS Las células eucariotas presentan estrategias más complejas que las bacterias para regular la actividad de sus genes. Los organismos eucariotas pluricelulares poseen el mismo genoma en todas sus células, sin embargo los distintos tipos celulares se diferencian entre sí porque fabrican y acumulan distintos ARNm y por lo tanto distintas proteínas . ¿Por qué si el gen para la hemoglobina está presente en el genoma de una célula epitelial, no se encuentra esta proteína ni su ARNm en el citoplasma de este tipo celular?. ¿Cómo logran las células epiteliales mantener "apagado" el gen para la hemoglobina? . Para responder a estas preguntas debemos tener en cuenta no solo que el genoma eucariota es más complejo que el procariota, sino que existen más niveles en dónde ejercer el control de la expresión génica. Cada etapa en el flujo de información propuesto por el dogma de la biología molecular: "ADN ARN PROTEÍNAS" puede ser regulada. Si bien los mecanismos más importantes de control son los que actúan a nivel transcripcional, es importante destacar que pueden producirse regulaciones durante el procesamiento o maduración del ARNm o bien controlando: su pasaje a citoplasma o su supervivencia en el citosol. En algunos casos los controles actúan a nivel traduccional o regulando la actividad de la proteína. Desarrollaremos particularmente, aquellos mecanismos que operan a nivel transcripcional es decir en el comienzo de la síntesis del ARNm ya que actúan sobre las secuencias reguladoras del gen. CONTROL TRANSCRIPCIONAL A) Los factores de transcripción y la expresión genética: Para la transcripción de un gen eucariota se requiere: · Una secuencia promotora o promotor: secuencias de nucleótidos necesarias para la fijación de la ARN polimerasa. · Secuencias reguladoras: existen dos tipos Intensificadoras (del inglés, enhancers):secuencias que estimulan la transcripción y cuya localización puede ser a miles de nucleótidos de distancia "río arriba o abajo" del promotor. Silenciadoras (del inglés silencers) : secuencias que inhiben la transcripción. También pueden hallarse muy distantes del promotor. · Factores basales de transcripción: complejo proteico que interacciona con el sitio promotor. Son esenciales para la transcripción pero no pueden aumentar o disminuir su ritmo. De esto se encargan: · Factores específicos de la transcripción: complejo de proteínas reguladoras que pueden ser activadoras o represoras. Proteínas activadoras : interaccionan con las secuencias intensificadoras del gen. Proteínas represoras: interactúan con las secuencias silenciadoras del gen. Estas proteínas reguladoras interactúan con regiones específicas del surco mayor del ADN que corresponden a las zonas reguladoras del gen. La geometría de la molécula, y los diseños característicos de los factores de transcripción (Fig. 11.39), posibilitan dichas interacciones las que se producen por uniones no covalentes del tipo puente hidrógeno, uniones iónicas e hidrofóbicas. .B) La estructura de la cromatina y la expresión genética En cada tipo celular solo se expresan determinados conjuntos de genes mientras el resto del genoma se mantiene "silencioso". Se supone que el grado de compactación de la cromatina desempeña un importante papel en la expresión génica. Existen dos tipos de cromatina: la eucromatina, transcripcionalmente activa, más desplegada y la heterocromatina, transcripcionalmente inactiva, más condensada. La transcripción solo ocurre cuando el ADN está desplegado. Por lo tanto, las regiones de cromatina condensada y dispersa varían según el tipo celular, reflejando, según se cree, la síntesis de proteínas diferentes por distintos tipos celulares, es decir: el gen para la hemoglobina estaría en estado heterocromático en la célula epitelial y por lo tanto no disponible para su expresión. C) El grado de metilación y la expresión genética En algunos eucariotas la presencia de grupos metilo (CH3) en el gen afecta su expresión. La metilación ocurre en la citosinas que forman parte del dinucleótido -CG- dentro de secuencias específicas, con frecuencia localizadas dentro o próximas a la zona reguladora del gen. No todos los lugares CG están metilados. La mayoría de los genes que no se expresan están metilados, mientras que en otra célula en donde esos genes se expresan se advierte una disminución de sus niveles de metilación. Por ejemplo, en las células de mujeres, el cromosoma X condensado (el corpúsculo de Barr) presenta alto grado de metilación en los CG de los promotores de los genes que porta,inactivando así esta parte del genoma. CONTROL A NIVEL DEL PROCESAMIENTO DEL ARNm Se han descubierto formas de regulación que implican el procesamiento del ARNm. En algunos casos un mismo gen produce una proteína en un tejido y un tipo distinto de producto proteico en otro tejido. El mecanismo por el cual puede obtenerse de un mismo gen dos proteínas relacionadas se denomina empalme alternativo. Este proceso consiste en unir covalentemente diferentes combinaciones de exones del pre-ARNm obteniéndose dos ARNm maduros con distinta información y por lo tanto dos productos proteicos que difieren en uno o más tramos de su secuencia aminoacídica. MECANISMOS DE CONTROL A NIVEL DE LA TRADUCCIÓN Entre los ejemplos de mecanismos regulatorios de la traducción o síntesis proteica, explicaremos cómo se modifica la tasa de traducción del ARNm que codifica para la proteína ferritina. Esta proteína funciona capturando átomos de hierro del medio intracelular, ya que en estado libre, el hierro es tóxico para la célula. La traducción del ARNm para la ferritina es regulada por una proteína represora, la aconitasa, cuya actividad depende de la concentración de hierro libre en el citosol. Cuando la concentración intracelular de hierro es baja, la aconitasa se une a una secuencia nucleotídica específica en el ARNm, llamada elemento de respuesta al hierro (ERH), provocando un plegamiento del mensaje a modo de bucle, que bloquea la traducción (Fig.11.42). Cuando aumenta la concentración de hierro en el citosol, éste se asocia a la aconitasa, la cual cambia su conformación y pierde afinidad por el ERH. Una vez liberado el ARNm, comienza la síntesis de ferritina y su asociación con el hierro intracelular. Otro mecanismo importante es el control de la estabilidad del ARNm. Se conocen algunos casos en donde la integridad de la cola poli A es determinante para la supervivencia del mensaje. El acortamiento gradual de la cadena de adeninas por acción de nucleasas, reduce en algunos casos la vida media del ARNm. MECANISMOS DE CONTROL DESPUÉS DE LA TRADUCCIÓN La vida media de las proteínas puede ser considerada una forma indirecta de la expresión genética. Dos factores son determinantes de la vida media de una proteína citosólica: su correcto plegamiento y la secuencia aminoacídica de su extremo aminoterminal. Desde el momento que una proteína emerge del ribosoma citosólico, chaperonas moleculares de diversos tipos se unen a la cadena en síntesis, ayudándola a adquirir la conformación nativa. Esta unión transitoria evita que las proteínas recién sintetizadas alcancen espontáneamente un estado de agregación irreversible. Respecto del extremo aminoterminal, existen secuencias aminoacídicas estabilizadoras, que asegurarían una vida media prolongada y otras desestabilizadoras, las cuales favorecerían la marcación de las proteínas en dicho extremo. Tal marcación las conduciría a su degradación. Esto es conocido como la regla del aminoterminal. Si una proteína adquiere un plegamiento anómalo, o se ha desnaturalizado, o bien su extremo aminoterminal es desestabilizante, entonces ésta pasa a un proceso de ubiquitinización. La ubiquitinización consiste en la adición de varias moléculas de un polipéptido básico de 76 aminoácidos, muy conservado evolutivamente: la ubiquitina. La vía de la ubiquitina consta de varios pasos mediados por enzimas, que implican gasto de energía (ATP). Otra vía compite con la ubiquitinización. Las proteínas desnaturalizadas son conducidas por chaperonas moleculares hasta una chaperona oligomérica o chaperonina. Éstas pueden recuperar el plegamiento nativo de la proteína, en tanto se unan a ella en una etapa previa o temprana de la ubiquitinización. En caso contrario, la proteína ubiquitinizada, será captada por un complejo enzimático denominado proteasoma RESUMEN DE LOS MECANISMOS DE REGULACIÓN GÉNICA EN EUCARIOTAS Control transcripcional A- Factores de transcripción B- Grado de condensación de la cromatina C- Grado de metilación Control procesamiento del ARNm Empalme alternativo Control transporte del ARNm Mecanismos que determinan si el ARNm maduro sale o no a citosol Control traduccional Mecanismos que determinan si el ARNm presente en el citosol es o no traducido Control de la degradación del ARNm Mecanismos que determinan la supervivencia del ARNm en el citosol Control de la actividad proteica Mecanismos que determinan la activación o desactivación de una proteína, como así también el tiempo de supervivencia de la misma. Ciclo celular Las células de los distintos organismos pasan durante su vida por distintos períodos, cada uno de ellos característico y claramente diferenciado. Cada tipo celular cumple con sus funciones específicas durante la mayor parte de su vida, creciendo gracias a la asimilación de materiales provenientes de su ambiente y con ellos sintetiza nuevas moléculas por medio de complejos procesos regulados por su material genético. Cuando una célula aumenta hasta llegar a un determinado tamaño, su eficiencia metabólica se torna crítica, entonces se divide. En los organismos pluricelulares, se produce un crecimiento a partir de una célula (huevo o cigoto) como así también se aumenta la masa tisular y se reparan los tejidos lesionados o desgastados, por aumento del número de células. Las nuevas células originadas en esta división poseen una estructura y función similares a las células progenitoras, o bien derivadas de ellas. Ciclo de División Celular En parte son similares porque cada célula nueva, recibe aproximadamente la mitad de organoides y citoplasma de la célula madre, pero en términos de capacidades estructurales y funcionales lo importante es que cada célula hija, reciba una réplica exacta del material genético de la célula madre. Durante la vida celular, las células pasan por un ciclo regular de crecimiento y división. A esta secuencia de fases se la denomina ciclo celular y en general consta de un período donde ocurre un importante crecimiento y aumento de la cantidad de organoides (interfase) y un período de división celular (mitosis o meiosis). La interfase involucra períodos donde la célula realiza los procesos vitales propios de su función. Durante ella, se producen también fenómenos a nivel nuclear imprescindibles para la división posterior. Cronológicamente podemos dividir la interfase en tres etapas G1, S y G2. Haciendo un esquema del ciclo celular, el tiempo en que transcurre cada una de las etapas se representa en la Fig. 12.2. Es necesario señalar que existen excepciones a este ciclo, ya que no en todas las células los períodos tienen la misma duración. Incluso si consideramos una población celular homogénea (células del mismo tipo), existen variaciones particulares. Siempre que se habla de tiempos determinados, se hace considerando los promedios de cada tipo celular. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………Fases del Ciclo Celular También existen células que dejan de dividirse por largos períodos o bien permanentemente. Por ejemplo, las neuronas permanecen luego de la maduración del tejido nervioso en una etapa especial denominada G0, donde las células entrarían como alternativa a G1. En la actualidad es frecuente referirse a este tipode células como "no cíclicas" o detenidas en G1, ya que no es seguro que las células que no se dividen pasen por un solo estadío. ETAPAS Y CARACTERÍSTICAS Como ya se mencionó, una célula tipo pasa a lo largo de su vida por etapas (G1, S y G2) antes de dividirse. Las características más relevantes de cada una de las mismas son: Etapa G1: Esta etapa que sucede a la división celular es la más variable en duración. Las células hijas recientemente originadas presentan una gran actividad metabólica produciéndose un aumento acelerado del tamaño celular. Los organoides de la célula precursora han sido repartidos de manera más o menos equitativa entre las células hijas, deben entonces aumentar de tamaño y también en número para mantener las características de su tipo celular. Se sintetizan así ribosomas y microtúbulos a partir de las proteínas y otras moléculas que la conforman. Los organoides del sistema de endomembranas, aumentan considerablemente de tamaño, ya que ambas células hijas han recibido parte de estos organoides. Sin embargo, pueden ser sintetizados de nuevo en caso de no existir precursores. Esto no ocurre con mitocondrias y cloroplastos que se originan por división de estas estructuras preexistentes. Como se recordará ambos organoides contienen ADN y ribosomas que les permite dividirse de forma relativamente independiente del núcleo celular. Todos los procesos de síntesis de nuevos organoides o aumento de tamaño de los existentes, son regulados mediante activación de complejos enzimáticos en un momento determinado. En este período se observa, a su vez, una gran síntesis de ARNm como así también ARNt y ARNr. Estos ácidos serán utilizados para la síntesis de proteínas estructurales, para la construcción y o aumento de los organoides, como así también la producción de enzimas necesarias para dicha síntesis. Cabe destacar que durante este período también se sintetizan las enzimas que serán utilizadas en la etapa siguiente, es decir en la duplicación del ADN, como así también moléculas precursoras de los ácidos nucleicos. Cuando las células dejan de crecer (si se agotan los nutrientes o por inhibición por contacto) lo hacen en G1. Esto implica que también se sintetizan las sustancias que estimulan o inhiben distintas fases del ciclo celular. Etapa S: el período S o de síntesis de ADN tiene como característica fundamental la síntesis de nuevo material genético, para que las células hijas tengan la misma dotación. Sin embargo persisten los altos índices de síntesis de ARN para obtener enzimas requeridas en la síntesis de histonas que formarán parte de la macroestructura del ADN y tubulinas relacionadas con el proceso de división celular. Etapa G2: En esta fase, ya con el ADN duplicado, la célula ensambla las estructuras necesarias para la separación de las células hijas durante la división celular y la citocinesis (separación del citoplasma). Etapa M: Durante M, la envoltura nuclear se desintegra, la cromatina se condensa en forma creciente hasta ser visible los cromosomas al microscopio óptico. Estos cromosomas formados cada uno por dos cromátidas (cromosomas duplicados) pasaran por cada una de las fases de la división celular (mitosis o meiosis) para concluir con la formación de las células hijas, cada una con una única copia de su ADN (cromosomas sin replicar) , que marcan el inicio de un nuevo ciclo. SISTEMA DE CONTROL DEL CICLO CELULAR El sistema de control del ciclo celular es un dispositivo bioquímico compuesto por un conjunto de proteínas reguladoras interactivas: las ciclinas y las quinasas dependientes de ciclinas que inducen y coordinan los procesos básicos del ciclo, como la duplicación de ADN y la división celular, a los que denominamos procesos subordinados. Durante un ciclo típico, el sistema de control está regulado por factores de retraso que pueden frenar el ciclo en puntos determinados denominados puntos de control. En estos puntos, las señales de retroalimentación que contienen información sobre los procesos subordinados pueden detener momentáneamente el avance del ciclo, evitando el inicio del proceso siguiente antes que el precedente haya terminado. Sobre dichos factores también actúan señales del entorno como puede ser una hormona o un factor de crecimiento. Una analogía que puede ayudarnos a comprender este mecanismo es comparar al sistema de control del ciclo celular con el funcionamiento de una lavadora automática (1. Alberts y col -pág929-930), el programador de la lavadora sólo avanza a través de los diferentes pasos del ciclo de lavado (etapas del ciclo celular), si recibe determinadas señales. Adentro de la lavadora hay sensores que miden el nivel de agua o jabón que ingresan. Estos sensores envían señales que pueden provocar el retraso o la interrupción del ciclo de lavado. De igual manera en la célula, las señales generadas en los procesos subordinados (por ej. la síntesis de ADN) o por el entorno, detienen el ciclo. A continuación pasaremos a describir las proteínas reguladoras, el mecanismo de regulación y los puntos de control del ciclo celular. PROTEÍNAS REGULADORAS DEL CICLO CELULAR El pasaje de una célula a través del ciclo es controlado por proteínas citoplasmáticas. Los principales reguladores del ciclo en células animales son: 1. Las ciclinas, proteínas que controlan la actividad de sus proteinquinasas dependientes. La concentración de ciclinas varía en forma cíclica, aumentando o disminuyendo durante el transcurso del ciclo celular. Esto se debe a variaciones en la velocidad de degradación de la ciclina, dado que la velocidad de síntesis es casi constante durante todo el ciclo. En los mamíferos existen 6 ciclinas como mínimo, denominadas A, B, C, D, E y F (Fig. 12.4b), pero nosotros las clasificaremos como ciclinas de G1 y ciclinas mitóticas. Las ciclinas G1 se unen a sus quinasas dependientes de ciclinas (Cdk2) durante G1 siendo necesarias para superar el punto de control G1 y pasar a la fase S. Las ciclinas mitóticas se fijan a la quinasa Cdk1 durante G2, siendo necesaria su presencia para que el ciclo supere el punto de control G2 y se inicie la mitosis. (Fig. 12.3 ) 2. Las quinasas dependientes de ciclinas (CDK), enzimas que mediante la fosforilación de determinadas proteínas desencadenan los procesos subordinados del ciclo celular. En los mamíferos se conocen 5 CDK las cuales forman tres grupos principales: · CDK de G1 (Cdk2) · CDK de fase S (Cdk2) · CDK de fase M (Cdk1) A diferencia de la concentración de ciclinas, la concentración de CDK se mantiene durante todo el ciclo celular, por permanecer constantes tanto la velocidad de síntesis como la de degradación (Fig. 12.4 y 12.5) Las CDK se activan sólo cuando se unen a las ciclinas para formar complejos, por lo que requieren un nivel umbral para desencadenar la transición a la fase siguiente del ciclo celular. 3. El Complejo Promotor de la Anafase (APC) y otras enzimas proteolíticas. El APC desencadena los eventos que conducen a la destrucción de las cohesinas[1] permitiendo a las cromátidas hermanas separarse e iniciando la degradación de las ciclinas mitóticas. MECANISMO DE REGULACIÓN DEL CICLO CELULAR Al finalizar la mitosis aumenta la expresión de la ciclina G1 (E), esta ciclina se unirá a la su quinasa (Cdk2) formando un complejo activo conocidocomo factor promotor de Fase S (FPS ). Este FPS sólo puede actuar sobre cromosomas en estado Pre-Replicativo. Así se denominan por poseer sobre cada origen de replicación un complejo multiproteico llamado Pre-Replicativo. Los orígenes de replicación (ORI) se presentan en número de 20 a 80 sobre cada lazo de cromatina y se caracterizan por poseer una secuencia común denominadasecuencia de replicación autónoma (ARS) formada por dos secuencias "GAGGC" sobre las que se halla unido a lo largo de todo el ciclo celular, el complejo de reconocimiento del origen de replicación (ORC), uno de los complejos proteícos que forma parte del complejo Pre-Replicativo (PreR). El segundo componente del complejo PreR es la proteína Cdc6p (cell division cycle protein), que se sintetiza en G1 e inserta sobre los orígenes de replicación al último componente, las proteínas de mantenimiento de los minimicrosomas (MCM). (Fig. 12.6) El nivel creciente de FPS al inicio de la fase S induce la apertura de los orígenes de replicación, activando a las moléculas responsables de la síntesis de ADN e induciendo la separación del complejo Pre-R del componente Cdc6p y MCM. Separados estos componentes, se inicia la síntesis, y por lo tanto el FPS no se requiere más, siendo su componente lábil, la ciclina de G1, degradada en los proteosomas. Los cromosomas a partir de este momento se denominarán cromosomas Post-Replicativos (sólo presentan asociado a los orígenes de replicación el ORC). Los cromosomas se mantendrán en estado Post-R hasta el inicio de la anafase. Degradadas las ciclinas G1, el nivel de ciclinas mitóticas aumenta. Un nuevo participante entra al ciclo, el complejo promotor de la mitosis, FPM, formado por las ciclinas mitóticas más las quinasas dependientes de ciclinas de M (Cdk1). Éste inicia el ensamblado del huso mitótico, la desintegración de la envoltura nuclear y la condensación de los cromosomas, al inducir la fosforilación de diferentes sustratos como las láminas nucleares, conduciendo a la célula a la metafase. A esta altura del ciclo, el FPM activa el complejo promotor de la Anafase, APC, que permite la separación de las cromátides hermanas y su migración a los polos (anafase). Así se completa la mitosis, se destruyen las ciclinas de fase M y se activan las ciclinas de G1 para el próximo ciclo celular. http://genomasur.com/lecturas/Guia12a.htm#_ftn1 CONTROL DE CALIDAD DEL CICLO CELULAR Durante el ciclo celular, la célula pasa al menos tres puntos de control (checkpoints): · Punto de control G1, en este punto el sistema de control de la célula pondrá en marcha el proceso que inicia la fase S. El sistema evaluará la integridad del ADN (que no este dañado), la presencia de nutrientes en el entorno y el tamaño celular. Aquí es donde generalmente actúan las señales que detienen el ciclo (arresto celular) . · Punto de control G2, en él se pone en marcha el proceso que inicia la fase M. En este punto, el sistema de control verificará que la duplicación del ADN se halla completado (que no este dañado), si es favorable el entorno y si la célula es lo suficientemente grande para dividirse. · Punto de control de la Metafase o del Huso, verifica si los cromosomas están alineados apropiadamente en el plano metafásico antes de entrar en anafase. Este punto protege contra pérdidas o ganancias de cromosomas, siendo controlado por la activación del APC. Proteína p53, el guardián del genoma Como hemos mencionado en los párrafos precedentes, tanto en el punto de control G1 como G2 se verifica la integridad del ADN. Ante la presencia de ADN dañadose genera una señal que retrasa la entrada en fase M. El mecanismo depende de una proteína llamada p53, que se acumula en la célula en respuesta a las alteraciones de ADN, deteniendo el sistema de control en G1 y por lo tanto impidiendo la posterior entrada en mitosis. El gen p53 es uno de los genes supresores de tumores más conocidos, que no sólo detiene el ciclo (arresto celular), sino también participa en la apoptosis (muerte celular programada) forzando a las células al suicidio cuando el daño en el ADN es irreparable. Las células que presentan los dos alelos del gen p53 mutados, tendrán proteína p53 no activa y por lo tanto continuarán dividiéndose a pesar del daño en su genoma, por lo tanto desarrollarán cáncer. Las mutaciones del gen p53 presenta una alta incidencia en la mayoría de los cánceres humanos. ¿Cómo actúa la p53? Cuando el ADN presenta un daño "limitado", aumentan los niveles de proteína p53. Dicha proteína activa la transcripción del gen p21, que codifica a la proteína p21. Esta última proteína ejerce su efecto inhibidor uniéndose al complejo ciclina-Cdk2 y deteniendo el ciclo. Cuando el ADN es reparado, la proteína p53 se libera del promotor del gen p21, provocando el descenso en los niveles de p21. Esto permite restaurar la actividad del complejo ciclina-Cdk2. MITOSIS INTRODUCCIÓN La división celular es un fenómeno complejo por el que los materiales celulares se dividen en partes iguales entre las dos células hijas. En una serie de pasos que en conjunto se llaman MITOSIS se asigna a cada célula hija un juego completo de cromosomas. Hacia el final de este proceso, se produce la división o clivaje del citoplasma ( citocinesis ) y las dos células hijas se separan, de modo que cada una no sólo contiene un complemento cromosómico completo, sino también más o menos la mitad del citoplasma y de los organoides de la célula madre. Este proceso es sólo la fase final y microscópicamente visible de cambios ocurridos a nivel molecular y bioquímico. En los organismos unicelulares, la MITOSIS es el modo de reproducción asexual. En los organismos multicelulares, es el medio por el cual el organismo crece a partir de una sola célula y también por el que los tejidos lesionados se reponen y reparan. EL MECANISMO MITÓTICO El mecanismo de la mitosis ( del griego “ mitos”, filamento, hilo ) es semejante en todas las células eucariontes, aún cuando existen diferencias entre células animales y vegetales. Haremos primero una descripción del proceso mitótico en células animales, para marcar luego las diferencias que se manifiestan en las vegetales. La serie de fenómenos que constituyen el ciclo mitótico comienzaal finalizar el período G 2 de la interfase y termina al iniciarse el período G 1 de una nueva interfase. Las principales fases de la mitosis son: Profase, Metafase, Anafase y Telofase; de éstas la de mayor duración suele ser la profase. Cuando una célula está en interfase, el material cromosómico está disperso y se observan como finos cordones. Al iniciarse la mitosis, la cromatina se arrolla lentamente y se condensa en forma compacta. Esta condensación sería necesaria para los complejos movimientos y separación de los cromosomas durante la mitosis. Cuando los cromosomas condensados se tornan visibles, cada uno consiste en dos réplicas llamadas cromátides unidas entre sí por el centrómero. Dentro de éste hay estructuras proteicas, los cinetocoros. ETAPAS DE LA MITOSIS El APARATO MITÓTICO El aparato mitótico comprende el huso y los ásteres que rodean a los centríolos. El áster aparece como un grupo de microtúbulos radiales (microtúbulos astrales) que convergen hacia el centríolo, alrededor del cual se observa una zona clara llamada centrosoma. Las fibras del huso se clasifican en tres tipos: continuas (polares), que se extienden de polo a polo de la célula; cromosómicas (cinetocóricas), que unen a los cromosomas a los polos; e interzonales, que se observan en anafase y telofase entre los cromosomas hijos. Los centríolos, el huso y los cinetocoros presentan tubulina ( proteína principal de cilias y flagelos ). Los cinetocoros son los sitios donde se implantan los microtúbulos en los cromosomas y actúan en el armado de los microtúbulos. PROFASE Al comienzo de la profase la cromatina empieza a condensarse visualizandosé los cromosomas individuales. Cada cromosoma consta de dos cromátidas duplicadas conectadas a nivel del centrómero. Al mismo tiempo, la célula adopta una forma esferoidal y se hace más refringente y viscosa. Por fuera de la envoltura nuclear y próximos a ella, se encuentran dos pares de centríolos. Cada par consiste en un centríolo maduro y un centríolo recién formado que se ubica perpendicularmente al primero. Los pares de centríolos comienzan a separarse, un par migra hacia el polo apical o superior de la célula y el otro lo hace hacia el polo basal o inferior. A medida que se separan, se organiza entre ambos pares un sistema de microtúbulos que constituyen el huso acromático o huso mitótico. Rodeando a cada par de centríolos, aparecen unas fibras adicionales conocidas como ásteres ( el nombre de áster deriva de su aspecto estrellado ), que irradian hacia fuera de los centríolos. Otro cambio es la reducción de los nucléolos, que finalmente se fragmentan y aparecen desintegrados en el nucleoplasma. La envoltura nuclear se desintegra a medida que se condensan los cromosomas. Al final de la profase, la envoltura nuclear desaparece, los cromosomas se han condensado por completo y ya no están separados del citoplasma. Al término de esta fase, el aparato mitótico está totalmente organizado. METAFASE Algunas veces se denomina prometafase a la transición entre la profase y la metafase. Se trata de un período muy corto durante el cual se termina de desintegrar la envoltura nuclear y se acaba de armar el aparato mitótico. En la metafase, los cromosomas unidos a las fibras del huso por sus cinetocoros; sufren movimientos oscilatorios hasta que se ordenan en el plano central o ecuatorial, formando la placa ecuatorial. ANAFASE Al comienzo de la anafase, los centrómeros se separan simultáneamente en todos los pares de cromátidas. Los cinetocoros y las cromátidas se separan y comienzan su migración hacia los polos. El cinetocoro siempre precede al resto de la cromátida o cromosoma hijo, como si éste fuera traccionado por las fibras cromosómicas del huso. El cromosoma puede adoptar la forma de una V de brazos iguales si es metacéntrico o de brazos desiguales si es submetacéntrico . Durante la anafase, los microtúbulos de las fibras cromosómicas se acortan a un tercio o a un quinto de su longitud original. Simultáneamente, aumenta la longitud de los microtúbulos de las fibras continuas, algunas de las cuales constituyen las llamadas fibras interzonales. TELOFASE El final de la migración de los cromosomas hijos indica el principio de la telofase. Los cromosomas comienzan ha desenrollarse y se vuelven cada vez menos condensados, mediante un proceso que en cierta forma es inverso a la profase. El huso se dispersa en subunidades de tubulina y se desintegra. Los cromosomas se agrupan en masas de cromatina rodeadas de segmentos discontinuos de envoltura nuclear provenientes del REG (retículo endoplásmico rugoso ), hasta que la envoltura nuclear queda reconstituida, en cada grupo cromosómico. Los nucléolos aparecen en las etapas finales a nivel de los organizadores nucleolares de algunos cromosomas. Hasta este momento hemos considerado la división nuclear ( cariocinesis ), a ésta le suele seguir la segmentación y separación del citoplasma ( citocinesis ). CITOCINESIS Es el proceso de clivaje y separación del citoplasma. Puede producirse simultáneamente a la anafase y telofase, o en una etapa posterior. El clivaje se produce siempre en la línea media de la célula. La membrana celular comienza a estrecharse en el área donde se situaba el ecuador del huso. Al principio aparece un surco en la superficie, que luego se profundiza hasta que la célula se divide. Se supone que en esta constricción intervienen microfilamentos de actina, pues se los observa en grandes cantidades cerca de los surcos. Durante la citocinesis, los distintos organoides citoplasmáticos se distribuyen equitativamente en ambas células hijas. MITOSIS EN CÉLULAS VEGETALES En la división de las células vegetales, el comportamiento cromosómico es igual al descripto en las células animales. Una de las diferencias más notables es que las células vegetales no poseen centríolos ni derivados centriolares. Pero este no es un impedimento para la formación del huso mitótico, en este caso se lo denomina “huso anastral “. La formación de microtúbulos está relacionada con los cinetocoros. Otra de las diferencias está dada por la citocinesis, en las células vegetales, el citoplasma se divide en la línea media por un tabique que comienza a formarse en la anafase, llamado fragmoplasto, que estaría formado por microtúbulos y vesículas derivadas de dictiosomas. Con el tiempo, las vesículas se fusionan y dejan un espacio limitado por una membrana, la placa celular (Fig. 12.24). A medida que se fusionan más vesículas, los bordes de la placa en crecimiento se juntan con la membrana celular y de este modo se establece un espacio entre las dos células hijas, completando así su separación. Por último, este espacio se impregna de pectinas que constituyen la laminilla media. Cada célula hija construye entonces su propia pared celular depositando celulosa y otros polisacáridos contra su membrana. Una vez completada la división celular, quedan dos células hijas idénticas. MEIOSIS Todas las células corporales de un organismo contienenun número determinado de cromosomas, característico de la especie a la que pertenece. En los organismos eucariontes más complejos los cromosomas siempre existen en pares, hay invariablemente dos de cada clase formando parejas, cada uno de ellos se llama homólogo. Así los 46 cromosomas humanos, constituyen 23 pares. En las gametas la cantidad de cromosomas es exactamente la mitad, existiendo sólo uno de cada clase. Esto ocurre porque son células destinadas a unirse, así cuando un espermatozoide fecunda a un óvulo se reconstituye el número normal de cromosomas de la especie. Como en las células somáticas tenemos dos cromosomas de cada clase decimos que son diploides, en cambio a las gametas las llamamos haploides. Habitualmente designamos el número haploide como “ n “ y al diploide como “ 2 n “. Por ejemplo para la especie humana, n = 23 y 2n = 46. La constancia del número de cromosomas en las sucesivas generaciones queda asignado por el proceso de MEIOSIS, un tipo particular de división nuclear propia de los eucariontes, que consiste en dos divisiones consecutivas, que comienzan en células diploides en las cuales el número de cromosomas se reduce a la mitad. La reducción del número de cromosomas en la meiosis no se produce al azar, sino que se separan los miembros de pares de cromosomas para pasar a células hijas diferentes. La meiosis tiene lugar en algún momento del ciclo vital de todos los organismos de reproducción sexual, porque los gametos deben ser haploides para compensar el número doble de cromosomas producto de la fecundación. En animales y algunas algas se produce durante la formación de gametas. En muchos hongos, algas verdes y esporozoarios se lleva a cabo inmediatamente después de la fecundación. En la mayoría de las plantas se realiza después de la fecundación, pero antes de la formación de las gametas, durante la formación de esporas. De todos modos, a pesar de las variaciones particulares, el proceso es muy parecido en las diferentes especies. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA MEIOSIS MEIOSIS I - División reduccional Para su mejor estudio describimos varios períodos: Profase I, Metafase I, Anafase I y Telofase PROFASE I: Es el período más prolongado de la meiosis, a la vez para su mayor comprensión consideramos varias subetapas: a. Leptonema: Los cromosomas se presentan como largas fibras, delgadas, poco espiralizadas . Las cromátidas no son visibles. b. Cigonema: Los cromosomas homólogos se alinean y aparean de una manera altamente específica, este proceso es llamado sinapsis. El apareamiento comprende la formación del complejo sinaptonémico, una estructura proteínica que se halla interpuesta entre los homólogos. Al par de cromosomas homólogos apareados lo llamamos bivalente c. Paquinema: Los homólogos se aparean íntegramente ( en toda su longitud ). Los cromosomas se visualizan más cortos y gruesos debido al alto grado de espiralización. Cada unidad es ahora una tétrada, compuesta por dos homólogos, es decir cuatro cromátidas. Las dos cromátidas de cada cromosoma se denominan cromátidas hermanas. Durante el Paquinema es característico el intercambio de segmentos, proceso llamado entrecruzamiento o crossing-over. Este intercambio de material cromosómico es una fuente importante de variabilidad genética a. Diplonema: Los cromosomas apareados empiezan a separarse, aunque permanecen unidos en los puntos de intercambio o quiasmas. b. Diacinesis: La contracción de los cromosomas llega a su máximo, los cromosomas homólogos siguen unidos por los quiasmas que ahora se ubican en los extremos ( terminalización de los quiasmas ). Mientras ocurren los procesos antes mencionados, se desorganiza la envoltura nuclear y se organiza el huso acromático. acromático. METAFASE I Los homólogos unidos como en diacinesis se asocian por sus centrómeros a las fibras del huso, ubicándose en el plano ecuatorial de la célula. ANAFASE I Se separan los homólogos cada uno hacia polos distintos de la célula. Hacia finales de esta etapa puede observarse el comienzo de la citocinesis ( división del citoplasma ). Cabe aclarar que la migración de los cromosomas hacia polos opuestos de la célula es al azar. TELOFASE I Los cromosomas ubicados en los polos de la célula se reagrupan. Cada polo recibe la mitad del número de cromosomas de la célula origina. Se completa la citocinesis. Luego de este período puede existir un intervalo llamado intercinesis. MEIOSIS II - División ecuacional Esta segunda división es muy parecida a la Mitosis, excepto que no va precedida por una duplicación del ADN. Al comienzo de esta división los cromosomas pueden haberse dispersado un poco, pero vuelven a condensarse. También aquí describimos varios períodos. PROFASE II Se organiza nuevamente el huso acromático. Los cromosomas se unen a las fibras del mismo por sus centrómeros. METAFASE II Los cromosomas ( cada uno formado por dos cromátidas ) se ubican en el plano ecuatorial. ANAFASE II Al igual que en la anafase mitótica las cromátidas hermanas de cada cromosoma se separan, migrando hacia polos distintos de la célula. TELOFASE II Se desorganiza el huso acromático, se forman las envolturas nucleares. Ahora hay cuatro núcleoshijos, cada uno de los cuales tiene la mitad del número de cromosomas de la célula progenitora. La citocinesis ocurre del mismo modo que tras la mitosis. CONSECUENCIAS DE LA MEIOSIS La meiosis desde el punto de vista genético se considera un mecanismo destinado a distribuir al azar los genes maternos y paternos en las gametas. Esta distribución al azar es la consecuencia de dos procesos que tienen exclusivamente durante la meiosis. Ellos son: · La recombinación genética o crossing over. · La segregación al azar de los cromosomas homólogos. Ambos sucesos son fuente de variabilidad genética. A su vez las fallas en la segregación al azar de los homólogos en la Anafase I y II, conduce a aberraciones cromosómicas que provocan graves patologías (por ej. El Sindrome de Down). Esquematización de las dos contribuciones de la meiosis a la variabilidad genética GAMETOGÉNESIS El proceso antes descripto es el que ocurre en aquellas células destinadas a formar células sexuales. Según el tipo de organismo del que se trate, podemos hablar de una gametogénesis (es decir que la meiosis produce gametas ) o esporogénesis ( cuando los productos son esporas ). En el caso de las gametas, se originan por meiosis los óvulos femeninos y los espermatozoides masculinos. En ambos casos, se trata de células especiales, las gametogonias, las que en los órganos reproductivos (ovarios y testículos ) van a experimentar la meiosis y así originar las gametas. La serie de cambios que conducen a la formación de espermatozoides, empieza con la conversión de las espermatogonias en espermatocitos I, son éstos los que experimentan la primera división meiótica, originando dos espermatocitos II, estas células ya son haploides. Cada uno de los espermatocitos II experimentan la segunda división meiótica, dando origen así a cuatro espermátidas. Posteriormente estas células se diferencian en espermatozoides a través de un proceso denominado espermiogénesis (Fig. 12.29). Para la formación de los óvulos en los ovarios, la célula primordial es la ovogonia que se diferencia en ovocito I. Éste pasa por una división meiótica para producir un ovocito II y un cuerpo polar, que es una célula de pequeño tamaño. Esta primera división comienza en la mujer en el tercer mes de vida fetal, se detiene en profase I avanzada reiniciándose en el momento de la ovulación. La segunda división meiótica que produce el óvulo y un segundo cuerpo polar, sólo ocurre después de la fecundación. El cuerpo polar también puede dividirse pero de todas formas son células que no intervienen directamente en la fecundación. COMPARACIÓN ENTRE MITOSIS Y MEIOSIS Diferenciación Celular - proceso por el cual una célula o tejido se va a especializando hasta alcanzar su estado madurativo final. - La especialización de las células implica la síntesis de proteínas específicas, como la hemoglobina en los eritrocitos, los anticuerpos en los linfocitos, etc. - Si las células presentan la misma información genética, cómo existen células distintas? Ello depende de la expresión diferencial de genes. Por ejemplo, en la célula Beta del páncreas está activado el gen de la insulina, mientras que en los Leucocitos este gen está apagado o si lenciado. Así, en cada tipo celular se expresan conjuntos de genes distintos de los expresado en otros tipos celulares. - Los genes de mantenimiento son los genes que se activan en todos los tipos celulares. - Los genes que se expresan en forma diferencial corresponden a las llamadas funciones de lujo. - uno de los procesos de diferenciación celular más importantes ocurre luego de la fecundación y durante las primeras divisiones celulares, ya que dará origen a la totalidad de las células que conforman los tejidos - luego de la fecundación, a medida que el huevo o cigoto va a sufriendo rápidas divisiones celulares, el citoplasma va a reduciendo su tamaño. Cuando se produce la cuarta división, o sea cuando hay 16 células, el embrión recibe el nombre de Mórula, y las células ocupan todo el espacio delimitado por la membrana pelúcida. Posteriormente el embrión se convierte en una esfera hueca (denominada blastocisto) en la que se visualizan dos tipos de tejidos, el macizo celular interno, que dará origen al cuerpo del individuo, y el trofoblasto, que interviene en la formación de la placenta. - Del macizo celular interno se origina un embrión plano, compuesto por 3 capas de células epiteliales superpuestas y diferenciadas llamadas ectodermo, mesodermo y endodermo. Cómo surgen las diferencias iniciales entre las células del embrión primitivo? - se considera que el citoplasma de la célula huevo contiene (asimétricamente distribuidas) moléculas que se reparten de manera desigual entre las primeras células del embrión y que influyen en la actividad de sus genes. Así, esas moléculas, que llevan el nombre de determinantes citoplasmáticos del desarrollo, actuarían como factores de transcripción específicos - En los seres humanos no ocurre así, ya que las primeras 8 células son totipotenciales, es decir, cada una de ellas son capaces de originar un individuo completo. Por lo tanto, la cantidad y la ubicación de las moléculas presentes en el citoplasma de estas células tiene que ser el mismo. Entonces, en los seres humanos, las moléculas no están en el citoplasma, sino que en el medio extracelular interaccionando con el embrión durante su recorrido por la trompa de falopio. - para que la inducción a diferenciación se lleve a cabo es necesario que las células a se diferenciar presenten los receptores específicos para las moléculas inductoras. - Si las moléculas inductoras actúan sobre la misma célula que la liberó, el mecanismo se llama Autócrino. Si la molécula actúa sobre una célula vecina, el mecanismo se llama Parácrino. Si actúa sobre una célula alejada, donde tiene que circular por la corriente sanguínea, se llama mecanismo Endócrino. - el citoplasma contiene componentes capaces de regular la actividad de los genes. Capacidad de las células de se originaren a otras a) Totipotenciales - Pueden dar origen a cualquier tipo de células b) Pluripotenciales - Dan origen a células multipotenciales c) Multipotenciales - dan origen a vários tipo de células d) Células maduras - son las células totalmente diferenciadas Epigenética - Es el estudio de los cambios heredables en la expresión de los genes que no pueden ser atribuidos a cambios en la secuencia del ADN Mecanismos epigenéticos: a) Metilación del ADN b) Modificaciones de histonas c) Silenciamiento génico mediado por ARN no codificantes Herencia o Transmisión de la Información Genética - Gregor Mendel hizo experimentos con semillas y plantas que llevaron a los conceptos sobre Herencia. - Según la primera ley de Mendel, cada individuo lleva un par de factores (genes) hereditarios para cada característica que segregan durante la formación de los gametos - De acuerdo con la segunda ley de Mendel, durante la formación de los gametos, cada par de alelo segrega independientemente de los otros pares Homocigoto - un gen puede tener la misma información proveniente del padre y de la madre Heterocigoto - un gen puede tener información diferente proveniente del padre y de la madre Alelo - Como un mismo gen tiene informaciones provenientes de los padres, esas informaciones se dividen en Alelo Paterno y Alelo Materno - un alelo predomina sobre el otro. Ese alelo es llamado dominante. El otro es el recesivo. Así, si un individuotiene el alelo dominante A y un alelo recesivo B, este individuo va a poseer la característica A, ya que el alelo A predominó sobre el B. - La información de una alelo de un gen determinado se encuentra en un lugar específico del cromosoma, llamado Locus Genotipo - es la información codificada en el ADN Fenotipo - es la característica que se puede observar. Alteraciones cromosómicas - las alteraciones cromosómicas pueden afectar la cantidad de cromosomas, por lo que presentan alteraciones numéricas, o pueden alterar su estructura, que en es caso se dan las alteraciones estructurales - las consecuencias de esas alteraciones pueden llevar a la muerte del futuro individuo o no generar consecuencias, formando parte de la variabilidad genética de una población 1) Alteraciones numéricas a) Poliplodía - se produce cuando hay un aumento en el número de todos los cromosomas - pasa a ser de 2n, en las diploides, a 3n o 4n. b) Aneuplodía - cuando hay un aumento o disminución en el número de cromosomas (2n-1 o 2n+2, etc) - por ejemplo, la trisomía (3 cromosomas) del cromosoma 21 que origina el síndrome de down - otro ejemplo es la monosomía (1 cromosoma) del cromosoma 45 X0, característica del síndrome de turner 2) Alteraciones estructurales a) Deleción - es cuando falta un fragmento de material genético b) Duplicación - es cuando se repite un fragmento de ADN c) Translocación - ocurre cuando un fragmento de un cromosoma se intercambia con otro segmento de un cromosoma no homólogo d) Inversión - es cuando en un mismo cromosoma cambia el orden de la secuencia del ADN
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