Apuntes Biología - Catedra Nasazzi

1

BIOLOGÍA (08) CBC Tomados en el 2º cuatrimestre del año 2004. Profesora: Susana Hernández Cátedra: Nasazzi Comisión: 10801 Lunes y jueves de 14 a 17 horas. Sede Montes de Oca 1200 4º piso, aula 42 Ciudad Autónoma de Buenos Aires República Argentina Apuntes tomados como oyente. ADVERTENCIA: Este material no ha sido producido por los docentes de la Cátedra. Este material ha sido producido por un oyente, por iniciativa propia y de modo independiente. Es una reconstrucción de los apuntes tomados como oyente. Cualquier error, ya sea conceptual, terminológico o de otra índole, no le compete a los docentes de la Cátedra. Clase 1 Jueves 19/08/2004 En principio usaremos la guía de actividades (guía de estudios) de Biología celular, de la materia Biología 08 de la cátedra Nasazzi. Si bien para aprobar los exámenes (parciales y final) alcanza con estudiar lo que se vemos en clase, hay material teórico que puede servir de apoyo. Están los cuadernillos teóricos de Biología del CBC, con el título "Biología e introducción a la biología celular", teniendo en cuenta que son para Biología 54 (Medicina). Los que se pueden utilizar son los cuadernos 1, 3a, 3b, 4, 5, 6, 9, 10, 11, 12 y 13. Los libros que se pueden usar de consulta son: Curtis "Biología" De Robertis "Fundamentos de Biología celular y molecular" Otros textos que secundariamente también sirven: Alberts "Biología molecular de la célula" (cell) Lodish "Biología celular y molecular" Karp "Biología celular" ------------

2

Características de los seres vivos Respiración, célula, homeostasis, autorregulación, adaptación, información genética, organización, nace muere y se reproduce, movimiento, alimentación.

Energía es capacidad de trabajo. El individuo toma materia del ambiente y libera materia al ambiente. Hay intercambio de energía y de materia. El ser vivo es un sistema abierto, que intercambia energía y materia con su ambiente. Un sistema puede ser aislado, cerrado o abierto. Un sistema aislado no intercambia cosa alguna, no hay intercambio. Un sistema cerrado intercambia solamente energía, no intercambia materia. El sistema abierto intercambia energía y materia. Los seres vivos son solamente sistemas abiertos. Toma, transforma y devuelve, es decir, hay transformación de energía. Toma alimento, lo degrada y construye su propia materia. El alimento es fuente de energía en forma de moléculas. En la respiración celular, se degradan, se rompen los nutrientes, para obtener energía. Degrada pero produce sus propias moléculas. Se transforma energía. Se sintetizan, se fabrican productos, moléculas. Todo esto es el metabolismo celular. Todo este proceso ocurre en la célula. Algunos procesos degradan (catabolismo) y otros sintetizan (anabolismo). Para todo esto se requiere organización. Por lo menos la organización que se encuentra en una célula. Es decir, por lo menos se requiere de la célula. Los organismos responden a estímulos, poseen irritabilidad. El metabolismo permite el crecimiento y desarrollo (modificaciones del organismo). Existe la reproducción, generando un nuevo individuo con características similares. Hay información genética con la que se transmiten las características a la descendencia. Hay regulación, autorregulación. El organismo regula lo que debe hacer en cada momento. Tiene capacidad de regular los procesos (coherencia). La regulación en organismos complejos como nosotros está mediada por el sistema nervioso y el sistema

3 endocrino. La regulación consigue la homeostasis, consigue el mantenimiento del medio interno con respecto al medio externo. El medio interno son todos los compartimentos internos. La homeostasis permite constancia, a modo de ejemplo en la temperatura. Permite la adaptación. Los seres vivos tienen la capacidad de cambiar frente a los cambios ambientales (adaptación). La autorregulación permite la homeostasis. La homeostasis no consigue un equilibrio, permite constancia pero no equilibrio. El equilibrio con el entorno es estar muerto. Se busca estar lejos del equilibrio. Equilibrio químico es que A es constante y B también es constante. Flujo estacionario es cuando el ingreso se iguala con el egreso de elementos en el organismo. Es un sistema abierto. La vida se originó una sola vez. Los seres vivos tienen ATP (adenosín trifosfato). Todos sintetizan proteínas utilizando el código genético. Todos utilizan como intermediario al ARN. Todos tienen una historia evolutiva común, un antecesor. La mutación es la fuente de variabilidad. La reproducción sexual también. Células La organización fundamental es la célula. ¿De qué estamos hechos? Lo que nos distingue es cómo el material está organizado. La materia se organiza en células. Los niveles de organización de la materia son los siguientes: Partículas subatómicas  átomos  moléculas  agregado molecular  célula  tejido  órgano  sistema de órganos  individuo complejo  población  comunidad  ecosistema  biosfera En el nivel subcelular: Tenemos las partículas subatómicas como protones, neutrones, electrones. En el nivel atómico tenemos a modo de ejemplo el oxígeno (O), el nitrógeno (N), el carbono (C), el hidrógeno (H), etcétera. A nivel molecular tenemos a modo de ejemplo el agua (H2O), el dióxido de carbono (CO2), etcétera. En el agregado molecular tenemos a modo de ejemplo las uniones débiles de los compuestos de la membrana plasmática. En el nivel de célula podemos tener desde una bacteria hasta una neurona. En el nivel de tejido podemos tener el epitelial. Sistema de órganos podemos tener el sistema o aparato digestivo o el nervioso. Individuos complejos tenemos a modo de ejemplo los humanos. Población es el conjunto de individuos de la misma especie, comparten el espacio y tiempo. Comunidad es el conjunto de todas las poblaciones de un espacio y tiempo. Ecosistema es el total de la comunidad más el entorno. Todos los ecosistemas forman la biosfera. La complejidad de cada nivel es creciente. Cada nivel tiene propiedades nuevas. Hay propiedades emergentes con el nivel de organización. Con la complejidad aparece, aumenta la diversidad.

4 Nivel atómico A nivel atómico tenemos los protones (P+) los electrones (e-) y los neutrones (N). Protones y neutrones forman el núcleo atómico. Los electrones se mueven en las zonas permitidas, llamadas orbitales. Los orbitales se distribuyen en niveles, se distribuyen en distancias al núcleo. Cuanto más cercano al núcleo la energía del nivel es menor (energía potencial). Los electrones se distribuyen hacia el nivel de menor energía. Siempre se busca el estado de menor energía. Esto se puede revertir aplicando energía. Lo espontáneo va al menor nivel de energía posible. Cuando se baja de nivel, se libera energía. Es decir que los procesos espontáneos liberan energía. Clase 2 Lunes 23/08/2004 Los átomos se distinguen por el número atómico, es decir por el número de protones (P+). El átomo es eléctricamente neutro. Protones (P+) y electrones (e-) se presentan en igual cantidad. En la tabla periódica, los átomos se ordenan según su número atómico. El número de protones (P+) identifica al átomo. El número de neutrones (N) puede variar y, a estas variaciones se las llama isótopos. El número másico (A) es el número de protones (P +) sumado al número de neutrones (N). Los isótopos difieren en cantidad de neutrones (N) y por lo tanto el número másico cambia. Las propiedades químicas del átomo dependen de los electrones (e-). La mayoría de los átomos no están libres sino que se unen formando moléculas. Los gases nobles suelen estar como átomos sueltos. Los electrones (e-) se mueven en ciertas zonas del espacio (orbitales). Los orbitales difieren en su distancia al núcleo. Los electrones (e-) tratan de ubicarse en el nivel de menor energía, en orbitales cercanos al núcleo. Cada nivel tiene una capacidad máxima para alojar electrones (e-). Los gases nobles tienen sus orbitales más cercanos al núcleo completos. Cada orbital soporta distinta cantidad de electrones (e-).

5

El primer nivel, el más cercano al núcleo, soporta hasta 2 electrones. El nivel 2, soporta hasta 8 electrones. El tercer nivel también soporta hasta 8 electrones. Cuando los electrones no completan los niveles más alejados del núcleo entonces tienden a unirse. Los átomos se unen mediante uniones químicas. Los átomos se combinan buscando el octeto. A modo de ejemplo, el flúor (F) tiene 9 protones y 9 electrones. De esos electrones, 2 están en el primer nivel, y 7 están en el segundo nivel. En este caso el segundo nivel es el más alejado del núcleo, y como el segundo nivel soporta hasta 8 electrones y el flúor tiene solamente 7 electrones en el segundo nivel, entonces le falta un electrón para llegar a 8 electrones en el segundo nivel. Si el flúor obtiene un electrón se transforma en flúor con carga negativa (F-), se transforma en un anión. ¿Por qué tiene carga negativa? Porque si gana un electrón, tiene 9 cargas positivas de los protones y 10 cargas negativas de los electrones. Es decir que tiene más cargas negativas que positivas, por lo que ya no es eléctricamente neutro. Cuando un átomo en su último nivel incompleto tiene pocos electrones, es más fácil que dichos electrones se desprendan del átomo. Si un átomo pierde electrones se transforma en un catión. A modo de ejemplo, el sodio (Na) tiene 11 protones y 11 electrones. De dichos 1 electrones, 2 están en el primer nivel, 8 en el segundo y uno más en el tercer nivel. El tercer nivel es el más alejado del núcleo y para completarlo, le harían falta 7 electrones, porque el tercer nivel soporta hasta 8 electrones. Por lo tanto, para el sodio (Na) es más fácil perder el electrón solitario que tiene en el tercer nivel, y de dicho modo se queda con 10 electrones y con el primer y segundo nivel completos. Al perder un electrón, ahora el sodio (Na) tiene 11 protones, es decir 11 cargas positivas; pero solamente 10 electrones, es decir solamente 10 cargas negativas. Por lo tanto el sodio (Na) ahora no

6 es eléctricamente neutro, sino que pasó a ser un catión, tiene carga positiva, transformándose de (Na) en (Na+). Dos átomos se transfieren electrones formando iones, uno positivo y uno negativo. Los dos iones de carga opuesta se unen por fuerza electrostática y se llama unión iónica. A modo de ejemplo, el flúor (F) y el sodio (Na). El flúor (F) toma electrones y el sodio (Na) cede electrones. También sucede entre el Cloro (Cl) y el sodio (Na).

Para que la unión se realice se necesita que un átomo necesite electrones y que otro átomo ceda electrones. La tendencia a tomar electrones en una unión química se llama electronegatividad. Un átomo debe ser muy electronegativo y el otro átomo debe ser poco electronegativo. El flúor (F) es el caso muy electronegativo y el sodio (Na) es el caso poco electronegativo. Son más electronegativos los átomos que con pocos electrones completan su último nivel orbital. Se forman uniones iónicas. La otra técnica para estabilizar es compartir electrones. A modo de ejemplo, el cloro (Cl) se puede unir a otro cloro (Cl). Se llama unión covalente simple y se simboliza con una raya entre ellos Cl−Cl. En el caso del oxígeno (O) a modo de ejemplo, se puede unir con otro oxígeno (O) mediante 2 uniones o enlaces, formando una unión covalente doble O= O. Puede haber uniones covalentes triples, como en el caso del carbono (C) que se une con otro carbono (C) y resulta de ello C≡ C. El oxígeno (O) tiene 8 protones y 8 electrones. El hidrógeno (H) tiene 1 protón y 1 electrón. En el caso del H2O tenemos un oxígeno (O) que tiene 6 electrones en su último nivel y que puede unirse con 2 hidrógenos (H), compartiendo un par de electrones con cada hidrógeno (H). Son 2 uniones covalentes simples.

7

En el caso del H2O el oxígeno (O) es más electronegativo que el hidrógeno (H). En general, el oxígeno es más electronegativo que los átomos con los que interactúa. Los electrones compartidos en este caso están más tiempo con el oxígeno (O), porque tiene mayor electronegatividad, es decir, mayor tendencia a tomar electrones. Esto provoca una distribución asimétrica de cargas en la molécula H2O. La zona de densidad negativa se llama delta menos (δ -) y la zona de densidad positiva es delta más (δ +).

Es una unión covalente polar. En el caso del O2 que se figura O=O tenemos una unión covalente pura o unión covalente no polar, tiene distribución simétrica de cargas. La molécula de agua H2O es angular.

El agua H2O es un dipolo. Tiene polo negativo con el oxígeno (O) y polo positivo con los hidrógenos (H). Una molécula polar tiene polos. En general una molécula polar tiene uniones polares, aunque no siempre. Mediante CHON podemos resumir al carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N), que son átomos muy importantes para el mundo biológico, para el mundo orgánico, para la vida. δ -

O−H

δ +

es una unión covalente polar

8 δ -

δ

O−C + es una unión covalente polar δ δ N−H + es una unión covalente polar δ δ N−C + es una unión covalente polar Las uniones covalentes puras requieren iguales electronegatividades. A modo de ejemplo C−C. Carbono con hidrógeno C−H es covalente pura. Los hidrocarburos son moléculas no polares (uniones de C con H).

Esto es un hidrocarburo sin regiones polares, con uniones covalentes simples puras:

En cambio en la siguiente molécula sí hay regiones polares entre el oxígeno (O) y sus uniones:

Los esqueletos hidrocarbonados son esqueletos de carbono (C) e hidrógeno (H). Es no polar y luego se le unen otros átomos. Uniones intermoleculares

9

Los puentes de hidrógeno se producen con facilidad; pero también se rompen con facilidad.

A modo de ejemplo, al calentar agua las moléculas se separan, se rompen los puentes de hidrógeno. La unión covalente es más fuerte que el puente de hidrógeno. Al mezclar agua y azúcar se forma una solución, un sistema homogéneo. Veamos el ejemplo siguiente con distribución asimétrica de agua:

10 No es lo mismo cualquier hidrógeno (H) para formar puentes de hidrógeno, porque no todos los hidrógenos (H) están unidos a oxígeno (O). En el agua las moléculas como los glúcidos, al disolverse forman una solución molecular. Sus grupos polares establecen puentes de hidrógeno con el agua, quedando la molécula intacta. En el caso del cristal de sal gruesa (NaCl) como ejemplo, es distinto. La unión iónica en un cristal es muy fuerte. La unión iónica en agua se debilita mucho y el agua separa los átomos. La unión iónica en nuestro contexto es débil. El sodio (Na) queda por un lado y el cloro (Cl) queda por otro lado, porque el agua tira de ellos y los separa. NaCl  Na+ + ClEl esquema sería algo como lo siguiente:

El NaCl se disoció o ionizó al separarse. Se forma una solución iónica. La sal se ioniza pero el azúcar no lo hace. Solución

Molecular (agua y azúcar) Iónica (agua y sal)

Los iones son los que conducen la electricidad en una solución. El agua pura H 2O no transmite la electricidad. En este caso:

No puede interactuar con el agua porque no hay polaridad. Es decir, no hay regiones cargadas δ + y δ Se forman interacciones hidrofóbicas cuando el agua no se une con lo no polar. El agua rechaza a lo no polar. Debe haber sustancias polares y no polares para que existan

11 interacciones hidrofóbicas. Las fuerzas de Van der Waals son fuerzas inespecíficas que unen átomos. No hace falta que sean polares y no polares. Hace falta que estén muy cerca y dura solamente un instante. Es muy débil, más débil que el puente de hidrógeno. Se vuelven importantes cuando no hay otra cosa. Cuenta cuando hay moléculas no polares. A modo de ejemplo, primero el agua rechaza el aceite (interacciones hidrofóbicas) por lo que el aceite se acerca entre sí y aparecen las fuerzas de Van der Waals. Las interacciones débiles son importantes para los procesos biológicos. A modo de ejemplo, las uniones entre moléculas se forman por uniones covalentes; las uniones entre moléculas son más débiles. Un compuesto con una parte polar y una parte no polar bien diferenciadas se llama anfipático.

La cabeza polar puede quedar bajo agua pero la cola no polar queda fuera del agua. Esta característica determina que se forman monocapas (como la nata de la leche). También se forman miscelas, que son pelotitas con las colas hidrofóbicas dentro.

Las interacciones hidrofóbicas forman la miscela. Dentro de las miscelas hay fuerzas de Van der Waals. La unión entre cabezas polares en la miscela son mediante puentes de hidrógeno. Se pueden formar bicapas, que se autosellan con un medio acuoso interno y externo.

12

Así se forma la membrana celular. Clase 3 Jueves 26/08/2004 Para formar parte de la membrana (plasmática), las moléculas deben ser anfipáticas, esto es, deben tener partes polares y no polares. Estamos hablando del nivel subcelular o agregados moleculares. Deben ser uniones débiles para formar agregados moleculares. Si varias moléculas (monómeros) se unen covalentemente se obtiene una molécula más grande (polímero). No se obtiene un agregado molecular. El agua H2O es el principal solvente. Las uniones de Van der Waals son más fáciles de separar que los puentes de hidrógeno. El agua tiene alta capacidad calorífica. Puede absorber calor sin aumentar mucho su temperatura. Parte de la energía entregada en forma de calor al agua, se ocupa en romper los puentes de hidrógeno que mantienen unidas a las moléculas H2O. El agua permite mantener la temperatura constante del cuerpo. El agua absorbe el calor y se evapora, por lo que evita el aumento de temperatura del cuerpo. Gracias a los puentes de hidrógeno, se disuelven las sustancias polares. El oxígeno O2 es muy poco soluble en agua. Al viajar en la sangre lo hace siendo transportado en el interior de los glóbulos rojos (eritrocitos), en la hemoglobina, que lo transporta desde los pulmones hasta los tejidos donde lo libera. Acá tenemos una unión covalente doble polar en el dióxido de carbono (CO2):

Es una molécula lineal. Al ser lineal la diferencia de cargas se anula. Es decir que la molécula es no polar, a pesar de que las uniones entre sus oxígenos y el carbono sí son polares. La hemoglobina al regresar también transporta el CO2 desde los tejidos hasta los pulmones donde lo libera.

13 Las colas (no polares) de los fosfolípidos son las barreras de la membrana. Las colas no polares de los fosfolípidos son ácidos grasos. Los azúcares, todo lo polar, no puede pasar la bicapa de la membrana. Lo no polar sí puede pasar. Moléculas orgánicas Toda molécula orgánica tiene carbono. El carbono forma hasta 4 enlaces covalentes. El nitrógeno forma 3, el oxígeno forma 2 y el hidrógeno forma 1. El esqueleto hidrocarbonado tiene carbono e hidrógeno. Se tiene un esqueleto de carbono e hidrógeno al que se le agrega un grupo funcional. El grupo funcional caracteriza a la molécula y le otorga polaridad. Los grupos funcionales le dan reactividad química a la molécula. Le permite participar en reacciones químicas. Grupos funcionales Grupo oxhidrilo o hidroxilo:

Caracteriza a los alcoholes. Es polar sin carga neta. Grupo carbonilo:

Caracteriza al aldehído si tiene el carbonilo en la punta.

14

Caracteriza a la cetona si tiene el grupo funcional en otro lugar que no sea la punta de arriba. Los aldehídos y cetonas reaccionan muy parecido. Grupo carboxilo:

Caracteriza a los ácidos. Siempre está en la punta. El carboxilo en nuestro cuerpo es un ion con carga neta negativa, porque pierde el protón del hidrógeno (entrega protones).

Se forman enlaces iónicos. Grupo amino:

15

Caracteriza a las aminas. Toma protones y por lo tanto tiene carga neta positiva. Forman uniones iónicas.

Grupo sulfhidrilo:

Caracteriza a los tiol. Es polar sin carga neta. Cuando hay grupos funcionales en general se nombran con el carboxilo al final. Hay grupos funcionales derivados. Se puede hacer reaccionar 2 grupos funcionales para formar otro nuevo (perdiendo una molécula de H2O en el proceso). Son los grupos funcionales derivados.

16

Alcohol + alcohol Alcohol + ácido Amino + ácido Ácido + ácido Aldehído + alcohol Tiol + ácido

Éter Éster Amida Anhídrido de ácido Hemiacetal Tioéster

A modo de ejemplo, si unimos 2 alcoholes obtendremos éter con pérdida de una molécula de H2O. Se denomina condensar al proceso.

El éter que se obtuvo se caracteriza por el C−O−C (es una unión covalente fuerte). Veamos algunos porque estos grupos son muy importantes:

17 La reacción inversa de la condensación es la hidrólisis. Para la hidrólisis, en lugar de extraer una molécula de H2O, se introduce una molécula de H2O. Biomoléculas Hidratos de carbono o glúcidos Lípidos Biomoléculas Aminoácidos y proteínas Nucleótidos y ácidos nucleicos Glúcidos o hidratos de carbono Los grupos funcionales de los hidratos de carbono son: Polihidroxialdehídos Polihidroxicetonas Tienen más de un grupo hidroxilo (alcohol) y tienen un aldehído o una cetona. Hay glúcidos simples y complejos. Los simples son los monosacáridos. Los complejos son varios monosacáridos unidos, y pueden ser oligosacáridos o polisacáridos. Los oligosacáridos tienen pocos monosacáridos, a modo de ejemplo 15. Un polisacárido puede tener 100 monosacáridos. Si clasificamos a los monosacáridos por la cantidad de carbonos que tienen (de 3 a 7 carbonos), obtenemos lo siguiente: Triosa Tetrosa Pentosa Hexosa Heptosa

3 carbonos 4 carbonos 5 carbonos 6 carbonos 7 carbonos

Es una aldosa si tiene aldehído. Es una cetosa si tiene cetona. A modo de ejemplo, la glucosa (C6H12O6) es el más importante y se trata de una aldohexosa.

18

La glucosa (C6H12O6) se disuelve perfectamente en el agua porque es polar. Ejemplos de monosacáridos: fructosa, galactosa, ribosa, desoxirribosa. La función de la glucosa es la de ser combustible energético. La glucosa se oxida, se rompe y libera energía. La glucosa es polar y no atraviesa con facilidad la membrana celular. Los otros monosacáridos se pueden transformar en glucosa. Si la glucemia está baja entonces no hay energía suficiente. En el cerebro la glucosa es vital. La ribosa y la desoxirribosa se utilizan en los ácidos nucleicos. El oligosacárido se forma cuando se une covalentemente un monosacárido con otro monosacárido. Se llama a unión glucosídica. Un disacárido es un oligosacárido de 2 monosacáridos. La sacarosa (el azúcar común) es un disacárido, formado por el monosacárido glucosa y el monosacárido fructosa. La lactosa es un disacárido que está en la leche y está formado por el monosacárido glucosa y el monosacárido galactosa. La maltosa es un disacárido formado por 2 glucosas. En la digestión, la unión glucosídica se rompe para liberar a los monosacáridos. Aportan el combustible para obtener energía. Otros oligosacáridos no están sueltos sino que están unidos a lípidos formando glicolípidos, o están unidos a proteínas formando glicoproteínas.

19 hay una gran variedad de oligosacáridos. Según de qué oligosacárido se trate, puede tener la función de dar información, o puede tener la función de recibir información. Muchos oligosacáridos están en la membrana celular, recibiendo o enviando señales. Polisacáridos hay lineales y ramificados. Glucógeno (carne) y el almidón (harinas) son ejemplos. Son polisacáridos formados por glucosa. Ambos son ramificados. Tienen la función de ser reserva de energía. El glucógeno es reserva de energía en animales (en el hígado y el músculo). El almidón es reserva de energía en los vegetales. ¿Cuál es la diferencia entre reserva de energía y combustible? La reserva se guarda y el combustible se usa. La glucosa que sobra se reserva como glucógeno en animales. El glucógeno del hígado es para romper (degradar) cuando dormimos, para mantener la glucemia, la concentración de glucosa en la sangre. El músculo guarda para sí mismo el glucógeno, como reserva para casos de ejercicio intenso. El almidón es reserva pero en las plantas. Otro polisacárido es la celulosa, armada de glucosas unas al lado de las otras; es lineal, sin ramas. La planta utiliza la celulosa para su pared celular (compuesta justamente de celulosa). Otorga resistencia y sostén. Las células animales no tienen pared celular. El almidón se rompe (degrada) en los animales; pero a la celulosa no la podemos digerir. La celulosa no sirve como fuente de energía. Hay un polisacárido llamado GAG. Son polímeros de monosacáridos, es lineal. No es de glucosa sino de otros monosacáridos con cargas negativas. Atrae al agua. Funciona como protector y lubricante porque es muy viscoso. Fundamentalmente está fuera de la célula (es extracelular), en el espacio intercelular. En la piel hay mucho y también en las articulaciones, en los cartílagos. También hay en el mucus. Clase 4 Lunes 30/08/2004 Lípidos No hay grupos funcionales comunes a todos los lípidos. No hay monómeros y polímeros en los lípidos. Los lípidos se caracterizan por no ser solubles en agua. Los lípidos no se disuelven, no se mezclan con agua. Los lípidos pueden ser anfipáticos. Forman miscelas o bicapas. Los triacilglicéridos (triglicéridos) son las grasas animales y aceites vegetales. Los triacilglicéridos son ésteres de glicerol (glicerina) y 3 ácidos grasos.

20

El glicerol es un alcohol, un polialcohol, y tiene 3 grupos oxhidrilos. El glicerol es polar y viaja por la sangre. Es soluble en H 2O. El ácido graso tiene un grupo carboxilo (polar) y una cola no polar. La mayoría de los ácidos grasos tienen número par de carbonos. El ácido graso es anfipático. No es bueno que los ácidos grasos viajen solos, sueltos, por el organismo, porque desorganizan las membranas celulares. Los ácidos grasos sirven de combustible energético. Se puede oxidar para liberar energía. El triacilglicérido es la forma de almacenar energía.

Para formar un triacilglicérido hay que hacer reaccionar el éster, con 1 glicerol y 3 ácidos grasos. Recordemos que el éster es la unión de un alcohol con un ácido, liberando una molécula de H2O. Representación de la formación de un triglicérido, uniendo 1 glicerol con 3 ácidos grasos:

21

El triglicérido es completamente insoluble. Los triglicéridos no se mezclan con el agua, porque tridimensionalmente los triglicéridos están envueltos por los ácidos grasos. Para degradar el triglicérido, hay que hidrolizarlo por los ésteres. Se oxida para dar energía. Se reserva en las células adiposas. El aceite es lo mismo pero en los vegetales. A la planta le sirve de reserva y está en las semillas. El almidón es reserva de glúcidos en las plantas. Los triglicéridos tampoco pueden circular libremente por el organismo. Otro grupo de lípidos Los fosfolípidos son ésteres de glicerol, 2 ácidos grasos, 1 ácido fosfórico y 1 alcohol pequeño.

22

Es igual que un triacilglicérido, con ácidos grasos en la posición 1 y 2, pero en la tercera posición, en lugar de haber un ácido graso, hay un ácido fosfórico con un alcohol pequeño.

Es una cabeza polar con 2 colas no polares.

Un ejemplo lo tenemos con la fosfatidilcolina. Lo que cambia en los fosfolípidos es el alcohol pequeño. El producto de la hidrólisis de la fosfatidilcolina da un alcohol pequeño (colina), 2 ácidos grasos, 1 glicerol y 1 ácido fosfórico. En la membrana existen también glicolípidos. Tienen cabeza polar y 2 colas; pero la cabeza es un glúcido (puede ser un monosacárido o un oligosacárido). En la membrana, si hay glicolípidos, siempre están en la parte externa, del lado de fuera de la bicapa. El glicolípido forma parte de la membrana. Esteroides

23 Los esteroides son bien diferentes de los otros lípidos. El más importante es el colesterol. Todos los esteroides tienen la siguiente estructura:

La estructura de arriba se llama ciclopentanoperhidrofenantreno. Cada punta tiene un carbono. El colesterol en particular es así:

El colesterol es anfipático. Tiene una parte polar chiquita y una parte no polar. El colesterol puede meterse en la membrana, es componente de las membranas biológicas. Fosfolípidos, glicolípidos y esteroides (colesterol) forman parte de la membrana. El colesterol tiene otras funciones, porque sirve para producir otros compuestos, como las hormonas esteroides. Las hormonas regulan procesos en el organismo, son reguladores. Las hormonas son mensajeros químicos. Todas las hormonas esteroides se fabrican a partir del colesterol. Están las hormonas sexuales (andrógenos y estrógenos). Otras hormonas esteroides son las de la corteza suprarrenal (corticoides como el cortisol). Otro corticoide es la aldosterona. Con el colesterol también se fabrica vitamina D. Las sales biliares también son un esteroide derivado del colesterol (ayuda a digerir los lípidos). Lo que es perjudicial es el exceso de colesterol; pero un poco de colesterol hace falta en todas las células. El colesterol es insoluble y debe ser transportado. Lo que se llama colesterol malo, es una lipoproteína que se denomina LDL que transporta el colesterol hacia todas las células. Cuando se ingiere mucho colesterol se genera mucha LDL y el resultado es que se pueden tapar los vasos sanguíneos. El llamado colesterol bueno, es otra lipoproteína denominada HDL, cuya función es recolectar el colesterol sobrante y transportarlo al hígado para que sea degradado y excretado. Lo perjudicial o peligroso en el organismo es que esté circulando más LDL que HDL. Proteínas Las proteínas son polímeros de aminoácidos (uniones covalentes fuertes llamadas peptídicas).

24

Las proteínas son lineales.

Las proteínas no tienen ramas. Un aminoácido tiene un grupo ácido (carboxilo), un grupo amino, un hidrógeno y un resto R, todo unido a un carbono central.

En los enlaces peptídicos, es decir en el enlace entre un aminoácido y otro, la unión se realiza entre el ácido de uno y el amino del siguiente. Cuando se une el amino con el ácido (carboxilo) se libera 1 molécula de H2O (el carboxilo primero pierde el protón). Se llama amida a la unión peptídica, porque condensa un ácido con un amino. Hay 20 aminoácidos distintos que pueden formar las proteínas.

25 Aminoácido metionina

En el resto R puede haber un grupo no polar, a modo de ejemplo CH3. Puede haber un grupo polar sin carga neta, a modo de ejemplo un oxhidrilo OH o un sulfhidrilo SH. Puede haber un grupo polar con carga neta positiva, a modo de ejemplo un grupo amino NH2 que queda NH3+ y se llaman aminoácidos básicos. Puede haber un grupo polar con carga neta negativa, a modo de ejemplo un grupo carboxilo O= C−OH que pierde el protón quedando O= C−O- con un H+ suelto. El comportamiento del aminoácido depende del grupo R, es decir del resto. Una proteína se distingue por sus aminoácidos. La estructura primaria de una proteína es la secuencia ordenada de aminoácidos que tiene dicha proteína. Las proteínas tienen una gran diversidad estructural. La estructura secundaria de una proteína es la forma en la que se organiza espacialmente, la cadena de aminoácidos (la cadena primaria). Hay 2 modelos de estructura secundaria. Una de ellas es la alfa hélice, es decir α hélice.

La hélice se estabiliza por puentes de hidrógeno entre los aminoácidos. Esos puentes de hidrógeno sostienen la hélice. Los puentes de hidrógeno se forman entre los oxígenos (O) y los hidrógenos (H) de los enlaces peptídicos. La otra estructura secundaria que se encuentra es la beta formación, es decir β formación.

La mayoría de las proteínas tienen algo de α hélice y tienen algo de β formación.

26 La estructura terciaria de la proteína es la estructura tridimensional final del plegamiento de la proteína en el espacio.

Las más comunes son las globulares (redonditas) y las fibrosas (alargadas). Dependiendo de los grupos R que tengan los aminoácidos que forman la proteína, se van a acercar o rechazar formando estructuras. Estas estructuras también dependerán de la interacción de los grupos R con el medio en el que se encuentran.

La estructura terciaria se estabiliza con uniones débiles como las uniones iónicas (salina, donde no haya H2O que pueda romper el enlace), fuerzas de Van der Waals y puentes de hidrógeno. La única unión covalente fuerte entre los grupos R, que puede ayudar a la estructura terciaria, es la denominada puente disulfuro (S−S).

27 Algunas proteínas (no todas) tienen estructura cuaternaria. Cuaternaria significa que tiene más de una cadena (peptídica). Dichas cadenas peptídicas interactúan por uniones débiles.

Si la proteína tiene 1 única cadena, es decir que no tiene estructura cuaternaria, se denomina monomérica. Si la proteína tiene más de una cadena polipeptídica, es decir que tiene estructura cuaternaria, se denomina oligomérica. Cada proteína tiene su propia arquitectura. La estructura tridimensional depende de los grupos R de los aminoácidos, depende de la estructura primaria y del medio en el que se encuentra. De la estructura final depende la función de la proteína. Al perder su estructura, la proteína pierde su función. Hay muchas uniones R y por lo tanto es muy estable. Son uniones débiles pero hay muchas. Las proteínas son flexibles, dentro de ciertos límites puede cambiar su forma de adaptabilidad sin desarmarse. Puede cambiar un poquito su conformación. Si caliento una proteína y rompo las uniones débiles se produce la desnaturalización de la proteína. Cuando la proteína se desnaturaliza queda solamente la estructura primaria con sus enlaces peptídicos, perdiendo su función. Proteína simple y conjugada Una proteína simple tiene solamente sus cadenas de aminoácidos. Una proteína conjugada, tiene sus cadenas de aminoácidos (grupo apoproteína) y tiene otro grupo más llamado prostético. Si una proteína conjugada no tiene su grupo prostético, entonces no trabaja, no funciona. A modo de ejemplo la hemoglobina es una proteína oligomérica conjugada. Tiene 4 cadenas de aminoácidos y un grupo prostético en cada cadena (grupo hemo, y su nombre se forma de hemo + globina). El oxígeno se une al grupo hemo. Si la proteína hemoglobina no tiene su grupo hemo, entonces el oxígeno no se puede unir.

28

Clase 5 Jueves 02/09/2004 Funciones de las proteínas El colágeno es la proteína más abundante. Es alargada y soporta tensiones. Se encuentra en la matriz intercelular (espacio entre las células). A modo de ejemplo, en la dermis de la piel hay mucho colágeno. En los tendones también, debido a que el colágeno permite resistencia. Hay en cartílagos y huesos. La elastina es otra proteína que se encuentra a modo de ejemplo en las venas y arterias; es alargada y elástica. La queratina es otra proteína estructural que se encuentra en el pelo y en las uñas. La hemoglobina es una proteína globular que transporta oxígeno. Hay muchas proteínas que son enzimas. Las enzimas aceleran las reacciones químicas. Hay gran cantidad de enzimas; una para cada reacción química. Sus nombres terminan en asas. Algunas proteínas son hormonas; pero no todas las hormonas son proteínas. Hay proteínas transportadoras de membrana (carriers). Están en la membrana y ayudan a pasar moléculas. Otras proteínas de membrana son receptores de mensajes (receptores de hormonas). Hay proteínas en la sangre; albúmina es la más abundante y se ocupa de transportar moléculas no polares. Tiene otra función colaborando en la entrada y salida desde los vasos y células. Otras proteínas se llaman inmunoglobulinas y tienen función de anticuerpos. Hay proteínas reguladoras, otras se unen al cromosoma (histonas), etcétera. La gran variabilidad de funciones se debe a la variabilidad estructural de las proteínas. Las proteínas también sirven como reserva de energía; pero no existen proteínas que ocupen dicha función. Se pueden romper para obtener energía pero esa no es su función. La albúmina es una proteína que se rompe ante la falta de alimento. Actina y miosina están en el músculo y sirven para la contracción muscular. En la degradación, durante ayuno prolongado, se pierde mucha masa muscular y hay falla cardíaca por la falta de proteínas. Nucleótidos y ácidos nucleicos

29

Los nucleótidos son los monómeros con los que se construye el polímero denominado ácido nucleico. El nucleótido tiene 3 componentes: 1 pentosa, 1 base nitrogenada y ácido fosfórico. Al juntar una pentosa con una base nitrogenada, se forma el nucleósido. Al agregar el ácido fosfórico se forma el nucleótido. La pentosa es un glúcido de 5 carbonos y, la pentosa puede ser ribosa o desoxirribosa.

El carbono 5 está fuera del anillo. Con los carbonos (C) hay alcoholes (OH). Hay una base nitrogenada que contiene nitrógeno (N) y carbono (C). Las bases nitrogenadas son de 2 tipos: purinas y pirimidas.

Dentro de las púricas hay 2 clases, la adenina y la guanina. Pirimídicas hay 3 clases, citosina, timina y uracilo.

Un nucleótido puede tener cualquiera de éstas. La base nitrogenada se une al carbono 1 de la pentosa.

30

Es una unión covalente llamada glucosídica (la base siempre se une por el nitrógeno). Por lo tanto la unión se denomina N glucosídica. Para armar el nucleótido, hay que agregar el ácido fosfórico.

El ácido fosfórico tiene lugar para realizar muchas uniones distintas. Al nucleósido se pueden unir 1, 2 o 3 ácidos fosfóricos.

Este es un ejemplo de nucleótido monofosfato. El fosfato se une al carbono 5 de la pentosa, mediante una unión éster.

Si tuviera 2 fosfatos el segundo se une al primero:

31

Las uniones entre fosfatos son uniones anhídrido (ácido + ácido). Son uniones covalentes fuertes y se grafican mediante un firulete (~). Se denominan uniones de alta energía. Para formarlas hay que entregar mucha energía y al romperlas entregan (liberan) mucha energía. Si se une un tercer fosfato, el tercero se une al segundo fosfato.

Si la pentosa es ribosa y la base nitrogenada es adenina, entonces con 1 fosfato se puede formar AMP (adenosina monofosfato), con 2 fosfatos se forma ADP (adenosina difosfato) y con 3 fosfatos se forma ATP (adenosina trifosfato).

El ATP es la moneda energética. Los productos de la hidrólisis del ATP son ribosa, adenina y 3 fosfatos. Si el azúcar es desoxirribosa, se aclara poniendo una d chiquita delante, a modo de ejemplo, dATP, dADP, dAMP. dGMP CDP dTTP

Desoxi guanina monofosfato Citosina difosfato Desoxi timina trifosfato

El ATP tiene la energía en los enlaces de fosfato. Al romperse un enlace de ATP se libera mucha energía y se suelta un fosfato inorgánico (Pi). ATP  ADP + Pi + energía ADP  AMP + Pi + energía

32 El proceso inverso también se da. En la evolución se llegó a que la mayoría utiliza ATP para las reacciones químicas. La energía se obtiene de los alimentos. Los alimentos son la fuente de energía a partir del cual se obtiene el ATP. El ATP no es una reserva de energía. Todo el tiempo se fabrica y se utiliza ATP. Se fabrica más o menos dependiendo de las necesidades del momento. El ATP es un nucleótido con una función energética. Otras funciones de nucleótidos son AMPc (AMP cíclico), es un segundo mensajero que funciona dentro de la célula (las hormonas no entran a la célula y el AMPc hace de mensajero de señales hormonales en el interior celular). Otros nucleótidos se llaman coenzimas. Las coenzimas son ayudantes de enzimas. A modo de ejemplo está el NAD, el FAD, el NADP y el CoA. Los ácidos nucleicos son polímeros lineales de nucleótidos monofosfatos.

Se une el alcohol del carbono 3, con el fosfato del siguiente nucleótido. Es una unión éster llamada fosfodiéster. Si un nucleótido tiene ribosa, entonces todos los nucleótidos del polímero, del ácido nucleico, tiene ribosa. Lo mismo sucede con la desoxirribosa: si uno lo tiene, entonces toda la cadena lo tiene. Las cadenas de nucleótidos con ribosa se denominan ARN, ácido ribonucleico. Las cadenas de nucleótidos con desoxirribosa, se denominan ADN, ácido desoxirribonucleico. Quedan cadenas lineales con puntas diferentes porque en el nucleótido de arriba, el fosfato del carbono 5 queda libre, y por lo tanto a dicho extremo de la cadena se lo denomina cinco prima (5'). En cambio en la otra punta de la cadena, en el nucleótido final (abajo), el fosfato está ocupado, pero queda libre el alcohol (oxhidrilo) del carbono 3, y por lo tanto a dicho extremo de la cadena se lo denomina tres prima (3'). La diferencia entre la ribosa y la desoxirribosa, es que la ribosa tiene oxhidrilos en los carbonos 2 y 3; en cambio la desoxirribosa, tiene solamente en el carbono 3.

Azúcar Bases Cadenas

ADN Desoxirribosa ATGC (tiene timina) 2 (bicatenaria)

ARN Ribosa AUGC (tiene uracilo) 1 (monocatenaria)

33 Las 2 cadenas del ADN bicatenario son complementarias y antiparalelas. Las 2 cadenas complementarias se unen por puentes de hidrógeno.

Son 2 puentes de hidrógeno entre las adenina (A) y la timina (T), y son 3 puentes de hidrógeno entre la guanina (G) y la citosina (C).

En el espacio las 2 cadenas forman una estructura helicoidal, una hélice.

34

La forma espacial del ARN depende del medio.

El ADN y el ARN difieren en la secuencia de nucleótidos, es decir en las bases. El idioma del ADN son los 4 nucleótidos y cómo se combina. Así porta la información genética. El ARN expresa la información del ADN. La secuencia de nucleótidos contiene la receta de las proteínas. Sobre la base de dichas recetas o instrucciones se arman las proteínas (cadenas polipeptídicas). El ADN lleva la información y el ARN la expresa. El ADN lleva toda la información, en los cromosomas (46 cromosomas en los humanos) alojados en el núcleo. Cada cromosoma lleva una doble hélice de ADN. El ARN sirve para que algo, una parte de esa información se exprese, por lo tanto el ARN es más corto que el ADN. La vida media del ARN es corta y luego se degrada. El ADN es el original que dura mientras la célula exista (la célula no degrada el ADN). Cuando el ADN se copia (replica) cada célula hija recibe una cadena del ADN original. Energética

35 El ser vivo es un sistema abierto que intercambia energía y materia con el ambiente. Nosotros obtenemos la energía de los alimentos. Las plantas utilizan la energía lumínica mediante la fotosíntesis. La fotosíntesis es importante porque toma dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O), que son moléculas orgánicas, y las transforma en moléculas orgánicas como la glucosa (C6H12O6). Nosotros los animales no podemos hacer eso, sino que debemos obtener las moléculas orgánicas del medio. Otra transformación importante que realizan las plantas es que a la energía lumínica del sol la transforman en energía química. Con energía se puede realizar trabajo, cambios. Si en lugar de tomar el individuo aislado, miramos lo que sucede en el entorno con la materia y la energía, encontraremos que la materia se recicla. La materia cumple un ciclo: de inorgánico pasa a orgánico y de orgánico pasa a inorgánico. Las plantas realizan el proceso desde lo inorgánico hasta lo orgánico, son productores. Los degradadores (a modo de ejemplo las bacterias) hacen el proceso desde lo orgánico hasta lo inorgánico. Nosotros somos consumidores. Tanto los consumidores como los productores pueden ser descompuestos por los degradadores. Hay consumidores primarios, secundarios, terciarios, y se pueden armar cadenas tróficas. Los herbívoros son primarios, los secundarios se comen a los primarios, los terciarios se comen a los secundarios, etcétera. Cualquiera de ellos al morir es material para los degradadores. El ecosistema no tiene un ciclo. El ecosistema lo que tiene es un flujo, fluye. La energía no se recicla. Hay un aporte constante de energía (lumínica) y esa energía se transforma en la medida en que la utilizamos, ya sea en forma de calor o en otra forma. A medida que se sube en la cadena trófica, la energía es menor, porque se pierde mucha energía en forma de calor.

Leyes de la Termodinámica 1º La energía se conserva. Siempre que hay un proceso, la energía se transforma pero no se destruye ni se crea. Esta ley habla de la cantidad de energía. 2º Siempre que hay un proceso, la energía útil disminuye. Esta ley habla de la calidad de la energía. Estos dos principios son para sistemas aislados. El segundo en particular permite predecir cómo ocurrirá un proceso espontáneo. Si un proceso para ocurrir necesita

36 energía, entonces no es espontáneo. La energía total estará formada por la energía útil y la energía inútil. La primera ley dice que se conserva la energía total. La segunda ley dice que aumenta la energía inútil. La energía útil es la energía libre y la energía inútil es la entropía (tendencia al desorden). Si la energía final es mayor que la inicial el proceso se llama endergónico. Se aportó energía desde fuera y no es espontáneo. Los procesos anabólicos ocurren cuando se sintetizan proteínas; de pocas piezas se llega a algo mayor. La energía final es mayor a la inicial (Ef > Ei)

Si a una molécula grande la rompo y obtengo moléculas menores, entonces degrado y al proceso se lo denomina catabolismo (es un proceso catabólico). Es un proceso exergónico porque libera energía y es espontáneo. La energía final es menor a la inicial (Ef < Ei)

Si no intercambiáramos energía con el ambiente, nosotros no podríamos realizar procesos endergónicos. ATP  ADP + Pi + energía Es un proceso catabólico exergónico espontáneo. Clase 6 Lunes 06/09/2004

37 Recordemos que si en la guía de estudios se habla de polaridad se refiere a la disolución en agua. Una proteína para interactuar con el agua depende de su estructura terciaria, de sus grupos R, y del medio en el que se encuentra. Los lípidos no tienen grupos comunes. Ni siquiera el glicerol les es común. La diferencia entre grasas y aceites es que las grasas están en animales y aceites en vegetales. Algunos ácidos grasos tienen doble enlace y se llaman insaturados (estado líquido). Si no tienen doble enlace se llaman saturados (estado sólido). Energía En el catabolismo una molécula grande se rompe y se obtienen moléculas simples. Es exergónico espontáneo. Si la energía (útil) liberada no se usa, entonces se desperdicia. Con la energía que se libera se fabrica (sintetiza) ATP, a partir del ADP + Pi. Los enlaces del ATP son de alta energía. El ATP se utiliza luego para muchas cosas. Al ATP para usarlo se lo rompe, obteniendo ADP + Pi + energía. Esa energía obtenida se utiliza para el anabolismo, para la síntesis de moléculas complejas a partir de moléculas simples. Para que exista el anabolismo debe haber catabolismo, porque el catabolismo permite obtener el ATP. La formación del ATP es un proceso anabólico. Es decir, el catabolismo de moléculas permite el anabolismo de ATP. La hidrólisis del ATP es un proceso catabólico. Siempre se produce un acoplamiento energético entre el catabolismo y el anabolismo. El anabolismo necesita del catabolismo; pero puede haber catabolismo sin anabolismo (a modo de ejemplo, degradando moléculas sin crear ATP). C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O (catabólico)

En el tiempo cero tenemos las moléculas de A que tienen energía, por eso la energía en el tiempo cero no es nula. Se llama energía inicial (depende de la energía cinética, etcétera). La energía útil se liberó porque la energía final es menor que la energía inicial. Es un proceso catabólico exergónico. En este caso A (reactivo) es más complejo que B (producto). 6CO2 + 6H2O  C6H12O6 + 6O2 (anabólico)

38

En el transcurso de la reacción aumenta la energía útil final, porque B (producto) es más complejo que A (reactivo). Es un proceso anabólico endergónico no espontáneo. Siempre en el medio del proceso hay un pico de energía. El estado intermedio se llama A asterisco, es decir (A*). A  A*  B La energía de activación es la energía que hay que alcanzar para lograr la reacción.

No es lo mismo lo espontáneo que lo instantáneo. La energía de activación es un criterio de velocidad. Cuanto más grande es la energía de activación, más lento es el proceso. La energía de activación proviene del movimiento molecular. Las moléculas que al chocar adquieren mayor energía (energía cinética, etcétera), son las que aportan la energía de activación. Una de las formas de aumentar la velocidad es aumentando la concentración de los reactivos (mucho en poco espacio). Otro modo de aumentar la velocidad es con calor. También es posible aumentar la velocidad utilizando un catalizador. Un catalizador es una sustancia que disminuye la energía de activación.

39

Hay proteínas que hacen el papel de catalizadores biológicos y se denominan enzimas. El catalizador (la enzima) propone un nuevo camino para la reacción, con energía de activación más baja. Reactivo + enzima  complejo reactivo enzima  producto + enzima Es decir: A + E  AE  B + E La enzima solamente acelera algo que es termodinámicamente posible. La enzima no acelera lo que no va a ocurrir. Si una reacción es endergónica y yo coloco en un tubo de ensayo la enzima, no es suficiente para que la reacción ocurra, porque falta la energía. Las enzimas aceleran las reacciones anabólicas y catabólicas si todo lo necesario para la reacción está presente. La energía de activación depende de cada uno de los productos iniciales y finales, no es siempre igual. En las células las reacciones necesitan ser muy rápidas, por eso todas las reacciones requieren enzimas. La estrategia es la enzima. A modo de ejemplo, la degradación de la glucosa es espontánea exergónica. Si tomamos glucosa y la ponemos en presencia de oxígeno, se va a degradar pero de modo muy lento. Características de las enzimas Las enzimas son catalizadores biológicos, que bajan la energía de activación, acelerando la reacción. Las enzimas forman un complejo con el reactivo (sustrato) de la reacción. S + E  SE  P + E S = sustrato E = enzima P = producto La enzima queda inalterada al final de la reacción, es decir que puede volver a ser utilizada. Las enzimas se necesitan en pequeña cantidad (cantidades catalíticas). Casi

40 siempre son proteínas. Las proteínas cuando se calientan se desnaturalizan y pierden su función (se rompe su estructura terciaria y secundaria). Las enzimas son muy sensibles a las temperaturas. También son sensibles al pH (grado de acidez del medio). Las enzimas son específicas, son selectivas. Las enzimas son saturables y regulables. Las enzimas son macromoléculas. Dentro de su estructura espacial, deben tener zonas donde el sustrato se fija. Dicha zona de la enzima se denomina sitio activo.

La unión enzima sustrato es débil. La especificidad depende del sitio activo. La velocidad es el cambio durante el tiempo, esto es, qué cantidad de sustrato pasa a ser producto, en una unidad de tiempo determinada. Si en un tubo de ensayo tenemos solamente 3 enzimas y medimos la velocidad de la reacción observaremos los siguiente:

Vemos que la curva parte de cero porque en cero no hay sustrato. Si hay 3 enzimas que trabajan a 1 minuto de tiempo (es decir que cada enzima demora 1 minuto en formar el catalizar la reacción y liberarse), y hay más de 3 sustratos, entonces los sustratos restantes, deben esperar a que alguna enzima se desocupe. Para aumentar la velocidad hay que agregar enzima. Cuando hay altas concentraciones de sustrato, la velocidad máxima se alcanza y se satura. La curva se llama hipérbola Michaelis-Menten. Esto es igual que en los supermercados. Cuando hay muchas personas que están esperando para pagar, entonces hay dos opciones: o bien las personas deberán esperar el tiempo que sea necesario, o bien hay que agregar cajeros para que la demora sea menor. Hay ocasiones en que una enzima puede trabajar con 2 sustratos diferentes, aunque la enzima no tiene por qué tener la misma afinidad por ambos. La afinidad es la tendencia a unirse la enzima y el sustrato. Esto se detecta por la cantidad de sustrato que se requiere para la reacción.

41

Una enzima trabaja bien cuando la velocidad máxima se alcanza normalmente. Es decir, el producto obtenido ha sido en el tiempo correcto. A baja temperatura no hay reacción por la baja cinética molecular. A altas temperaturas, se desnaturaliza la enzima. Por lo tanto, hay temperaturas óptimas para las enzimas.

El pH indica la acidez de una sustancia. Valores bajos de pH, los menores a 7, indican soluciones ácidas. Valores altos, mayores a 7, indican soluciones básicas o alcalinas. Cuanto más alto el pH la sustancia toma (acepta) más protones H+ y cuanto más bajo el pH la sustancia toma (acepta) menos protones H+. El pH del agua es 7 y se considera como neutro.

42 El pH en nuestras células es en general 7,4 (ligeramente básico). La vida de la célula depende de un pH muy estrecho, que está entre 7,38 y 7,42. Al cambiar el pH cambia la estructura de las proteínas. Las enzimas trabajan a un pH óptimo.

Si hay muchos protones en un medio entonces hay uniones químicas que no se pueden realizar. Si hay pocos protones también puede afectar. Nuestro organismo todo el tiempo produce ácidos liberando protones H+; pero hay sistemas que evitan que esos protones queden sueltos (son amortiguadores del pH). Hay enzimas a las que el pH no las afecta, a modo de ejemplo las enzimas que no tienen uniones iónicas. La mayoría de las enzimas trabaja a un pH cercano a 7; pero hay otras que no, a modo de ejemplo en el estómago hay enzimas que trabajan a un pH de 2 (ácido).

Efecto cooperativo de las enzimas

43

En las enzimas oligoméricas hay varias cadenas (polipeptídicas).

Cuando un sustrato se une a un sitio activo de la enzima, entonces en la enzima puede haber cambios conformacionales que se trasladan a las otras cadenas. La unión con un sustrato puede mejorar los sitios activos de la enzima. A medida que se van uniendo más sustratos mejora la afinidad de la enzima por el sustrato. Se dice que es un efecto cooperativo porque cuando un sitio activo se une al sustrato, ayuda a otro sitio activo a mejorar su afinidad.

44

Este aumento de la afinidad de la enzima por el sustrato, a medida que aumenta el sustrato que se une a la enzima, implica que a medida que aumenta el sustrato, aumenta la velocidad (justamente porque aumenta la afinidad). Algunos alimentos que nos intoxican disminuyen la actividad de las enzimas, porque son inhibidores. En general se trata de algo accidental. Reversibles: se unen a la enzima por uniones no covalentes, es decir uniones débiles y, por lo tanto, es más fácil separarlos. Inhibidores Irreversibles: se unen a la enzima covalentemente, es decir, uniones fuertes. Dentro de los inhibidores reversibles tenemos: Competitivo: compite con el sustrato, para unirse a la enzima Inhibidores reversibles No competitivo: no compite con el sustrato, para unirse a la enzima Los inhibidores competitivos son parecidos al sustrato, y se unen al sitio activo de la enzima, evitando así que el sustrato se pueda unir a la enzima. S + E  SE  P + E I + E  IE (no hay producto) El resultado final dependerá de quién hay más, si hay más sustrato o, si hay más inhibidor competitivo ocupando (obstruyendo) los sitios activos de las enzimas. Si hay más inhibidor competitivo que sustrato, entonces habrá menos producto.

45

La presencia del inhibidor competitivo, cambia (baja) la afinidad de la enzima por el sustrato. Se podrá llegar a la velocidad máxima; pero aumentando la cantidad de sustrato. El inhibidor no competitivo es aquel que se une a la enzima en un sitio activo distinto al sitio activo que utiliza el sustrato.

El sustrato se une a la enzima sin problema; pero no hay producto si también está unido el inhibidor. S + E  SE  P + E I + E  IE S + E + I  SEI (no hay producto)

46

El sustrato se puede unir a la enzima pero no hay producto (el inhibidor afecta la catálisis). La afinidad de la enzima por el sustrato no cambia, no disminuye. Sin embargo, la velocidad máxima nunca se alcanza, porque por más que se agregue más sustrato, el inhibidor evita la catálisis sin impedir que el sustrato se una a la enzima. Se podría decir que la diferencia entre el inhibidor no competitivo y el inhibidor competitivo, es que el inhibidor no competitivo anula la actividad de la enzima, y que el inhibidor competitivo obstruye al sustrato. Clase 7 Jueves 09/09/2004 Recordemos que la afinidad es la tendencia que tiene la enzima a unirse con el sustrato. Los inhibidores disminuyen la formación del producto. Cambia la capacidad que tiene la enzima, de formar producto. El sitio activo es el lugar donde se une el sustrato. Son aminoácidos que pueden actuar (interactuar) con el sustrato. La mayoría de los inhibidores son tóxicos ajenos al organismo, que ingresaron al organismo accidentalmente. Vamos a poner el ejemplo de la glucosa como sustrato y la fructosa como inhibidor competitivo.

47

Regulación enzimática La regulación enzimática es muy importante para las células. No todas las reacciones ocurren en el mismo momento. Las vías metabólicas ayudan a la regulación de las reacciones químicas. Una vía metabólica son los pasos que siguen las reacciones químicas encadenadas. Generalmente las reacciones son encadenadas. ABCD Para formar D a partir de A se requieren varios pasos. A es el sustrato de la vía y D es el producto final de la vía. B y C son intermediarios de la vía. Cada paso tiene su enzima correspondiente.

Estos procesos se regulan, regulando alguno de los pasos. Es decir, algunas de las enzimas, generalmente las primeras, pueden ser regladas, a modo de ejemplo activándolas. Esto ocasiona la reacción en cadena. Para cortar o acelerar la reacción, se estimula o no los iniciadores (regulables) de la vía metabólica.

48 En este caso la vía metabólica es ramificada. Por lo tanto, si quiero llegar a L en lugar de llegar a F, debo anular en E. Esto permite que se produzca L pero no se produzca F.

Se puede regular la actividad y se puede regular la cantidad. Regulación

Actividad de la enzima Cantidad de la enzima

Regular la actividad es lograr que la enzima trabaje o que la enzima no trabaje, sin afectar la presencia de la enzima. Regular la cantidad es disponer que haya más cantidad de enzima o menos cantidad de enzima, para permitir o no permitir una reacción. El mecanismo de regular la cantidad de enzima es más lento que el mecanismo de regular la actividad de la enzima. Mecanismos para regular la actividad

Mecanismos enzimática

para

regular

Regulación alostérica (reversible) Modificación covalente (reversible) Activación de zimógenos por proteólisis actividad limitada (irreversible) Disponibilidad de sustrato Compartimentalización Disponibilidad de cofactor

Para regular la actividad están los reguladores alostéricos. El regulador alostérico encaja perfecto en el sitio alostérico. El sitio alostérico es un sitio distinto al sitio activo. El regulador alostérico puede ser un activador o un inhibidor. Es decir, puede ser regulador positivo o negativo. Al unirse el inhibidor y la enzima, se alteran las uniones débiles de la proteína (enzima). Esto provoca un cambio en la conformación de la proteína y altera su función.

49

Cambia la conformación y por lo tanto baja su afinidad por el sustrato. Por lo tanto baja la cantidad de producto. Si en lugar de inhibidor es un activador, entonces favorece la afinidad de la enzima porque mejora el sitio activo para el sustrato. Es la inversa del inhibidor.

Ejemplo en la glucólisis (vía metabólica). Hay enzimas regulables, el sustrato es la glucosa, el producto es ATP. Si se quiere que la glucosa no se degrade, entonces el ATP mismo actúa como inhibidor. Se llama feedback negativo, retroalimentación negativa o retroinhibición. Cuando hay poco ATP no llega a afectar a la degradación de la glucosa; pero cuando se acumula ATP inhibe la glucólisis. La afinidad por el ATP es menor a la afinidad por el sustrato glucosa. Se llama inhibición por producto final. Al gastarse el ATP se crea ADP. Cuando falta energía, la cantidad de ADP es mayor a la cantidad de ATP. El ADP entonces puede funcionar como activador (a la inversa que

50 el ATP). La carga energética es el nivel de ATP o ADP en el organismo. El ADP necesario para iniciar la formación de ATP se llama precursor. La activación por ADP se denomina activación por precursor. Las uniones alostéricas son débiles. Todos estos son modelos alostéricos de regulación enzimática. El regulador debe estar cerca de la enzima y la señal es intracelular, es local. Mecanismo de modificación covalente Como ejemplo tenemos la fosforilación y la desfosforilación, es decir, la unión o eliminación de fosfatos. Los mecanismos alostéricos son mediante uniones débiles. Pero en la modificación covalente se trata de uniones fuertes. Reacción de fosforilación:

Esta reacción de fosforilación requiere un catalizador. La enzima que cataliza se llama proteína quinasa (enzima que fosforila a la otra enzima). Al fosforilarse la enzima cambia su estructura primaria, en el sentido de que uno de sus aminoácidos queda unido covalentemente a un fosfato. Sin embargo el cambio no es grande en la estructura primaria, es despreciable. El fosfato tiene carga negativa, cambia la forma de la proteína (enzima). Cambia su estructura tridimensional. Esto modifica la actividad de la proteína (enzima). Puede activarla o desactivarla. Para revertirlo hace falta una reacción química inversa, la hidrólisis, que se denomina desfosforilar. La enzima que cataliza la desfosforilación es la enzima fosfatasa (enzima que desfosforila a otra enzima). A modo de ejemplo para fabricar glucógeno, hay que unir glucosa. El glucógeno se fabrica cuando sobra la energía (al ingerir alimento). Se degrada el glucógeno cuando se hacen ejercicios o estando en ayunas. Las hormonas indican si se ha ingerido alimento o si no se ha ingerido, porque las hormonas son mensajeros químicos. Este mecanismo covalente responde principalmente a señales hormonales. Para que la activación mediante fosforilación se realice, debe estar activa la enzima quinasa que se encarga del proceso de activación. Para que la inactivación mediante desfosforilación se realice, debe estar activa la enzima fosfatasa que se ocupa del proceso de inactivación. La regulación por modificación covalente, fosforila o desfosforila, dependiendo de las señales hormonales.

51 Otro mecanismo para regular la cantidad es la activación de zimógenos por proteólisis limitada. Los zimógenos son enzimas que se fabrican en forma inactiva. Los zimógenos son precursores de enzimas. Recién trabajan en el momento y lugar en que se necesitan. Se activan por proteólisis. La proteólisis es la rotura de proteínas. Al zimógeno se le corta un pequeño fragmento. Proteólisis completa brinda aminoácidos. La proteólisis es limitada, se le corta (quita) una pequeña porción de aminoácidos. Se cambia la estructura primaria y, eso permite que el sustrato se pueda unir a la enzima.

Para realizar la proteólisis se necesita una enzima proteasa que rompa el zimógeno. El proceso es irreversible. Hay enzimas que son peligrosos, como las enzimas digestivas, porque degradan todo lo que encuentran. Por lo tanto se las fabrica como zimógenos y, no están activas hasta que estén en contacto con el alimento que deben degradar. La activación de la primera enzima proteasa desencadena la activación de las otras. La primera se activa por el pH ácido del estómago. No es común el zimógeno en el interior de la célula. Regulación de la cantidad Se trata de fabricar más enzima o fabricar menos enzima. La información para armar proteínas están en el ADN. Si la proteína no está hay que fabricarla. Se debe copiar la información del trozo respectivo de ADN, en el que está la información de cómo armar la proteína. Se copia en forma de ARNm y, al proceso de copiar el ADN para obtener el ARNm, se lo denomina transcripción. Luego, utilizando como molde el ARNm obtenido, se arma la proteína mediante un proceso denominado traducción. A lo que se denomina regulación genética es a esta regulación de los genes, que se expresan siendo copiados y traducidos. Lo que se regula es la transcripción (proceso de obtener el ARNm copiando un trozo de ADN). Puede suceder que una enzima no se esté fabricando y que pase a fabricarse, proceso denominado inducción (aumenta la traducción). Evitar que un gen se transcriba se denomina represión (disminuir la transcripción de ADN). La mayoría de las regulaciones de este tipo son en la

52 transcripción. Hay pocos casos en que la regulación actúa sobre la traducción. Se responde a señales hormonales, nutricionales, etcétera. El mecanismo de regulación genética es para enzimas que no se necesitan mucho. Hay enzimas constitutivas y enzimas adaptativas. Las enzimas constitutivas son las que están presentes siempre. Las enzimas adaptativas son las que aparecen solamente cuando se las necesita, son las que están genéticamente reguladas. La mayoría de las enzimas son constitutivas. La cantidad de enzimas en el organismo también se puede regular por la velocidad de degradación de la enzima. Es decir, la velocidad, a la que la enzima se degrada, su vida media. Todas las enzimas tienen una vida media y, se puede inducir a que una enzima se degrade más rápido. Las enzimas que se degradan rápido pueden tener la regulación de degradación en su misma estructura primaria., en la secuencia de sus aminoácidos Otra forma de regular la vía metabólica es por disponibilidad de sustrato. Algunas enzimas necesitan un ayudante denominado coenzima. Por lo tanto, también hay regulación por disponibilidad de cofactor. Imaginemos que dentro de la mitocondria hay una ruta metabólica. El sustrato entonces deberá entrar a la mitocondria para unirse a las enzimas. Es decir que el sustrato y la enzima están en distintos compartimentos (de la célula). Este tipo de regulación se denomina compartimentalización. Mediante todos estos mecanismos se controla que unas vías metabólicas funcionen y otras vías metabólicas no lo hagan. Vamos a hacer un ejercicio (sobre enzimas) de la guía de estudios. Dice que en una célula ocurre la siguiente serie de reacciones:

Cuando se estudia la actividad de la enzima E1 en el laboratorio, se obtiene la curva "a" del gráfico de abajo y en presencia de alta concentración de D se obtiene la curva "b". Nos pide explicar las distintas partes de la curva "a" especificando de qué tipo de curva se trata, y que comentemos y justifiquemos la regulación de esta vía metabólica.

53

Se trata de una curva sigmoidea. Los productos B y C son reguladores positivos de la enzima. Sin embargo D compite y no se alcanza la velocidad máxima aunque no disminuye la afinidad, porque es un inhibidor no competitivo. Se trata de regulación por producto final. Clase 8 Lunes 13/09/2004

Podemos decir que si no hay enzima, la velocidad de la reacción será menor; pero no hay una velocidad máxima: al agregar sustrato la velocidad aumentará. Sin embargo, para igualar sin enzima la velocidad que se alcanza utilizando enzimas, hace falta agregar mucho sustrato.

Hay un problema en la guía de estudios que dice así: Se incuba una enzima con tres concentraciones distintas de sus sustratos específicos, observándose que la actividad de la enzima es igual en los tres casos. ¿Se puede concluir a partir de estos resultados que la actividad de la enzima no depende de la concentración del sustrato? Explique y justifique. Bueno, si en los 3 tubos existe la misma velocidad, es porque en los 3 tubos la enzima está saturada por la cantidad de sustrato. Se cumple que la actividad de la enzima no depende de la cantidad de sustrato, solamente si la cantidad de sustrato satura a la enzima. Es decir, pasada cierta cantidad de sustrato, la velocidad a la que trabaja la enzima no cambia. Hay otro ejercicio en la guía que es el siguiente:

54 Se realizó un ensayo utilizando tres recipientes. En el recipiente I y II se coloca la sustancia (A). En el recipiente III se coloca la sustancia (B). A los tres recipientes se les agrega la misma enzima. El recipiente II se incuba a 70ºC. Los recipientes I y III se incuban a 35ºC. Luego de un tiempo se observa lo siguiente: En el recipiente I se observa la presencia de una nueva sustancia (D) y la enzima (X). En el recipiente II se registra la presencia de la sustancia (A) y la enzima (X). En el recipiente III se registra la presencia de la sustancia (B) y la enzima (X). Explique qué pudo haber ocurrido en cada caso. Bueno en este problema lo que tenemos es que en el tubo I que estaba a 35ºC la enzima (X) trabajó bien con el sustrato (A) y catalizó, resultando de ello un producto nuevo (D). En el tubo II que estaba a 70ºC la enzima (X) se desnaturalizó y por lo tanto, no trabajó bien con el sustrato (A) y no catalizó, por lo que el sustrato (A) no cambió, no apareció un nuevo producto. En el tubo III que trabajó a 35ºC la enzima (X) no trabajó con el sustrato (B), y no catalizó, por lo que no apareció un producto nuevo, seguramente porque el sustrato (B) no corresponde a la enzima (X). Hay otro problema de la guía de estudios que nos pide señalar los errores de la siguiente frase y justificar la respuesta: "Las enzimas son glúcidos que inician reacciones que de otro modo no ocurrirían. Actúan disminuyendo la energía de activación de la reacción, donde se transforma un sustrato A en un producto B, modificándose por su acción la energía potencial de los productos y reactivos" Bueno en este caso vemos que las enzimas no son glúcidos sino proteínas. Las reacciones que catalizan son solamente las termodinámicamente posibles, es decir, las que ocurrirían igual sin enzima; pero lo harían de modo más lento. Y finalmente, su acción no modifica la energía potencial. Membranas biológicas Toda membrana tienen la misma composición básica y estructura general. Las membranas se arman con fosfolípidos que forman bicapas.

Son lípidos anfipáticos, con parte polar y no polar, y casi todos son fosfolípidos. Algunos también tienen glicolípidos y algunos tienen también colesterol. La membrana es un mosaico fluido.

55

Se dice que la membrana es un mosaico fluido porque tiene componentes (mosaico) y porque los componentes tienen movimiento (fluido). Son agregados de moléculas con uniones débiles. Las proteínas pueden moverse transversalmente y también pueden rotar. El movimiento de fosfolípidos que no se da es el de inversión (flip-flop). El mosaico fluido es asimétrico, porque la monocapa externa es distinta de la monocapa interna. Los fosfolípidos externos e internos no son iguales. Lo mismo sucede con las proteínas. La composición de las membranas no es siempre igual en todos los casos. Unas tienen más proteína de un tipo, otras una proteína distinta, etcétera. ¿De qué depende la fluidez de las membranas? Si los componentes de la membrana están muy unidos entonces la membrana es más rígida. Si los componentes están unidos más débilmente, entonces la membrana es más fluida. La consistencia de la membrana es gelatinosa. Para conocer la fluidez de la membrana hay que analizar las uniones entre las colas hidrofóbicas (los ácidos grasos) de los fosfolípidos. Son uniones de Van der Waals. Los ácidos grasos son cadenas hidrocarbonadas. Recordemos que los átomos de carbono forman hasta 4 enlaces. Si las colas de los fosfolípidos (es decir lo ácidos grasos) son largas entonces hay más uniones de Van der Waals. Si las colas son cortas entonces hay menos uniones de Van der Waals. Si hay más uniones (colas largas) entonces la membrana es más rígida. Si hay menos uniones (colas cortas) entonces es más fluida. En los carbonos de doble enlace, en los ácidos grasos insaturados, no hay rotación de los carbonos.

56

Con uniones cis hay menos uniones de Van der Waals, y por lo tanto las uniones cis entorpecen el empaquetamiento de la membrana. Con uniones cis entonces la membrana es más fluida (porque hay menos uniones de Van der Waals). En general, uno de los ácidos grasos es saturado y el otro insaturado. Otro factor que regula la fluidez es el colesterol. Si la membrana está rígida, el colesterol la hace más fluida, y si la membrana está fluida, el colesterol la hace más rígida. Función de la membrana En la membrana la función de barrera la ejerce la parte no polar de la bicapa, es decir, los ácidos grasos. Por la barrera podrá pasar solamente lo no polar. A modo de ejemplo el oxígeno (O2), el dióxido de carbono (CO2), los ácidos grasos, los esteroides, todos ellos pasan libremente la barrera. El glicerol y la urea también pasan. Lo polar no puede pasar la barrera. Lo polar pasa la membrana solamente, si en la bicapa hay alguna proteína transportadora de dicha molécula polar, que se lo permita. Para algunas sustancias la membrana es permeable, para otras sustancias la membrana es impermeable, y para otras sustancias, la membrana es semipermeable (selectiva). Difusión En la difusión las moléculas se mueven y se distribuyen uniformemente en toda una región.

57

El movimiento (difusión) de las partículas es desde la región donde hay más partículas hacia la región donde hay menos partículas. Este movimiento es a favor de gradiente. El gradiente es un cambio gradual en algo. Un gradiente de concentración es el cambio gradual de concentración. Si el movimiento es desde la región donde hay más partículas (mayor concentración) hacia la región en la que hay menos partículas (menor concentración), entonces el movimiento es en contra del gradiente. Si el movimiento es desde la región donde hay menos partículas (menor concentración) hacia la región en la que hay más partículas (mayor concentración), entonces el movimiento es a favor del gradiente.

Esto se llama disipar un gradiente, es espontáneo exergónico y aumenta la entropía. Para crear un gradiente, hace falta energía, porque crear un gradiente no es espontáneo, sino endergónico, y disminuye la entropía. Tener un gradiente formado es tener energía potencial almacenada en el gradiente. Se llama energía osmótica a esa energía potencial almacenada en el gradiente. Mecanismos de transporte a través de la membrana

Mecanismos de transporte

Difusión simple Difusión por proteína canal Difusión facilitada por proteína transportadora (carrier) Primario Transporte activo Secundario

Difusión simple: la molécula se mueve desde donde hay más concentración hacia donde hay menos concentración, atravesando la bicapa (no hace falta proteína). Es a favor de gradiente, es exergónico espontáneo. Son las moléculas no polares como oxígeno O2, dióxido de carbono CO2, etcétera.

58

Difusión por proteína canal: Es utilizado por moléculas polares pequeñas como los iones (sodio Na+, potasio K+, calcio Ca2-). Los iones tienen carga eléctrica, y se necesita en la membrana una proteína que le sirva de pasaje. La proteína es un canal, y tiene una puerta que se puede abrir o cerrar para permitir el paso.

Estos canales no son específicos, es decir que iones pequeños con la misma carga pueden entrar. Es a favor de gradiente y no hay gasto de energía. Difusión facilitada por proteína transportadora (carrier): La proteína (carrier) se une específicamente con la sustancia que quiere transportar. La tiene que reconocer a la molécula y al unirse, la proteína (carrier) tiene un cambio conformacional y esto permite que la molécula pase al lado opuesto. Este sistema lo utilizan moléculas polares más grandes que los iones pero que tampoco son macromoléculas. A modo de ejemplo, lo utilizan la glucosa, los aminoácidos (monómeros). Tiene que haber afinidad y unión. La unión entre el carrier y la sustancia es débil porque una vez que lo transporta al otro lado, se deben soltar. Al igual que las enzimas, las proteínas transportadoras (carriers) tienen una velocidad máxima y se pueden saturar, si es que hay mucha sustancia que quiere pasar. Tiene sitio de unión y se puede regular. Son reutilizables, la proteína transportadora al final del proceso queda intacta. Son sensibles al pH y a la temperatura. No requiere gasto de energía y es a favor de gradiente. Transporte activo: Este mecanismo se utiliza para mover las moléculas, en contra de gradiente. Desde donde hay menor concentración hacia donde hay mayor concentración. No es espontáneo y necesita energía. La energía necesaria se puede obtener del ATP. Transporte activo primario: La energía se saca directamente de la hidrólisis del ATP. El ATP se convierte en ADP + Pi y la energía se usa para el transporte. Vamos a ver un ejemplo:

59 Bomba de sodio potasio (Na+ / K+): el sodio Na+ trata de entrar a la célula a favor de gradiente y el potasio K+ trata de salir de la célula a favor de gradiente. Hay que evitar esto. En el lado interno de la célula, la proteína se une al sodio Na + y, la misma proteína, en el lado externo de la célula, se une al potasio K +. En la proteína hay una enzima que hidroliza ATP. A la bomba se la llama sodio potasio ATPasa. La proteína al unirse al sodio Na+ del lado interno y al potasio K+ del lado externo, cambia su forma, dejando al sodio Na+ en el lado externo, y dejando al potasio K+ en el lado interno. Es decir que saca al sodio Na+ y mete el potasio K+. Se satura la bomba si hay exceso, trabaja a velocidad máxima. Todas las células del cuerpo tienen esta bomba de sodio potasio, y mantienen un gradiente. Este sistema se denomina contratransporte porque una sustancia entra mientras la otra sustancia sale.

Transporte activo secundario: Es igual que el transporte activo primario; pero la energía no viene directamente del ATP. Vamos a ver el ejemplo del transporte de glucosa C6H12O6 al interior del intestino. Primero la glucosa entra por difusión; pero luego hay mucha glucosa C6H12O6 dentro y poca glucosa C6H12O6 fuera, por lo tanto, la difusión ya no sirve como mecanismo de transporte (no hay gradiente a favor para entrar). Para transportar en contra del gradiente, hay una proteína que tiene un sitio de reconocimiento para la glucosa C6H12O6 y un sitio de reconocimiento para el sodio Na+. En el interior hay poco sodio Na+ y en el exterior hay mucho sodio Na+, por lo tanto el sodio Na+ puede entrar a favor de gradiente. Entonces, mediante la proteína, el sodio Na+ entra a favor de gradiente por difusión y la glucosa C6H12O6 entra contra gradiente acoplada al sodio Na+. El transporte activo es solamente para la glucosa C6H12O6. Si este sistema sigue funcionando, llega un momento en el que dentro habrá mucho sodio Na+ y fuera habrá poco sodio Na+, y el sodio ya no podrá entrar a favor del gradiente. Pero la célula tiene una bomba sodio potasio y esto permite que el sodio Na+ en el interior no se acumule.

60

Este sistema en última instancia depende del ATP; pero de modo indirecto. Este sistema se denomina cotransporte sodio glucosa porque ambas sustancias entran juntas hacia el mismo lado.

Clase 9 Jueves 16/09/2004 Transporte en masa ¿Cómo pasan la membrana las macromoléculas como las proteínas, virus, ácido nucleico, bacterias, etcétera? Este mecanismo de transporte se denomina transporte en masa. Las macromoléculas se engloban en una vesícula. La macromolécula entra en la célula sin atravesar la membrana. Este sistema se llama endocitosis. Si la membrana sufre una invaginación que envuelve a la macromolécula y la introduce en la célula, hablamos de pinocitosis.

61

Si la célula estira su membrana para atrapar a la macromolécula, entonces el mecanismo se denomina fagocitosis.

El proceso inverso también existe. Se envuelve la macromolécula, se acerca a la membrana celular, y luego de fusionarse la envoltura con la membrana celular, la macromolécula se expulsa de la célula. Este proceso se denomina exocitosis.

En la sangre circulan hormonas, y dichas hormonas llegan a la sangre por exocitosis. Los linfocitos (anticuerpos) también. Los lípidos que circulan también. Tanto para la endocitosis como para la exocitosis, se gasta energía, porque hay movimiento. ¿Cómo se mueve el agua H2O dentro y fuera de la célula? La membrana es permeable al agua, a pesar de que el agua es polar (sin carga neta). El agua se filtra entre los fosfolípidos de la membrana. Para el agua la membrana es permeable. Se mueve por un mecanismo denominado ósmosis. La ósmosis es el movimiento del agua por difusión, a través de una membrana semipermeable. El movimiento del agua es desde la zona de mayor concentración de agua, hacia la zona de menor concentración de agua. Desde el mayor gradiente hacia el menor gradiente.

62 El agua se mueve hacia donde hay más concentración de soluto, es decir, hacia donde hay más partículas de soluto, porque es el lugar en el que hay menos partículas de agua. El agua se mueve desde la solución más diluida hacia la solución más concentrada (de soluto). Hacia donde haya más partículas de soluto va el agua. La unidad de medida de esta concentración de partículas de soluto se denomina osmoralidad. El agua va desde la menor osmoralidad, hacia la mayor osmoralidad. Cuando en ambos lados existe la misma proporción o concentración, se denomina equilibrio dinámico.

El agua entra a la bolsita (gráfico de abajo) porque hay más soluto dentro de la bolsita que fuera. El agua entra a la bolsita hasta que la columna de agua que sube por el tubo, genera una presión que equipara la presión de la tendencia del agua a entrar a la bolsita.

La columna de agua hace presión hacia abajo. Dicha presión se denomina presión osmótica. La presión osmótica es producida por la entrada del agua y dicha presión osmótica se opone a la entrada de agua. La presión de la columna hacia abajo, se equipara a la presión del agua para entrar a la bolsita. La presión osmótica es mayor cuando entra más agua, es decir que es mayor cuando hay más soluto.

63

La osmoralidad de la célula y los vasos sanguíneos es similar. Cuando ingerimos agua, hay mayor agua en los vasos sanguíneos y por lo tanto baja la osmoralidad de los vasos, por lo tanto el agua entra en la célula, que ahora tiene mayor osmoralidad. La célula se deshidrata si tiene menor osmoralidad que los vasos sanguíneos. Hacia donde hay más partículas corre el agua. Hipertónico significa que hay más partículas y por lo tanto mayor osmoralidad. Un glóbulo rojo en una solución hipertónica:

Hipotónico significa que tiene menos partículas y por lo tanto menor osmoralidad. La célula entonces se deshidrata, porque pierde agua. Un glóbulo rojo en una solución hipotónica:

La célula entonces absorbe agua hasta que estalla.

64

A una célula le conviene vivir en un medio isotónico. Se denomina isotónico cuando tiene la misma osmoralidad, por lo tanto el agua está en equilibrio dinámico. Veamos algunos casos de la guía de estudios. Un problema dice que se extraen membranas de glóbulos rojos y se colocan en dos tubos de ensayo. A uno de ellos se lo somete a un proceso térmico a 100ºC (debemos asumir que la bicapa fosfolipídica no sufre modificaciones). Se analiza luego el pasaje de glucosa a través de esas membranas y se observa que aquellas que han sido tratadas resultan impermeables a la glucosa. ¿Cómo interpretamos estos resultados? Bueno, acá lo que tenemos es que se desnaturalizó la proteína de la difusión facilitada, por lo tanto la glucosa no tiene carrier para pasar. En los casos de difusión simple, como con el O2, con el calor se entra más rápido. Respecto a cómo entran las sustancias enumeradas en otro problema de la guía de estudios, tenemos que el H2O entra por ósmosis, el CO2 por difusión simple, la glucosa por carrier, los ácidos grasos por difusión simple, el glicerol por difusión simple, aminoácidos por carrier, nucleótido por carrier, urea por difusión simple. En otro problema nos piden discutir la siguiente afirmación: "Cuando se separan dos soluciones de diferente concentración mediante una membrana semipermeable, el agua se desplaza desde la solución hipertónica hacia la hipotónica hasta alcanzar el equilibrio dinámico, esto implica que todo movimiento de partículas cesa, aunque persiste el gradiente de concentración." Bueno, debemos decir que el agua se desplaza desde la solución hipotónica hacia la hipertónica, hasta que el gradiente de concentración se equilibra (equilibrio dinámico). El movimiento de partículas sin embargo, no cesa. En otro problema nos dan el siguiente gráfico:

Nos dicen que en dicho gráfico se analiza la variación de velocidad inicial de entrada de un soluto al interior de una célula en función de la concentración externa del mismo. Nos pide que indiquemos y justifiquemos cuál o cuáles mecanismos de transporte se ajustan a cada una de las curvas considerando siempre que la concentración inicial de soluto interna es cero. Bueno, la curva que siempre sube es típica del mecanismo de difusión simple, que no tiene velocidad máxima. La curva que a mitad de camino se quiebra y se torna estable

65 (horizontal) es un mecanismo mediante proteína transportadora que, evidentemente se saturó por la abundancia de soluto. En otro ejercicio nos dicen que tres tubos cuyas bocas están tapadas por una membrana semipermeable y que contienen una misma solución, presente en tres concentraciones diferentes, se sumergen en una cuba que contiene una concentración desconocida de dicha solución. El gráfico es el siguiente:

Nos piden que justifiquemos los resultados obtenidos en el estado final. También nos preguntan qué mecanismo de transporte está implicado y finalmente nos preguntan la concentración de la cuba. Bueno, el mecanismo implicado es el de ósmosis. En el tubo que contiene el 1% el agua sale porque el agua tiene mayor osmoralidad respecto al tubo. En el tubo al 2% se mantiene igual porque tiene la misma osmoralidad que el agua de la cuba. En el tubo del 3% el agua entra porque el tubo tiene mayor osmoralidad que el agua de la cuba. La concentración de la cuba es por supuesto 2% y nos lo indica justamente, el que en el tubo cuya concentración está al 2%, el agua ni entra ni sale, sino que está en equilibrio dinámico. Clase 10 Lunes 20/09/2004 En esta parte el que quiera puede usar también la fotocopia de algunas partes del capítulo del sistema nervioso del siguiente libro (tiene explicaciones e ilustraciones muy didácticas): Título: Biopsicología Autor: Pinel, John ISBN: 84-205-2989-3 Edición: 1ª ed., 1ª imp. Publicación: Madrid: Pearson Educación, S.A. , 09/2000 Descripción: 664 p.: il. col.; 27x20 cm Sistema nervioso (transmisión neuronal)

66

El sistema nervioso junto al sistema endocrino regula los procesos del organismo. El sistema endocrino involucra las hormonas. El sistema nervioso trabaja con el impulso nervioso y dicho impulso es muy corto con respuestas rápidas. El sistema nervioso se compone del sistema nervioso central y del sistema nervioso periférico. El sistema nervioso central está formado por el encéfalo y por la médula espinal. El sistema nervioso periférico está formado por lo nervios y por los ganglios. Central Sistema nervioso Periférico

Encéfalo Médula espinal Nervios Ganglios

Los ganglios son las estaciones de relevo. Todo lo que veremos pasa por el sistema nervioso central y periférico. La idea es recibir información a través de receptores. Los receptores reciben un estímulo y el sistema nervioso procesa la información y genera una respuesta que se envía a los efectores. Los receptores pueden ser los órganos de los sentidos o los propioceptores (receptores propios o del estado interno), como los receptores de posición (espacial), receptores de si hay oxígeno, del pH, temperatura, etcétera.

67

Circuito cerebro - músculo Los nervios están conectados entre sí y se comunican sus señales a través de las sinapsis. El movimiento de un músculo implica dos complejas vías nerviosas : la vía del nervio sensitivo al cerebro y la vía del nervio motor al músculo. Son 12 los pasos básicos que constituyen este circuito y que se indican a continuación. 1. Los receptores de los nervios sensitivos en la piel detectan las sensaciones y transmiten una señal al cerebro. 2. La señal recorre el nervio sensitivo hasta la médula espinal. 3. Una sinapsis en la médula espinal conecta el nervio sensitivo a un nervio de la médula espinal. 4. El nervio cruza al lado opuesto de la médula espinal. 5. La señal asciende por la médula espinal. 6. Una sinapsis en el tálamo conecta la médula espinal a las fibras nerviosas que llevan la señal a la corteza sensorial. 7. La corteza sensorial percibe la señal e impulsa a la corteza motora a generar una señal de movimiento. 8. El nervio que lleva la señal cruza al otro lado en la base del cerebro. 9. La señal desciende por la médula espinal. 10. Una sinapsis conecta la médula espinal al nervio motor. 11. La señal sigue a lo largo del nervio motor. 12. La señal alcanza el final de la placa motora, donde estimula el movimiento muscular.

68

¿Qué tipos de células forman el sistema nervioso y cómo trabajan? Sistema es el conjunto de órganos. Los órganos están formados por tejidos, y los tejidos están formados por tipos celulares. Hay dos grupos de células en el sistema nervioso. Están las neuronas que son las típicas que generan y propagan el impulso nervioso. También están las células de la glía. Las células de la glía no llevan el impulso nervioso pero sirven de apoyo a las neuronas para protegerlas, alimentarlas, procesar los desechos, algo de sostén, forman la mielina. Las neuronas están muy protegidas y eso es beneficioso porque las neuronas no se dividen, no hay regeneración de neuronas. Las neuronas que se mueren no se reemplazan. La barrera hematoencefálica selecciona cuidadosamente las sustancias que vienen en la sangre y lo que puede llegar a las neuronas. A las neuronas no les llega cualquier nutriente, a modo de ejemplo ácidos grasos no llegan. La barrera hematoencefálica está formada por células de la glía. La neurona está formada por el cuerpo celular y las prolongaciones.

Las prolongaciones son las dentritas, el axón y la terminal axónica o telodendron. Dentro de las dentritas hay citoplasma, la dentrita no es solamente membrana. En los órganos del encéfalo, todos los cuerpos neuronales se ubican en la parte más superficial del cerebro.

69

Los cuerpos de las neuronas están en lo superficial y los axones (prolongaciones) se meten en el interior del cerebro. La parte superficial es la corteza cerebral o sustancia gris. Los axones forman la sustancia blanca y también los nervios. Un nervio es un paquete de axones. Los nervios son blanquecinos. Si el axón está en el encéfalo se llama sustancia blanca. En los exones hay un revestimiento lipídico que se llama mielina.

La cobertura de mielina no es continua. Entre cada vaina de mielina hay unas pequeñas regiones de axón que no tienen cobertura que se denominan nodos o nódulos de Ranvier. La mielina está hecha de fosfolípidos y glicolípidos. La forman las células de la glía. La célula rodea el axón dándole muchas vueltas, por lo que el axón se aplasta. Lo que forma la vaina de mielina es la membrana de la célula de la glía, y el citoplasma y el núcleo de la célula de la glía quedan arriba. La dirección de propagación del impulso nervioso es el siguiente: dentrita, cuerpo, axón, telodendron, y así hasta la siguiente neurona, o al órgano efector.

70

En el sistema periférico las prolongaciones son los nervios. En los ganglios están los cuerpos de dichas neuronas del sistema periférico, cuyos axones son los nervios. Dentro de la clase de neuronas tenemos las sensitivas que se especializan en recibir los estímulos y las que se llaman motoras que tienen un axón que termina en el órgano efector. La neurona motora envía la respuesta al órgano. Están las neuronas que están a medio camino. ¿Qué es el impulso nervioso y cómo se propaga? El impulso nervioso es una perturbación electroquímica en las neuronas. Algo cambia y ese cambio es electroquímico, es decir, hay cambios en cargas eléctricas y concentraciones de algo. Cambian cargas eléctricas y concentraciones de sustancias. Hay algo que se denomina potencial de membrana y lo tienen todas las células:

La concentración de iones dentro y fuera de la célula es diferente. Fuera de la célula hay mucho sodio Na+ y adentro poco. Fuera de la célula hay mucho cloro Cl - y adentro poco. Fuera de la célula hay poco potasio K+ y adentro mucho. Dentro de la célula hay también proteínas con carga negativa. La carga eléctrica neta de la célula, depende de la sumatoria de todas las cargas. El interior es negativo con respecto al exterior. Es de -70 mV (milivoltios) la diferencia de potencial. Es menos comparado con el exterior. A esa diferencia se le llama potencial de membrana. Es consecuencia de la distribución asimétrica de iones. En

71 esas condiciones la célula trabaja bien. Si hablamos de una neurona, el potencial de membrana se denomina potencial de reposo. Está en reposo cuando la neurona no recibe estímulo. Los iones para pasar de un lado al otro de la neurona utilizan proteínas canal, hay para el sodio Na+ y para el potasio K+ pero están tapados (cerrados) y por lo tanto no pueden pasar. Si alguno pasa la bomba sodio potasio lo expulsa. ¿Cuándo se abren los canales? Cuando llega un estímulo a la neurona, los canales de sodio Na+ se abren. El sodio Na+ entra a la neurona a favor del gradiente y el potencial de membrana cambia, hay una perturbación y el potencial de membrana pasa de ser negativo a ser positivo. El cambio de negativo a positivo se denomina potencial de acción. El potencial de acción es de aproximadamente +50 mV (milivoltios). Es decir que se pasa de -70 mV a +50 mV. La entrada de sodio Na+ es el responsable del cambio en el potencial (del cambio eléctrico). Este cambio de potencial hace que se abran los canales de potasio K+. Es decir, el cambio eléctrico producido por el ingreso de sodio Na + ocasiona que se abran los canales de potasio K+ y, el potasio K+ sale de la neurona. Estos canales que dependen del cambio eléctrico, se denominan canales dependientes del voltaje. La salida del potasio K+ ocasiona que la neurona vuelva al mismo potencial anterior, es decir que vuelve al potencial de -70 mV. Sin embargo, ahora hay mucho sodio Na+ dentro de la neurona y poco potasio K+ dentro de la neurona (al revés de cómo se empezó). Entonces la bomba sodio potasio restablece las proporciones normales de sodio Na+ y potasio K+ dentro de la neurona.

Cuando sube el potencial se está despolarizando. Cuando baja se está repolarizando (está volviendo al potencial anterior). Si el potencial se pasa de -70 mV un poco, a modo de ejemplo llega a -80 mV, entonces se denomina hiperpolarización. Este cambio de potencial que describimos pasa fundamentalmente en el axón; pero se debe propagar. Los axones están mielinizados. En los nodos de Ranvier hay proteínas canales.

72

Se perturban las cargas de los nodos siguientes y provocan la entrada de sodio Na+. Es decir, la despolarización, el potencial de acción, va pasando de un nodo al siguiente, en un efecto dominó o cascada, por todo el axón, producida por la atracción entre cargas opuestas. El primer cambio en el primer nodo, ocasiona que el segundo nodo también inicie la apertura del canal de sodio Na+. La transmisión es en un único sentido o dirección, porque demora tiempo volver al potencial de reposo, al potencial normal, a la normalidad. Es decir, cuando el primer nodo se está recuperando (repolarizando y volviendo al potencial normal), el segundo nodo se está despolarizando (perturbando e iniciando el potencial de acción). Cuando se llega al final de la neurona, hay que transmitir la señal o el impulso, a la neurona siguiente. Es un proceso químico que se denomina sinapsis.

Cada neurona fabrica sustancias denominadas neurotransmisores. Se fabrican en su citoplasma, en su cuerpo, y lo envuelve a cada uno en una vesícula membranosa. Están dentro de las neuronas y viajan hacia el telodendron, hacia la terminal del axón. El impulso se propaga por el axón y se perturba la membrana, por lo que las vesículas se liberan por exocitosis.

73

El neurotransmisor se libera al espacio sináptico (espacio entre la neurona presináptica y la neurona postsináptica). La segunda neurona, la postsináptica, tiene que tener un receptor en la membrana, un receptor para el neurotransmisor. Los receptores son proteínas que se unen al neurotransmisor específico. El neurotransmisor viaja y se une con el neurorreceptor. Vamos a ver un ejemplo, el del neurotransmisor acetilcolina.

El canal para sodio Na+ está cerrado, y se abre cuando la acetilcolina se une a su receptor. Al abrirse el sodio entra. Es un canal dependiente de ligando. Se abre el canal cuando se une un ligando (molécula que se une a otra) especial, en este caso el neurotransmisor acetilcolina. La neurona postsináptica que recibió la acetilcolina cambia su polaridad y se inicia el desencadenamiento del impulso como en la neurona anterior (presináptica). Este tipo de neurotransmisores como el neurotransmisor acetilcolina se conocen como excitatorios, porque estimulan el impulso nervioso en la neurona postsináptica. Los excitatorios ayudan a despolarizar. El neurotransmisor trabaja en el espacio sináptico, en el espacio entre neuronas). Otro neurotransmisor es el GABA. Hay receptores para el neurotransmisor GABA que tienen un canal para cloro Cl-. También es un canal dependiente de ligando. La consecuencia es que entra el cloro. El resultado del ingreso de cloro es que aumenta la negatividad del interior de la neurona, se hiperpolarizó. Esto implica que costará más despolarizar a la neurona. El neurotransmisor GABA inhibe la conducción nerviosa, es un neurotransmisor inhibitorio. A la noche cuesta más estudiar porque predominan los inhibidores. Una neurona recibe información de muchas otras neuronas. La estimulación de los neurotransmisores debe finalizar, cesar, porque de lo contrario se sigue desencadenando la respuesta en la neurona postsináptica. El neurotransmisor una vez que cumplió su función, debe desaparecer. Una posibilidad es que la neurona presináptica, la misma que lo liberó, lo reabsorba, lo recapte por endocitosis. Otra

74 posibilidad es que la neurona presináptica, destruya al neurotransmisor, liberando enzimas que lo degradan. Si la neurona se conecta con el órgano efector, ocurre lo mismo, porque el órgano efector tiene receptores para el neurotransmisor. En general una neurona fabrica solamente un tipo de neurotransmisor. La primer neurona estimulada recibe el estímulo de los sentidos o por otro mecanismo; pero la neurona recibe simultáneamente muchas terminaciones, algunas excitatorias y otras inhibitorias. Por lo tanto, la neurona debe hacer un balance constante de las cargas recibidas. El potencial de reposo está más o menos en balanceo hasta que se logra el potencial umbral, que es el mínimo para lograr el potencial de acción. Si se alcanza el potencial umbral se desencadena el potencial de acción, el impulso. De lo contrario, por más que haya oscilación o fluctuación del potencial de reposo debido a las diferentes cargas, el potencial de acción no se logra.

El desencadenamiento es a todo o nada. Es decir, que al dispararse el pico del potencial es siempre el mismo, es +50 mV. Esto se debe a que los canales de sodio se abren o no se abren, no hay un término medio. Por eso el potencial de +50 mV siempre es el mismo. La señal no disminuye su potencia a medida que avanza, a medida que se propaga. La diferencia de intensidad entre estímulos depende de si el estímulo es débil o no. Si el estímulo es débil, entonces tendremos potenciales de acción que se suceden unos a otros con relativa distancia entre ellos, es decir, con una baja frecuencia entre crestas.

75

Cuando el estímulo es fuerte, entonces aumenta la frecuencia del impulso, del potencial de acción, es decir que al aumentar la frecuencia, la distancia entra las crestas es menor. Esto significa que en una determinada cantidad de tiempo, hay más potenciales de acción que cuando el estímulo es débil.

Lo que cambia entre un estímulo fuerte y uno débil, es que la frecuencia de los potenciales de acción en el estímulo fuerte es muy alta y en el estímulo débil la frecuencia es baja. No cambia el valor del potencial (+50 mV). Lo que cambia es su frecuencia. Hay un período refractario que es el ir desde el potencial de acción, hasta el potencial de reposo. Ese es el espacio entre cada cresta. La transmisión del impulso es saltatoria, porque salta de un nodo de Ranvier al otro. Al ir de nodo a nodo, la transmisión es más rápida. Los axones que tienen mielina son más rápidos. Otra forma de velocidad es tener axones de gran diámetro, axones grandes. Clase 11 Jueves 23/09/2004 Metabolismo

76

El metabolismo es una de las características más importantes de los seres vivos. Se trata del conjunto de reacciones químicas en la célula. El metabolismo consta del catabolismo y el anabolismo. Metabolismo Catabolismo Degradación de moléculas complejas, para obtener moléculas más simples Es un proceso exergónico, libera energía para formar ATP Es oxidativo, las moléculas que se degradan sufren la oxidación, la combustión No importa de dónde se parte, el catabolismo es convergente, porque siempre se obtiene lo mismo, partiendo de los distintos tipos, como proteínas, glucosa, etcétera

Anabolismo Síntesis de moléculas complejas, a partir de moléculas simples Es un proceso endergónico, utiliza energía en forma de ATP Es reductivo, inversa de la oxidación Es divergente, lo inverso de convergente, es decir que se llega a distintos resultados o productos

Reacciones de óxido reducción o reacciones Redox Una redox es una reacción con transferencia de electrones. El que entrega electrones se oxida. El que recibe electrones se reduce. La oxidación es perder electrones y la reducción es tomar electrones. Ambas, oxidación y reducción, deben suceder juntas, porque mientras un primero pierde o cede electrones por un lado, un segundo gana o recibe electrones por otro lado.

La sustancia A sería la que se está degradando (oxidando) y B sería la que se está reduciendo. Siempre la reacción tiene una enzima. La enzima viene con la molécula que se va a reducir, o viene con la molécula que se va a oxidar, dependiendo del caso. Algunas enzimas vienen unidas con coenzimas. Las enzimas que catalizan reacciones redox vienen con coenzimas de óxido reducción.

Perdió 2 hidrógenos (protón y neutrón juntos). Si perdió electrones entonces se oxidó; pero en este caso lo hizo con hidrógenos completos. Estos hidrógenos los recibe otra

77 molécula. La reducción en este caso es ganancia de hidrógenos completos. También oxígenos se pueden ganar (reducción) o perder (oxidación).

El dióxido de carbono CO2 es el más oxidado estado del carbono, porque ya no hay más lugares para unirse al carbono. Esto siempre sucede con enzimas coenzimas. Ejemplos de coenzimas de óxido reducción. El NAD se puede encontrar como NADH, el NADH tiene 2 hidrógenos más que el NAD.

El NADH es la forma reducida del NAD. El NAD es la forma oxidada del NADH. El NADH entrega hidrógenos. El NAD saca o quita hidrógenos. Si quiero oxidar la glucosa se llama al NAD, porque el NAD saca hidrógenos. Toda vía metabólica que es oxidativa termina formando coenzimas reducidas.

Vemos que este C2H6O perdió 2 hidrógenos y pasó a C2H4O y el NAD pasó a NADH. Perdió 2 hidrógenos y por lo tanto se oxidó, y dichos hidrógenos fueron tomados por el NAD que se redujo a NADH. El catabolismo genera NADH que es una coenzima reducida. Hay otras coenzimas como el FAD que se reducen a FADH, también tomando 2 hidrógenos. El FADH cede o libera 2 hidrógenos y se forma FAD. Otra coenzima es NADP que al tomar 2 hidrógenos pasa a NADPH. Cada reacción redox tiene alguna de estas coenzimas. En el anabolismo hay que reducir moléculas, y para ello hay que recibir hidrógenos. El anabolismo utiliza (gasta) coenzimas reducidas y el catabolismo las fabrica (genera). La mayoría de las anabólicas casi siempre utilizan NADPH. Nos vamos a centrar en el catabolismo, agarrar un nutriente y romperlo todo. El metabolismo se realiza en vías catabólicas. En el catabolismo no todas las reacciones son iguales.

78 Catabolismo (respiración celular)

79

Proteínas Lípidos Polisacáridos Fase I, digestión o degradación de moléculas de reserva Se rompen las uniones Mediante hidrólisis se Se rompen las uniones peptídicas mediante obtiene glicerol y ácidos mediante hidrólisis y se hidrólisis y se obtienen grasos obtiene glucosa aminoácidos Fase II, ya dentro de la célula. Comienza la RESPIRACIÓN CELULAR Hay que degradarlos, Hay que degradar el ácido La primera degradación de oxidarlos; pero hay graso, oxidándolo primero glucosa se llama glucólisis, aminoácidos distintos, y por parcialmente. Hay que que es la degradación lo tanto el producto final es romper el ácido graso en parcial de la glucosa, y se diferente. Primero sufre un grupos de a 2 carbonos, obtiene ácido pirúvico. La proceso de llamado acetil CoA. Si glucosa tiene 6 carbonos y transdesaminación que le había 16 carbonos, quedan 8 el ácido pirúvico tiene 3 hace perder un grupo amino acetil CoA. Se reduce la carbonos. Por lo tanto, se NH2. El grupo amino coenzima NAD y se obtiene obtienen 2 ácidos pirúvicos. termina formando urea que NADH y se reduce FAD La coenzima que se reduce va a la orina. El resto del quedando FADH. Se llama es NAD se obtiene NADH. aminoácido, el esqueleto beta oxidación la oxidación El proceso es exergónico y carbonado, se rompe, parcial de ácidos grasos. se fabrica ATP. Por cada obteniéndose ácido pirúvico Esto sucede en la glucosa se obtiene 2 ATP, 2 o acetil CoA, dependiendo mitocondria (en la matriz NADH y 2 ácidos del caso. El que termina en mitocondrial) pirúvicos. Esto sucede en el ácido pirúvico finalmente citosol llega a acetil CoA El ácido pirúvico de 3 carbonos entra en la mitocondria y en la matriz se vuelve a oxidar. Se descarboxila perdiendo un carbono en forma de dióxido de carbono CO2, se reduce el NAD y se forma NADH, y los 2 carbonos restantes quedan como acetil CoA. Ahora viene la fase III. El destino del acetil CoA es el mismo para todos, tanto para proteínas y triglicéridos, como para los polisacáridos. Estructura de la mitocondria La mitocondria está delimitada por dos membranas. Una se llama membrana externa, es lisa. Hay otra que se llama membrana interna, forma pliegues como un guante, cosa que le permite a la membrana tener mucha superficie (mucha membrana en poco espacio). Los pliegues de membrana se llaman crestas mitocondriales. El espacio entre la membrana externa y la membrana interna se denomina espacio intermembrana. La región interna encerrada por la cresta mitocondrial, es la matriz mitocondrial. En la matriz mitocondrial hay enzimas y ADN circular.

80

Un esquema de la mitocondria:

Durante la fase III, el acetil CoA se degrada finalmente en la matriz mitocondrial, y se obtiene dióxido de carbono CO2 que es la forma más oxidada del carbono. El ciclo de Krebs es el proceso en la matriz mitocondrial, por el cual el acetil CoA se oxida finalmente.

Se trata de un ciclo. Un intermediario de 4 carbonos llamado oxalacetato se une (condensa) al acetil CoA que tiene 2 carbonos, y forman un compuesto de 6 carbonos llamado citrato. Se desprenden 2 carbonos por separado en forma de dióxido de carbono CO2, por lo que queda un compuesto de 4 carbonos y se sigue procesando hasta obtener nuevamente el oxalacetato de 4 carbonos. El oxalacetato es un

81 intermediario necesario. Por cada acetil CoA que entra al ciclo de Krebs, se obtienen 3 NADH, 1 FADH, 1 ATP (o GTP) y 2 CO2. Esta es la vía final de todos los nutrientes. El dióxido de carbono CO2 se exhala en la respiración externa (ventilación pulmonar). Lo que se quiere es obtener energía en forma de ATP. Acá se termina una de las partes pero no se ha producido mucho ATP, aunque sí se ha producido mucha coenzima reducida. En la fase IV se aprovechan esas coenzimas reducidas y se obtiene ATP. La fase IV consta de la cadena de transporte de electrones (cadena respiratoria) y la fosforilación oxidativa. La cadena de transporte de electrones ocurre en la cresta mitocondrial. Los transportadores están ubicados en la membrana mitocondrial interna. Los transportadores toman los electrones de las coenzimas reducidas y los van entregando. Al tomar los electrones, los transportadores se reducen y las coenzimas se oxidan. Cuando los transportadores entregan los electrones, se oxidan. Los transportadores son proteínas. Al final los electrones son tomados por el O2, formando H2O. Las proteínas transportadoras de electrones se denominan citocromos y permiten obtener energía de a poco, en pequeñas dosis, para que la célula no sea dañada. Imaginemos para graficar, que hay un edificio y en el décimo piso, hay un albañil. En planta baja hay otro albañil. El albañil que está en el piso 10 debe hacer llegar ladrillos al albañil que está en planta baja. Si el albañil que está en el piso 10 soltara los ladrillos, la velocidad y energía que alcanzarían los ladrillos al llegar a planta baja, probablemente le rompan la cabeza al albañil que está en planta baja. ¿Cómo se soluciona? Se pone un albañil en cada piso, y el albañil que está en el piso 10, se los pasa al albañil del piso 9, el del piso 9 se los pasa al del piso 8, y así sucesivamente, de a poco, paso a paso, hasta que se llega al albañil de planta baja, que recibe los ladrillos sin romperse la cabeza, porque los ladrillos no le llegan con tanta velocidad, con tanta energía como para dañarlo. La célula hace lo mismo con los electrones: van pasando por la cadena de transporte de electrones como si fuesen los ladrillos bajados de a poco por los albañiles. El albañil de planta baja, sería el oxígeno, que toma los electrones y va formando H2O.

82

Lo que los citocromos transportan son electrones y los protones quedan en la matriz. La energía liberada por el descenso energético de los electrones mediante los citocromos, se utiliza para bombear protones al espacio intermembrana (se gasta energía para ello y es en contra de gradiente).

Repetimos que la energía liberada se utiliza para bombear protones al espacio intermembrana y crear un gradiente de energía (protones). Es decir, en el caso del NADH a modo de ejemplo, se separan los 2 hidrógenos y el NADH pasa a ser NAD, los electrones e- bajan por los citocromos y los protones H+ son bombeados al espacio intermembrana. Formar energía partiendo de los citocromos hasta llegar al oxígeno. Un gradiente de protones es energía acumulada que se puede utilizar después. Para liberar la energía acumulada en el gradiente hay que hacer que el gradiente se disipe hacia la zona en el que el gradiente es menor. Los protones no pasan por la bicapa, utilizan un canal de protones para pasar.

83 Ahora llega la fosforilación oxidativa. La fosforilación oxidativa permite obtener ATP. Los protones entran desde el espacio intermembrana hacia la matriz mitocondrial utilizando el canal de protones F0. El canal de protones F0 está acoplado a la enzima F1 que es una ATPasa, y la enzima F1 ATPasa cataliza la creación de ATP utilizando ADP, y lo hace gracias la energía producida por el paso de los protones desde el espacio intermembrana hacia la matriz mitocondrial.

La fosforilación oxidativa produce ATP a partir de la energía del paso de los protones H+, gracias al gradiente, a través de la ATPasa. Todo lo dicho, que es posterior a la fase I, es decir la fase II en delante (cuando ya hay combustible), responde al nombre de respiración celular. El papel del oxígeno O2 es vital, porque es el último aceptor de electrones. Si no hay oxígeno no se puede crear ATP. Nosotros dependemos de la creación de ATP como fuente de energía utilizable para todos los procesos, y el oxígeno que respiramos, cumple la función de permitir esta creación de ATP (tomando los electrones e - al final de la cadena de transporte electrónica). Si no hay oxígeno, se detiene la creación de ATP y como no hay energía utilizable para los procesos celulares, morimos inmediatamente. La respiración celular se puede resumir en una reacción:

84 Glucosa + oxígeno  dióxido de carbono + agua + energía Es decir C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + 38 ATP Esa ecuación es un resumen de lo anterior. La glucosa C 6H12O6 es el combustible. La glucosa C6H12O6 se oxida y pierde los hidrógenos H. El oxígeno O 2 se reduce y toma los hidrógenos H. El dióxido de carbono CO2 viene de la oxidación de la glucosa y el agua H2O viene de la reducción del oxígeno. Lo podemos ver mejor en el siguiente esquema: (C6H12O6) + (6O2)  (6CO2) + (6H2O) + (38 ATP) La cadena de transporte de electrones (cadena respiratoria) genera el gradiente de protones y las coenzimas reducidas se reoxidaron, es decir que son reutilizables. Eso es un beneficio porque hay pocas coenzimas. Si las coenzimas no se reoxidan, el proceso se detiene. Al final de la cadena de transporte se forma agua. Nunca la energía es 100% aprovechable. Una parte de la energía escapa en forma de calor. Aproximadamente el 40% de la energía queda almacenada en forma de ATP y el 60% restante de la energía escapa en forma de calor. Sin embargo ese calor ayuda a mantener la temperatura corporal. Clase 12 Lunes 27/09/2004 El ciclo de Krebs aporta coenzimas reducidas. Luego los electrones se transfieren al oxígeno, al final de la cadena de transporte de electrones. Luego se bombean protones para crear ATP. ¿Qué pasa si no hay oxígeno? No se puede fabricar ATP porque no se crea el gradiente de protones. ¿Por qué no se crea el gradiente de protones? Porque la cadena de transporte de electrones no puede continuar sin oxígeno, debido a que los componentes de la cadena de transporte están todos reducidos y no se pueden oxidar sin oxígeno. Es decir, los citocromos de la cadena de transporte de electrones, están justamente todos ocupados con electrones, y si no hay oxígeno que tome los electrones al final de la cadena, entonces los citocromos quedan ocupados portando los electrones. Por supuesto, si los citocromos están ocupados, entonces no podrán seguir trabajando. Seguirán trabajando cuando se desocupen, cuando se liberen de los electrones. En ausencia de oxígeno se corta la oxidación de nutrientes. La oxidación de ácidos grasos y de proteínas se frena. Si no hay oxígeno no hay fosforilación oxidativa. Si no hay oxígeno, el NADH que llega a la cadena de transporte no se oxida para brindar NAD y el FADH que llega a la cadena de transporte no se oxida para brindar FAD.

85 Repasemos la glucólisis (la oxidación parcial de la glucosa en la fase II). Se forma ácido pirúvico. Se fabrican 2 ATP, 2 NADH y 2 ácidos pirúvicos. En la glucólisis, para obtener NADH, se utiliza NAD y para obtener ATP se utiliza ADP. Si no hay oxígeno no se fabrica NAD en la cadena de transporte de electrones, y por lo tanto la glucólisis no tendrá NAD para reducirlo a NADH. Recordemos que hay poca cantidad disponible de estas coenzimas y que son reutilizables. Sin embargo, en condiciones de anaerobia (ausencia de oxígeno) el ácido pirúvico obtenido en la glucólisis (en lugar de pasar a acetil CoA) se puede convertir en ácido láctico. De dicho modo se oxida el NADH y se obtiene NAD. Este proceso se denomina fermentación láctica. Esto es crucial porque al obtener NAD mediante la fermentación láctica, la glucólisis puede continuar. De la glucólisis se obtiene: 2 ácidos pirúvicos 2 ATP 2 NADH En la fermentación láctica se obtiene: 2 ATP (generados en la glucólisis) 2 ácidos lácticos No se genera NAD ni NADH porque son solamente intermediarios. En la glucólisis se obtiene lo dicho más todo lo que se obtiene en los pasos siguientes (ciclo de Krebs, cadena de transporte y fosforilación), logrando en total 38 ATP en toda la respiración celular. En cambio en ausencia de oxígeno, a la glucólisis le sigue la fermentación láctica, y solamente se obtienen 2 ATP de la glucólisis y 2 ácidos lácticos de la fermentación láctica. ¿Qué células hacen fermentación láctica? Los glóbulos rojos no tienen mitocondria y por lo tanto no tienen ciclo de Krebs. Todo el tiempo hacen fermentación láctica. Las células musculares también hacen fermentación láctica en casos de ausencia de oxígeno (anaerobia). Pero hacen las dos cosas, ciclo de Krebs en condiciones normales y fermentación láctica en otros casos. El corazón puede hacer fermentación láctica en casos de ausencia de oxígeno, a modo de ejemplo en infartos de miocardio. A veces lo hace el hígado pero en casos de enfermedad. Existe otro tipo de fermentación donde el ácido pirúvico de la glucólisis genera etanol (un alcohol). Para eso de descarboxila el ácido pirúvico, es decir pierde dióxido de carbono CO2, y el NADH se reoxida y pasa a NAD. Se llama fermentación alcohólica. Nosotros no lo hacemos pero sí las bacterias. En la respiración celular la glucosa se oxida terminando en dióxido de carbono CO2 y agua H2O. En la fermentación la glucosa se oxida a dióxido de carbono CO2 sólo parcialmente. En la fermentación alcohólica el último aceptor de electrones es el etanol y en la fermentación láctica es el ácido láctico. La respiración aeróbica otorga mucho más ATP que la fermentación. Los organismos facultativos pueden vivir con o sin oxígeno porque pueden usar los 2 mecanismos sin problemas.

86 Existen bacterias que en lugar de utilizar oxígeno O2 para obtener agua H2O al final de la cadena de transporte, utilizan otro compuesto distinto del O2. A modo de ejemplo hay bacterias que utilizan azufre S como último aceptor de electrones al final de la cadena de transporte, y en lugar de obtener H2O, obtienen SH2. Otras bacterias utilizan NO3-. Sin embargo, la energía que obtienen las bacterias de estos ejemplos es menor a la obtenida con la respiración aeróbica. Solamente la glucosa permite la fermentación. Todo esto tiene que ver con el catabolismo. Anabolismo Ahora vamos a ver anabolismo, la fabricación de moléculas, en líneas generales. Si hablamos de anabolismo hablamos de biosíntesis. Es un proceso reductivo. Permite reducir alguna molécula utilizando el NADPH, siendo que el NADPH se oxida y se obtiene NADP.

El proceso necesita ATP. Utiliza moléculas pequeñas como el ácido pirúvico y el acetil CoA. También utiliza intermediarios del ciclo de Krebs. Ahora vamos a ver el ciclo de Krebs como intermediario anabólico, porque brinda moléculas para el anabolismo. El ciclo de Krebs es una vía anfibólica, porque puede participar del catabolismo y del anabolismo. Es un nudo metabólico. Es muy central, convergen muchos productos. A modo de ejemplo, al consumir glúcidos, se pueden convertir en lípidos (grasa) y para eso se necesita el ciclo de Krebs, algunas de las reacciones del ciclo de Krebs. Se interconvierten los nutrientes. Glucosa  ácido pirúvico  acetil CoA Con el acetil CoA se pueden hacer ácidos grasos. El acetil CoA se une al oxalacetato en el ciclo de Krebs y del citrato se obtienen ácidos grasos. Se requiere ATP y NADPH. El acetil CoA es el precursor. También se puede obtener colesterol. El glicerol necesario para unir los ácidos grasos se obtiene de un intermediario de la glucólisis, y se pueden fabricar triglicéridos. Desde la carne, que es proteína (aminoácidos), también se generan ácidos grasos. Si no se ingiere alimento se pueden usar las reservas como los triglicéridos y el glucógeno. El glucógeno se termina en aproximadamente 24 horas y entonces se produce la glucogénesis, la fabricación de glucosa. Para fabricar glucosa se puede usar aminoácidos, glicerol, ácido láctico. No se puede fabricar glucosa a partir de acetil CoA y tampoco se puede fabricar glucosa a partir de ácidos grasos.

87

Desde aminoácidos tenemos:

Los aminoácidos esenciales no se pueden fabricar. Los no esenciales sí se pueden fabricar. No se puede sintetizar glucosa desde los ácidos grasos, primero habría que pasar al acetil CoA y por la ruta de los aminoácidos pasar al ácido pirúvico, y recién ahí con el ácido pirúvico se pasa al ciclo de Krebs y mediante oxalacetato, a través del citrato, se logra glucosa. ¿Cómo podemos obtener (sintetizar) grasa partiendo desde polisacáridos?

88

Fotosíntesis Están los organismos heterótrofos y los autótrofos. Las plantas son organismos autótrofos. Los organismos autótrofos son los que pueden fabricar moléculas orgánicas a partir de lo inorgánico. Los organismos heterótrofos no fabrican moléculas orgánicas, sino que deben ingerir las moléculas orgánicas. Las plantas usan dióxido de carbono CO2, agua H2O y sales (nitratos y nitritos como fuente de nitrógeno N). De esto hacen materia orgánica. El proceso o vía se denomina fotosíntesis. La energía que utilizan es la energía lumínica del sol, que la transforman en energía química. Para hacerlo necesitan la clorofila que es la que aprovecha la energía del sol, la luz. La clorofila está en los cloroplastos:

¿En qué consiste la fotosíntesis? Es un proceso anabólico endergónico. La ecuación general de la fotosíntesis es la siguiente: Dióxido de carbono + agua + luz  glucosa + oxígeno

89 Es decir: 6CO2 + 6H2O + luz  C6H12O6 + 6O2 Es al revés de la ecuación general de la respiración celular; pero los procesos no son iguales. Producto y sustrato son iguales. El dióxido de carbono se reduce formando glucosa, y el agua se oxida formando oxígeno. El oxígeno del agua es el que queda libre en la atmósfera. Lo veremos mejor en el siguiente esquema: (6CO2) + (6H2O) + (luz)  (C6H12O6) + (6O2) Etapas de la fotosíntesis Los cloroplastos son organelas delimitadas por una membrana.

El apilamiento de los tilacoides se llama grana (como monedas apiladas). Los tilacoides están conectados están conectados entre sí y a dicha conexión se la llama intergrana. La clorofila está metida en los tilacoides.

La clorofila puede absorber energía lumínica y excitarse. Al excitarse la clorofila, hay electrones que suben de nivel energético, y dichos electrones luego bajan de nivel energético, regresan al nivel bajo. Se arrancan electrones y la energía se saca de a poco para crear ATP.

90

La fotosíntesis consta de 2 etapas. Fotosíntesis

Etapa lumínica, clara, fotodependiente o fotoquímica Etapa oscura, bioquímica o termodependiente

Vamos a hacer un esquema general:

En la primera etapa, la etapa lumínica, el agua H2O se rompe (fotólisis del agua) con la energía de la luz. El H2O se oxida liberando los protones (hidrógenos H+). Una coenzima de óxido reducción se reduce tomando los hidrógenos H+, el NADP que se reduce a NADPH. Con la energía también se crea ATP. Esto ocurre en los tilacoides. La segunda etapa, la etapa termodependiente, ocurre en el estroma. La etapa se denomina termodependiente porque es vital la temperatura para que funcione bien. Cada paso tiene enzimas que dependen de la temperatura. Los reactivos de la fotosíntesis son el H2O, el CO2 y la luz. El producto es la glucosa y el O2. El NADPH y el ATP son solamente intermediarios. Los reactivos de la primera etapa son el ADP, el NADP, el H2O y la luz. Los productos de la primera etapa son el NADPH, el ATP y el O2. Los reactivos de la segunda etapa son el CO2, el NADPH y el ATP. Los productos de la segunda etapa son el NADP, el ADP y la glucosa. Fotosistema quiere decir que hay clorofila que se excita por la luz.

91

La clorofila del fotosistema I pierde el electrón y debe recuperarlo. Para eso lo toma del fotosistema II. El fotosistema II recupera su electrón sacándolo del agua. El agua se fotoliza por acción de la luz y la clorofila del fotosistema II le saca electrones al agua. El agua sólo se rompe por la energía aportada por la luz. Hay muchos protones dando vueltas. Los protones son bombeados dentro del tilacoide formando un gradiente de protones, que al disiparse fuera del tilacoide, puede formar ATP, mediante un canal de protones con ATP sintetasa.

En esta primera etapa se genera O2, ATP y NADPH. El NADP es el último aceptor de hidrógenos en este proceso. Al principio el dador de electrones es el agua H2O. Todo esto es la primera etapa, la etapa clara. Sigue la segunda etapa, la etapa termodependiente, con el ciclo de Calvin. Clase 13 Jueves 30/09/2004

92

Seguimos con fotosíntesis. La etapa lumínica tiene algo de común con la respiración celular (el transporte de electrones y formación de ATP con bomba de protones). En la respiración celular se forman coenzimas reducidas. La energía de la fotosíntesis viene de la luz. Los electrones tienen alta energía. En el transporte de electrones se libera energía en forma de ATP y NADPH. ¿Qué pasa en la etapa oscura o termodependiente? Permite aprovechar el ATP y el NADPH para fabricar glucosa usando dióxido de carbono CO2. Es una vía metabólica, una serie de reacciones químicas que se llaman ciclo de Calvin. El dióxido de carbono CO2 se va uniendo a una pentosa, un azúcar de 5 carbonos, con el objetivo de formar un azúcar de 6 carbonos.

Esto sucede en el estroma del cloroplasto. Para que suceda el ciclo de Calvin hay que poner dióxido de carbono CO2, NADPH y ATP. ¿Las plantas respiran CO2 para obtener ATP, tal como en la respiración celular? No. Las plantas generan glucosa con la fotosíntesis, y luego degradan la glucosa en la respiración celular para obtener ATP. Las plantas respiran (incorporan) CO2 para, mediante la fotosíntesis, generar glucosa. A dicha glucosa luego la degradarán mediante la respiración celular y obtendrán ATP. Respiran todo el día; pero para fotosintetizar necesitan luz. Las plantas, durante la respiración celular, al final de la cadena de transporte, utilizan oxígeno; pero en poca cantidad. Durante la noche cuando no hay luz, la planta consume oxígeno, durante la respiración celular (degradación). La planta hace fotosíntesis (sintetiza glucosa) y respiración celular (degradación de glucosa). Un cuadro final de los reactivos y productos de las distintas etapas:

1º etapa, fotosistemas, lumínica

2º etapa, oscura o termodependiente

Reactivos Luz (energía) H2O NADP ADP + Pi CO2 NADPH ATP

Productos O2 NADPH ATP Glucosa NADP ADP + Pi

93

Respecto a la fotosíntesis, hay que decir que la luz es una fracción de la radiación electromagnética que viene del Sol (espacio). En particular la radiación que la planta puede absorber para la fotosíntesis. El verde lo refleja; pero otros pigmentos de la planta pueden absorber el verde. Son los pigmentos accesorios como los carotenos (naranjas, rojos, etcétera). Entre todos junto a la clorofila la planta trata de captar toda la luz visible. Los rayos superiores a la luz visible dañan las células. Voy a dictar algunas preguntas típicas de parcial para que tengan una idea. 1) Relacione el valor de la variación de energía libre (delta G) con la posibilidad de que una reacción sea termodinámicamente espontánea o no. Explique con un gráfico el nivel energético en función del curso de la reacción. 2) Una enzima es oligomérica y cooperativa. Explique: (A) qué significan los términos. (B) De qué manera la enzima acelera la velocidad de la reacción. (C) Por qué no puede catalizar a 90ºC y a 5ºC. 3) Si una bacteria se reprodujera en ausencia de oxígeno a la misma velocidad que en presencia de oxígeno, cómo sería el consumo de glucosa en cada caso. Justifique. 4) Si un insecto se alimenta exclusivamente de polisacáridos, cómo puede sintetizar grasas. 5) Describa un mecanismo de transporte a través de membrana que no sea saturable. 6) Explique los eventos que ocurren en la sinapsis y señale qué efecto tendría sobre este proceso una sustancia que impida la recaptación del neurotransmisor. 7) ¿Cuál es la causa de la existencia de un período refractario? ¿Por qué es tan importante para la correcta transmisión del impulso nervioso? 8) A un medio líquido en donde viven ciertas células se le agrega: glucosa dos gramos por litro, y un ion X un gramo por litro. Se observa que inmediatamente ambos compuestos son incorporados por las células. Se sabe que las concentraciones intracelulares iniciales de glucosa y de X, era 0,5 gramos por litro y 3 gramos por litro respectivamente. Describa los mecanismos de transporte involucrados en cada caso y justifique. 9) ¿Puede una célula vegetal liberar oxígeno en ausencia de luz? Justifique. 10) Se extraen de una célula vegetal las enzimas del estroma del cloroplasto y se colocan en un tubo de ensayo. ¿Qué deberá agregar al tubo para que ocurra el ciclo de Calvin? 11) ¿Qué significan los siguientes términos: complementariedad de bases y sitio alostérico? 12) ¿Qué efectos tiene un inhibidor competitivo? Sistema de endomembranas El sistema de endomembranas es típico de células eucariontes. Son membranas internas que recorren el citoplasma. Los procariontes no tienen endomembranas. La endomembrana tiene las características de la membrana plasmática aunque en distintas proporciones. El sistema de endomembranas está compuesto por el retículo endoplasmático, el complejo de Golgi, y la envoltura nuclear.

94

Retículo endoplasmático (REG y REL) Sistema de endomembranas (sólo eucariontes) Complejo de Golgi Envoltura nuclear La envoltura nuclear es la que envuelve al núcleo. Retículo viene de red, una red membranosa que recorre el citoplasma.

Son sacos membranosos con una luz (espacio) interior. Las bolsitas alargadas se llaman cisternas. Las de tipo esfera se llaman vesículas. También pueden formar tubos, estructuras tubulares. Delimitan compartimentos dentro de la célula, como habitaciones. Hay dos tipos de retículo. Uno de ellos es el retículo granular o rugoso (REG) y se llama así porque del lado de fuera tiene ribosomas pegados.

El otro retículo es el retículo liso o agranular (REL), que no tiene ribosomas pegados.

El REG y el REL comparten algunas funciones pero no otras. Los ribosomas sirven para la síntesis de proteínas (los aminoácidos se unen en los ribosomas). Lo que sucede con las proteínas depende de cada una. Hay ribosomas sueltos que están libres, y ahí se fabrican las proteínas para uso de la célula. Las proteínas que se fabrican en el REG son las proteínas de exportación, las que se van a ir de la célula. Cuando una célula fabrica algo para que ese algo cumpla una función fuera, el proceso se denomina secreción, y se hace en el REG (a modo de ejemplo un neurotransmisor). En el REG también se fabrican las proteínas de membrana. También se fabrican las proteínas de los lisosomas. Ciclo secretor

95 El REG tiene que ver con la síntesis de proteínas. El REL se asocia con la síntesis de muchos lípidos, y con el almacenamiento y degradación del glucógeno. Muchos lípidos se fabrican en el REL. Para el ciclo secretor, en principio hay que fabricar la proteína. La proteína se empieza a fabricar en un ribosoma que está libre, hasta que un fragmento de la proteína está libre. Dicho fragmento se denomina péptido señal (es una secuencia particular de aminoácidos, generalmente no polar).

Esa proteína con señal, termina de crearse en el REG. El REG tiene una proteína (2) que se une a otra proteína (1) que se engancha al péptido señal.

Esto hace que todo se enganche al REG. La proteína se sigue fabricando en el interior del REG, dentro de los tubos del REG. Esto del péptido señal es de las proteínas de exportación. Cuando la proteína está dentro del REG, puede sufrir modificaciones. A modo de ejemplo se le puede glicosilar, es decir, se le agregan glúcidos. También se le pueden formar puentes disulfuro, o se le pueden pegar lípidos. Es decir que a la proteína se la modifica y completa. Después del REG la proteína terminará en el complejo de Golgi. El sistema de Golgi es un sistema de endomembranas. El Golgi está más localizado y tiene el siguiente aspecto:

96 La proteína sale del REG dentro de una vesícula. La vesícula se crea con la membrana del REG. Dicha vesícula que contiene en su interior la proteína, se estrella contra el Golgi y se funde con el Golgi. La vesícula que sale del REG siempre entra por la parte basal (CIS) del complejo de Golgi. Así va pasando de una capa del Golgi a la otra, por el mismo mecanismo. Mientras pasa por el Golgi, la proteína se termina de modificar, completar y también se condensa (se concentra). Cuando está lista, se despacha a su destino final. Sale una vesícula hasta la membrana plasmática, la vesícula se fusiona con la membrana plasmática y la proteína sale de la célula (exocitosis). Si la proteína en lugar de ser de exportación es una proteína de membrana, entonces cuando sale del REG, en lugar de viajar dentro de la vesícula, la proteína está inserta en la membrana de la vesícula. Al hacer exocitosis, la proteína de membrana queda inserta en la membrana plasmática. También está el caso de las proteínas que no salen de la célula sino que forman un lisosoma. Clase 14 Lunes 04/10/2004 ¿Qué son los lisosomas y para qué sirven? Los lisosomas llevan proteínas en su interior y dichas proteínas son enzimas hidrolíticas, que catalizan la rotura de otras moléculas.

Dichas enzimas en el interior del lisosoma tienen la función de digestión intracelular, romper en el interior de la célula moléculas grandes para obtener moléculas más simples. Generalmente lo que degradan son moléculas grandes que ingresaron por fagocitosis (endocitosis). La vesícula que contiene la molécula grande que ingresó por endocitosis, de llama fagosoma o endosoma. Hay que juntar el fagosoma con el lisosoma.

97

Eso rompe toda la molécula, es la digestión intracelular. Hidroliza la molécula. Se libera lo útil, como glucosa, ácidos grasos, ácidos nucleicos, aminoácidos, y lo que no se puede digerir, el residuo, se llama cuerpo residual. Eso se acerca a la membrana y se expulsa por exocitosis. Este es el modo en el que organismos unicelulares se alimentan., esta es su digestión. La digestión en humanos es extracelular. No todas nuestras células hacen digestión intracelular. Los glóbulos blancos a modo de ejemplo, sí hacen digestión intracelular. Otras células pueden hacerlo no para alimentarse, sino para eliminar fragmentos viejos de células (son englobadas y eliminadas). Necrosis se llama la muerte de una célula. Otro mecanismo de muerte celular es apoptosis. Recordemos que el retículo endoplasmático liso REL se asocia a la síntesis de ácidos grasos, y a la degradación del glucógeno (glucogenolisis), liberándose glucosa. El citosol es la parte acuosa de una célula. Hay agua, proteínas, enzimas, glucosa, etcétera. Los ribosomas es el lugar donde se sintetizan proteínas. Las endomembranas son un sistema de transporte intracelular. Las células procariontes, pueden realizar síntesis aunque no tienen endomembranas. Para todo el movimiento de la célula hace falta energía y esqueleto (citoesqueleto). El esqueleto son filamentos proteicos. Las vesículas se mueven gracias al citoesqueleto. Diferencias entre procariontes y eucariontes Células procariontes No tienen núcleo No tiene sistema de endomembranas Tiene ribosomas pequeños ADN circular desnudo (sin proteínas) Sin organelas. Sin mitocondria o cloroplastos Tiene pared celular (no es de celulosa)

Células eucariontes Sí tiene núcleo Sí tiene endomembranas Tiene ribosomas grandes ADN linear asociado a proteínas Tiene organelas en general Los vegetales tienen pared de celulosa

98 Diferencias entre células vegetales y animales Células animales Sin pared celular Sin vacuolas o son chiquitas Sin cloroplasto Con mitocondria

Células vegetales Con pared celular Con Vacuolas grandes Con cloroplasto Con mitocondria

Los reinos tradicionales en que se dividen los organismos vivos Moneras Protista Hongos Animal Vegetal

Procariontes. No dan origen a organismos pluricelulares. Bacterias y algas azules verdosas Unicelulares eucariontes Unicelulares y pluricelulares. Tienen células eucariontes, con algunas características del vegetal y del animal Multicelulares, eucariontes típicos animales Multicelulares, eucariontes típicos vegetales

Energía Energía total = Energía libre + Energía inútil (entropía) Una variación se mide con Delta ( ∆ ) ∆ G = G(final) - G(inicial) ∆ G < 0 (disminuyó la energía útil) Espontáneo exergónico ∆ G > 0 (aumentó la energía útil) No espontáneo endergónico Resumimos la respiración celular: C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + 38 ATP

99

Respecto a la pregunta (3) sobre las bacterias, digamos que si se reproducen a la misma velocidad ya sea en presencia de oxígeno o en ausencia de oxígeno, entonces el consumo de glucosa en ausencia de oxígeno desemboca en una fermentación, siendo que el ATP obtenido en poca cantidad, es de la glucólisis. Sin oxígeno se consume más glucosa.

Clase 15 Jueves 14/10/2004 (El jueves 7/10/2004 no hubo clases porque fue el primer parcial y el lunes 11/10/2004 no hubo clases porque fue feriado)

100

La envoltura nuclear es una dependencia del sistema vacuolar interno. Es una cisterna que se puede conectar con el retículo endoplasmático. La envoltura no es continua sino que existen espacios entre las bolsitas que se llaman poros nucleares.

Una sustancia que quiera entrar al núcleo no necesita atravesar la membrana, porque puede pasar por un poro nuclear. Es decir, que no necesita de mecanismos de transporte para entrar al núcleo. Los poros son grandes pero no cualquier cosa puede entrar o salir, porque los poros están rodeados por proteínas y esto se llama complejos del poro. Las proteínas rodean al poro como un anillo, en general en forma de octámero. Ese anillo actúa como un diafragma regulando el tamaño del poro. Hay proteínas y ácidos nucleicos que pueden pasar por el poro si tienen una señal que se los permita. La señal se une a las proteínas del poro y los poros se abren. Si existe la señal adecuada entonces pueden entrar o salir. Es decir, que para entrar y salir se requiere de una señal que lo habilite. El núcleo tiene adentro el material genético. Dentro del núcleo hay una solución líquida que se llama nucleoplasma, en el que se deposita el material genético. El nucleoplasma tiene iones y proteínas.

101 ¿Por qué el núcleo se organizó en una envoltura? Del lado interno del núcleo hay proteínas que se anclan a la membrana nuclear y se llaman láminas. Dichas láminas mantienen anclada la envoltura nuclear. Las láminas participan en la desaparición y reaparición del núcleo durante la división celular. La fosforilación de una proteína cambia su conformación. Las láminas hacen eso: se fosforilan para participar en la desaparición del núcleo. Al fosforilarse se sueltan del núcleo y el núcleo se desorganiza. A la inversa, cuando las láminas se desfosforilan, el núcleo vuelve a organizarse. El material genético

En las células eucariontes el material genético está formado por ADN y proteínas. El ADN es ácido desoxirribonucleico, formado por 2 cadenas de nucleótidos unidos por puentes de hidrógeno, entre las purinas y las pirimidas. Hay proteínas asociadas al ADN. Es un agregado de moléculas, unidas por uniones débiles. Entre el ADN y las proteínas hay ADN pone la carga negativa (-). Dicha carga negativa está en el fosfato. Los nucleótidos se unen por uniones fosfodiéster. El ADN es un polianión, es decir, que tiene muchas cargas negativas. Las proteínas deben tener la carga positiva (+). Dicha carga positiva la tienen las proteínas histonas, específicamente en el resto y, eso les permite unirse al ADN. Si se junta el ADN de una célula nuestra se obtienen 2 metros de longitud de ADN. El ADN se enrolla con las proteínas histonas para poder empaquetarse. Lo hace de a 8 histonas, es decir, que se hace mediante octámeros de histonas. El ADN da 2 vueltas a cada octámero de histonas, formando lo que se llama un nucleosoma.

102

Cada nucleosoma tiene unos 200 nucleótidos. Esto se repite continuadamente formando secuencias de nucleosomas y, si se mira esto con un microscopio óptico, dicha secuencia repetida de nucleosomas parece un collar de perlas. De dicho modo se empaqueta bastante el ADN. Si se mira con un microscopio óptico el núcleo, cuando no se está dividiendo, el ADN tiene aspecto de ovillo de lana y se llama cromatina al ADN en dicho estado. La cromatina está formada por ADN y proteínas histonas.

Si no se está dividiendo, decimos que la célula está en interfase. Contrario a interfase es cuando la célula está en división. Cuando está en interfase el ADN se llama cromatina. Cuando la célula se va a dividir, el material genético se debe repartir entre las células hijas. Pero el material genético está todo enrollado, entonces cuando la célula se va a dividir, el material genético (cromatina), se organiza en cromosomas. Se empaqueta el ADN de modo más compacto. Cromatina y cromosomas son lo mismo pero empaquetados de un modo distinto. Nosotros los humanos tenemos 46 cromosomas. La cromatina está organizada en 46 tiras, que luego, cada una de esas 46 tiras se empaquetará en cromosomas.

103 Entre nucleosoma y nucleosoma se agrega una proteína histona especial que pegotea todo, permitiendo una mayor compactación. Se pasa al solenoide y finalmente al cromosoma que es el estado de compactación que se observa cuando la célula está en división. La información genética es llevada en el ADN, en la cromatina, en las secuencias de bases (nucleótidos). A-C-A-T-G-C-C-T-G-G-A-A-T-G-T-G-C-A-C-T En esta secuencia está el mensaje genético. ¿Cómo se expresa ésto? En secuencias de 3 bases, llamado triplete de bases, llevando el nombre de un aminoácido. En el ejemplo de arriba, A-C-A codifica para un aminoácido, T-G-C codifica para otro aminoácido, CT-G codifica para otro aminoácido, etcétera. ACA

TGC

CTG

GGA

ATG

TGC

ACT

Con 3 mil tripletes hay información para 3 mil aminoácidos y, dichos 3 mil tripletes están formados por 9 mil nucleótidos. Todo eso puede ser la información para una única proteína. Un conjunto de tripletes determina un conjunto de aminoácidos y, dicho conjunto de aminoácidos determina una proteína (determina una cadena polipeptídica). Dicho conjunto de tripletes que determina una cadena polipeptídica o proteína, se llama gen. El gen de la insulina es una porción de ADN que determina la proteína insulina, determina la estructura primaria de la proteína insulina. Una secuencia de nucleótidos codifica una secuencia de aminoácidos y, dicha secuencia de aminoácidos codifica una proteína. Hay en los humanos unos 30 mil genes. Cada hebra de cromatina tiene muchos genes. El genoma es todo el conjunto de genes. Hay intergenes, zonas de ADN que no llevan información para ninguna proteína. Un cromosoma en el microscopio óptico se ve con 2 brazos. Recordar que si se ven cromosomas entonces la célula ya se pasó por la replicación del ADN en la fase S. Cada brazo se llama cromátida. Entonces cada cromosoma tiene 2 cromátidas, unidas por un punto de estrangulamiento llamado centrómero, lugar en el que se unen las cromátidas. Se llaman cromátidas hermanas las que pertenecen al mismo cromosoma. En la punta del cromosoma está el telómero. Hay un telómero en cada punta de cada cromátida, por lo tanto en un cromosoma de 2 cromátidas, tenemos 4 telómeros. En centrómero no necesariamente está en el medio del cromosoma. El cromosoma está hecho de ADN y proteína histona. Ciclo celular Cuando hablamos del ciclo celular, hablamos de los distintos estadíos o estados de la célula. Hay 2 etapas grandes: la etapa interfase y la etapa de división. Si una célula no se divide, entonces está en interfase. La interfase consta de 3 etapas: G1, S y G2. Una célula que vive y crece, haciendo todo lo que la célula hace normalmente, está en G1.

104 Cuando la célula se va a dividir, entra en la fase S, que es donde se replica (duplica) el ADN. Cada célula hija debe tener toda la información genética de la célula original (madre o molde), por lo tanto el ADN se debe duplicar (replicar). Luego de la replicación, tendremos 2 hélices idénticas de ADN, cada una de ellas bicatenaria antiparalela complementaria. Estas 2 hélices estarán enganchadas (centrómero), estarán juntas en el cromosoma, cada una de ellas será una de las cromátidas hermanas. Cada una de las cromátidas, es decir, cada una de las hélices hijas, tendrá una de las cadenas complementarias originales de ADN (replicación semiconservativa). Por lo tanto, en división, el cromosoma tiene 2 cromátidas, conteniendo cada cromátida 1 hélice bicatenaria antiparalela complementaria. Ahora vamos a mirar los 46 cromosomas humanos formando parejas. Se forman 23 pares, es decir, 23 parejas de cromosomas. Los cromosomas que son parejas tienen el mismo ADN (esto no es exacto pero valga para comprender conceptualmente), tienen los mismos genes. Estos cromosomas se llaman cromosomas homólogos. Los humanos tenemos 23 pares de cromosomas homólogos. Otras especies tienen otra cantidad de cromosomas. A modo de ejemplo, la mosca de la fruta (Drosophila) tiene 4 pares de cromosomas. El cariotipo es la descripción (fotografía) de todos los cromosomas. Cuando la célula está en división, se fotografían los cromosomas. En división es cuando los cromosomas se ven mejor. Esto permite estudiar los cromosomas. Se puede estudiar si están todos los cromosomas, si hay cromosomas de más, si algún cromosoma está deformado o le falta un pedazo, etcétera. Cariotipo

¿Por qué tenemos cromosomas homólogos? Los cromosomas homólogos llevan la información de los mismos genes. Las células sexuales, llamadas espermatozoides en los humanos macho (♂) y óvulos en las humanas hembras (♀), llevan cada uno la mitad de los cromosomas. Es decir, que llevan 23 cromosomas en lugar de llevar 46. Llevan 23 cromosomas sin sus respectivos homólogos. Las células sin homólogos se llaman células haploides o células n. El resto de las células, las células somáticas, que no son sexuales, tienen 23 pares de cromosomas en los humanos, y se llaman células diploides o 2n. Esto es: n=23 y 2n=(2)(23)=46. Nuestras células somáticas son 2n=46. Nuestras células sexuales son n=23.

105 Se llama cigoto a la célula resultante de la unión del espermatozoide y el óvulo en la fecundación. El cigoto tiene 46 cromosomas, de los cuales 23 cromosomas vienen del óvulo de la madre y 23 cromosomas vienen del espermatozoide del padre. La mitad de los cromosomas vienen de la madre y la otra mitad de los cromosomas vienen del padre. Esto significa que los cromosomas homólogos, son uno proveniente de la madre y, el otro proveniente del padre. Un cromosoma puede tener información para el color de ojos marrones y el otro cromosoma homólogos, puede tener información para el color de ojos azules. Sin embargo, ambos cromosomas codifican para el color de ojos. Entonces, sin bien no tienen la misma información, sí tienen la información del mismo tipo. Los homólogos tienen la información para los mismos genes, si bien dicha información puede no ser la misma. Los homólogos tienen los mismos genes pero con información no necesariamente igual. A dichas variantes del mismo gen se las llama alelos. En cada cromosoma hay alelos y, estos alelos pueden ser distintos. Pueden haber alelos que son normales y otros alelos que tienen variantes patológicas. A modo de ejemplo, la insulina no puede cambiar porque ya no trabajaría bien en el organismo. Si hay un alelo defectuoso para la insulina puede afectar al organismo. El locus tiene que ver con la ubicación física del gen en el cromosoma. Esta ubicación física es fija en una misma especie. El locus de un gen es fijo y hay 2 locus para cada gen: uno en cada cromosoma homólogo. El ADN de 2 humanos cualesquiera difiere en menos del 1%. Un humano y un chimpancé tienen un 2% de diferencia. Ese 1% de diferencia entre humanos es lo que hace único a cada humano, es lo que hace a la diferencia entre individuos. La mayoría de las diferencias genéticas están en las zonas donde no hay información. A la información genética la tenemos que replicar (copiar) cuando la célula se va a dividir. Si la célula no se va a dividir (a modo de ejemplo una neurona) entonces dicha célula está siempre en estado G1. A la información genética se la tiene que expresar. Es decir, hay que copiar lo que se quiere expresar y fabricar un ARN. Este proceso de fabricar un ARN se llama transcripción. Luego de la transcripción viene la traducción, que es el proceso mediante el cual se fabrica la proteína para expresar el gen. El ARN se sintetiza (transcripción) en el núcleo y luego de ser fabricado el ARN sale del núcleo y, junto a los ribosomas, se crea (sintetiza) la proteína mediante la traducción. Expresión

 Replicación

Transcripción

ADN 

ARN 

Traducción PROTEÍNA

Esto siempre ocurre en interfase, nunca cuando la célula se está dividiendo. Para replicar (copiar) el ADN, el ADN debe estar en forma de cromatina, es decir, debe estar desempaquetado, laxo. Esto también es necesario en la transcripción, para obtener el ARN.

106

Hay 2 tipos de cromatina. Está la eucromatina y la heterocromatina. Eucromatina significa "cromatina verdadera". La eucromatina es la que se empaqueta y desempaqueta. Participa en la transcripción, es decir, que puede ser transcripta. La heterocromatina está condensada incluso en interfase. Siempre está empaquetada y no se transcribe (no se expresa). La heterocromatina se replica igual que la eucromatina; pero lo hace de modo más lento, por lo que se la llama tardía. Las regiones que no tienen genes (heterocromatina) no se transcriben, porque no hay información. Hay heterocromatina constitutiva y heterocromatina facultativa. La heterocromatina constitutiva está siempre, generalmente formando parte del centrómero (sirve para enganchar las cromátidas). También hay en el telómero (puntas del cromosoma). La heterocromatina facultativa, durante la interfase puede estar condensada o puede que no esté condensada. Es decir, que la heterocromatina facultativa, puede estar como eucromatina o como heterocromatina. La eucromatina jamás está condensada en interfase. La heterocromatina facultativa estará condensada o no, en la diferenciación celular, dependiendo del tipo celular, permitiendo que distintos tipos celulares sinteticen diferentes proteínas (a modo de ejemplo una neurona y una célula epitelial). Las hembras humanas (♀) tienen 2 cromosomas sexuales (X). Uno de dichos cromosomas sexuales (X) al azar se heterocromatiniza (es un facultativo). Los machos humanos (♂) tienen 1 cromosoma sexual (X), y 1 cromosoma sexual (Y). En este caso no se heterocromatiniza (en el macho). Los cromosomas sexuales Los humanos tienen 23 pares de cromosomas. De ellos, 22 pares son autosomas y 1 par es sexual. Es decir, que tienen 44 cromosomas autosomas y 2 cromosomas sexuales. El par de cromosomas sexuales humanos es diferente en las hembras (♀) y en los machos (♂). Las hembras tienen (XX) y los machos tienen (XY). Cuando en la reproducción, se fusionan el espermatozoide y el óvulo, la cigota resultante tiene 22 pares de cromosomas autosomas, y 1 par de cromosomas sexuales que puede ser (XX) en la hembra, o bien (XY) en el macho. El espermatozoide es el que determina el sexo. Cromosoma Padre Cromosoma Madre

X

X XX (♀) hembra

Y XY (♂) macho

No hay que confundir célula sexual, con cromosoma sexual. El óvulo (célula sexual) tiene un cromosoma sexual (X) y el espermatozoide (célula sexual) puede tener un cromosoma sexual (X), o bien puede tener un cromosoma sexual (Y). El cromosoma sexual es el que lleva los genes que determinan el sexo de la cigota o embrión. Clase 16 Lunes 18/10/2004 El ADN tiene la información genética. El ADN se replica. La información se expresa primero mediante una transcripción para obtener el correspondiente ARN (usando el

107 ADN como molde) y, luego mediante la traducción para obtener con dicho ARN, una proteína. Esto es el flujo de la información genética, que va del ADN a la PROTEÍNA. Expresión

 Replicación

Transcripción

ADN 

ARN 

Traducción PROTEÍNA

Esto es el dogma central de la biología molecular. Este dogma se logra aproximadamente en 1960 y es fundamental para comprender todo lo demás. Replicación del ADN Al ADN hay que replicarlo cuando la célula se va a dividir. Esto es durante la interfase del ciclo celular (en S), con el ADN en forma de cromatina. La replicación ocurre en el núcleo de la célula. La replicación del ADN es semiconservativa. Cadena molde de nucleótidos. Las 2 cadenas se tienen que separar. Se rompen los puentes de hidrógeno y, cada cadena será el molde para una nueva cadena complementaria. El ADN es la receta del orden de los nucleótidos. Se necesitan desoxirribonucleótidos, que serán los sustratos para armar. Hay 4 tipos diferentes de desoxirribonucleótidos (con adenina, guanina, timina y citosina). Necesito tener el ADN molde para armar el complementario y necesito enzimas. Es necesaria energía que se obtiene de los mismos nucleótidos, porque todos los desoxirribonucleótidos vienen como trifosfatos, es decir, desoxirribunocleótidos-tri-P. Se separan los 2 fosfatos que sobran y con esa energía liberada se produce la unión entre nucleótidos. Las uniones formadas son fosfodiéster. Los nucleótidos trifosfatados son los sustratos de la reacción. 3'

5' T A

5'

G C

A T

C G

C G

T A 3'

Primero los nucleótidos se enganchan (por puentes de hidrógeno) a sus complementarios. Luego los nucleótidos de la cadena complementaria se unen por uniones fosfodiéster, usando la enzima ADN polimerasa. Inicialmente para separar las 2 cadenas del ADN se usa la enzima helicasa. Se llama ADN semiconservativo porque de la replicación resultan 2 hélices bicatenarias antiparalelas complementarias, cada una de las hélices con una cadena nueva y otra cadena vieja (el molde original). La enzima ADN polimerasa tiene limitaciones porque solamente sintetiza en el sentido 5'3' (y va leyendo el molde en el sentido 3'5'). Las cadenas de ADN son antiparalelas.

108

Otra limitación de la ADN polimerasa es que necesita de dónde agarrarse para empezar a unir los nucleótidos. Necesita un extremo 3' OH. Eso debe ser una cadena de ADN ya fabricado, por lo que el cebo que usa la ADN polimerasa es una cadena de ARN. Esto del cebo o primer es en las dos cadenas del ADN. Es decir, que para fabricar ADN primero hay que fabricar ARN, como cebo, cebador o primer. El primer es una cadena corta de ARN que se fabrica para que la ADN polimerasa pueda empezar a trabajar. Al cebo (primer) de ARN hay que fabricarlo o construirlo. Para eso se necesitan ribonucleótidos trifosfatos (acá también se rompen los 2 fosfatos sobrantes). Se requiere un molde para el cebo o primer y, el ADN es dicho molde. También se requiere de una enzima que fabrique el primer. Dicha enzima es la primasa (la enzima llamada primasa es una enzima ARN polimerasa). Esta enzima primasa también sintetiza en el sentido 5'3' (y va leyendo el molde en el sentido 3'5'). En realidad todas las enzimas polimerasas lo hacen de dicho modo. Se empieza a fabricar desde arriba separando las 2 cadenas. Pero no se hace todo de golpe, sino que se usa la enzima helicasa. Luego hay que copiar; pero primero hay que armar el primer (cebo de ARN). Para eso se necesita la enzima primasa, que sintetiza en el sentido 5'3'. Es decir, que sintetiza en el sentido contrario a la cadena molde 3'5'. Una vez hecho el primer inicial (en ambas cadenas es necesario el primer), se continúa con la copia utilizando la enzima ADN polimerasa.

109

En la cadena 3'5' esto es continuo; pero en la cadena 5'3' hay que ir por trozos de primer-ADN-primer-ADN-primer-ADN etcétera. ¿Por qué hay que ir formando trozos? Porque en la cadena en la que la ADN polimerasa está sintetizando en el sentido contrario a la enzima helicasa, está sintetizando en el sentido contrario en el que se va abriendo la burbuja de replicación. Si a modo de ejemplo la burbuja de replicación avanza hacia abajo y la ADN polimerasa está sintetizando hacia arriba, entonces constantemente deberá frenar y bajar (retroceder) para comenzar a sintetizar de abajo hacia arriba el siguiente tramo que avanzó la burbuja de replicación. Es decir, que la cadena de la derecha 3'5' se sintetiza de manera continua; pero la cadena complementaria, la cadena 5'3', se sintetiza en fragmentos llamados fragmentos de Okazaki. Por lo tanto, es una cadena discontinua. La cadena continua se dice que es la cadena adelantada y, la cadena con fragmentos de Okazaki se dice que es la cadena retrasada. Un fragmento de Okazaki es un poco de primer y un poco de ADN.

Al final del proceso de copia, hay que sacar a los primers (cebos) y esa tarea es realizada por la enzima ADN polimerasa, que rompe los primers (están hechos con ARN) y los reemplaza con ADN. Reemplaza los ribonucleótidos con

110 desoxirribonucleótidos. Luego hay que unir los fragmentos obtenidos y eso lo hace la enzima ligasa. La replicación es semiconservativa. Se copia en fragmentos con una cadena continua y una cadena discontinua. Cada molécula de ADN eucarionte es muy grande y por lo tanto sería muy lenta de copiar. Para solucionarlo, la replicación (copia) del ADN eucarionte tiene muchos orígenes de replicación. La síntesis es bidireccional. En cada punto de origen de replicación se forma una burbuja de replicación. Los tamaños de los fragmentos de Okazaki no dependen tanto del tamaño de las burbujas. En realidad la replicación es discontinua en ambas cadenas porque la replicación es bidireccional. Entonces, tenemos fragmentos de Okazaki en ambas cadenas. El experimento que permitió concluir que el ADN es semiconservativo. Se trata del experimento Meselson-Stahl. En aquel momento no se sabía cómo era la replicación, si era conservativa, semiconservativa o disruptiva. La hipótesis conservativa afirmaba que al copiarse el ADN, las células hijas tendrán una de ellas, la hélice de ADN original (vieja), y la otra célula, tendrá una hélice completamente nueva. En la hipótesis disruptiva, se afirmaba que el ADN se trocea en pequeños fragmentos y que por lo tanto, cada célula hija, tendrá una hélice formada por fragmentos del ADN original viejo, y por fragmentos nuevos. La hipótesis semiconservativa (que resultó ser la correcta) afirmaba que en cada célula hija, la hélice de ADN resultante está formada por una cadena vieja del ADN original, y por otra cadena nueva. Entonces, según la hipótesis conservativa, si se hace un experimento dejando que las células se repliquen, en un medio en el que solamente hay nucleótidos con nitrógeno radioactivo para usar como sustrato de la replicación, se obtendrán 2 tipos de ADN, uno pesado y otro liviano. En este experimento no se cuentan cadenas de ADN, sino diferentes tipos de ADN: pesado, semipesado, liviano, etcétera. Es decir, se tienen en cuenta diferentes tipos de hélices bicatenarias de ADN. El pesado porque está fabricado con nitrógeno 15 (N15) radioactivo. Y el liviano estará fabricado con nitrógeno 14 (N14) que no es radioactivo. Todo esto en un laboratorio por supuesto. El ADN más pesado, al ser centrifugado, se va al fondo del tubo de ensayo. Y utilizando una jalea o gel que ofrezca resistencia entonces se podrán ver unas bandas que lo identifican. Se llama centrifugación en gradiente de cloruro de cesio. Se van formando barreras con el gel para que el ADN de distintos pesos se fijen en capas distintas. El gel tiene distintas densidades dentro del tubo de ensayo (cuanto más cerca del fondo del tubo, más denso el gel).

Primero se tiene una generación de células con ADN normal de nitrógeno 14. Luego se la somete a un medio en el que hay solamente nitrógeno 15 (radioactivo), y se dejan

111 crecer 2 generaciones de células (2 divisiones celulares). Hay que tener en cuenta, que las células expuestas a nitrógeno 15 radioactivo, si necesitan tomar nucleótidos del medio en el que se encuentran, solamente hallarán nucleótidos marcados radioactivamente con el nitrógeno 15 que es pesado. Sin embargo, si no necesitan nucleótidos porque usan los que ya tienen, entonces podrán usar los nucleótidos originales con nitrógeno 14 que no es radioactivo y es liviano.

En la generación original, se encontraba una banda fina en la parte superior del tubo de ensayo, porque el ADN con (N14) es liviano. En la primera generación resultante de la división celular expuesta al (N15) radioactivo, resultó en el tubo de ensayo una banda fina intermedia. Es intermedia porque está compuesta por ADN que tiene una cadena con (N14) original liviano y otra cadena nueva pesada con (N15) obtenido del medio. Esto ya descartaba la posibilidad de la hipótesis conservativa. Quedaba por saber si la hipótesis correcta era la disruptiva o la semiconservativa. La segunda generación resultante de la exposición al (N15) derivó en 2 bandas en el tubo de ensayo. Una banda fina intermedia como la de la primera generación, y una banda más gruesa en el fondo del tubo de ensayo. La banda intermedia está formada por ADN que tiene una cadena con (N14) original liviano y otra cadena nueva pesada con (N15) obtenido del medio. La banda gruesa del fondo, está formada por ADN compuesto solamente por cadenas pesadas de (N15). Esto descartaba la posibilidad de la hipótesis disruptiva y dejaba a la hipótesis semiconservativa como la correcta. Se verá mejor si lo vemos como células que se reproducen:

112 Regulación del ciclo celular no será visto y tampoco los mecanismos de reparación; pero sí veremos los conceptos. Mutaciones Una mutación es una alteración, un cambio de bases en el ADN, y es de esperar que haya un cambio en los aminoácidos de las proteínas. Puede ser que haya cambios o no. Cada vez que se fabrique la proteína, tendrá el error en los aminoácidos porque el error está en el ADN. Las mutaciones pueden ser pequeñas o grandes. Una mutación pequeña se llama puntual, y solamente cambia una base por otra base distinta. AGC TCG triplete 1

TTA AAT Triplete 2

GCT CGA Triplete 3



AGC TCG Triplete 1

ATA TAT Triplete 2

GCT CGA triplete 3

En el triplete 2 hubo un cambio por lo que cambiará el aminoácido. AGC TCG triplete 1

T--A A--T Triplete 2

GCT CGA Triplete 3



AGC TCG Triplete 1

TAG ATC Triplete 2

CT GA triplete 3

Acá se eliminó una base, se llama deleción y, cambia la pauta de lectura porque, luego de la base eliminada, se modifican todos los tripletes, cambiando no uno, sino a todos los aminoácidos que siguen a la deleción. AGC TCG triplete 1

TATA ATAT Triplete 2

GCT CGA Triplete 3



AGC TCG Triplete 1

TAT ATA Triplete 2

AGC TCG triplete 3

Acá se agregó una base, y se llama inserción. También cambia la pauta de lectura porque luego de la inserción, al modificar los tripletes, cambiarán todos los aminoácidos. Para que la estructura primaria de la proteína sea correcta no debe haber errores. Durante toda la vida del ADN en la célula, sufre agresiones o daños causados por los mutágenos. Ejemplos de mutágenos son las radiaciones como rayos X o ultravioletas, también por alimentos con químicos, los metabolitos de las drogas, nicotina, hollín de fábricas, aguas contaminadas con metales o químicos (desechos tóxicos), las radiaciones de una bomba atómica, etcétera. Aparte las mutaciones son espontáneas. Los radicales libres debidos a la respiración de oxígeno también son mutagénicos. Cuando el ADN se replica espontáneamente se puede producir un error. Las células eucariontes tienen sistemas de reparación del ADN. Son enzimas que verifican que el ADN esté bien. Incluso la ADN polimerasa tiene función correctora (mira para atrás y se fija si el nucleótido añadido es correcto). Otras enzimas patrullan el ADN. Si no fuera así tendríamos muchas más mutaciones. La corrección puede ser incluso cuando el ADN está ya formado (se cortan y se reparan los sectores defectuosos). ¿Qué sucede si lo que se modifica, lo que muta, es el sistema de corrección? La respuesta es que van a aumentar las mutaciones.

113 Las mutaciones pueden ser hereditarias o somáticas. Las somáticas no son por herencia sino que se adquieren durante la vida. Para ser hereditaria la mutación debe estar en las células sexuales (espermatozoides u óvulos en los humanos). Un organismo no siempre es igual durante su vida porque las células pueden sufrir mutaciones en su ADN; pero esas mutaciones no son hereditarias. Las mutaciones no siempre son perjudiciales. A modo de ejemplo, los distintos colores de los ojos entre distintos humanos son debido a mutaciones. Las mutaciones son la base de la evolución. Lo que es probable con las mutaciones somáticas (del cuerpo) es que algo que funcionaba bien empiece a funcionar mal. En general, la mutación es intrascendente o es perjudicial. Por las mutaciones somos diferentes y gracias a eso algunos se adaptan al ambiente, mejor que otros. Clase 17 Jueves 21/10/2004 Diferencias en la replicación entre el eucarionte y el procarionte El cromosoma eucarionte está asociado a proteínas (histonas). En la replicación el eucarionte tiene varios sitios de origen; pero el procarionte tiene un único sitio de origen de replicación. La replicación en el procarionte es más rápida porque tiene menos ADN que copiar. En el eucarionte la replicación se acelera gracias a los varios sitios de origen. Tanto en el eucarionte como en el procarionte la replicación es bidireccional. En ambos casos la replicación es semiconservativa. En ambos casos la replicación es discontinua con fragmentos de Okazaki. En la replicación del procarionte y eucarionte pueden variar las enzimas; pero en ambos casos trabajan enzimas del mismo tipo (helicasas, primasas, ligasas, etcétera). En ambos casos la ADN polimerasa une los nucleótidos, corrige errores, etcétera. Seguiremos estudiando el dogma central de la biología molecular. Transcripción Transcripción es obtener ARN desde ADN molde. ¿Qué se copia? Solamente la parte de la información que se quiere expresar en proteínas, o bien, solamente la parte de la información que se quiere expresar en una cadena polipeptídica. La transcripción siempre es de un gen. Lo que se transcribe es un gen. El ARN, es la unión de varios nucleótidos formados con ribosa. Hay que fabricar el ARN complementario al ADN molde del gen. Hay que abrir el ADN, separar las cadenas de la hélice. Luego se emparejan los ribonucleótidos junto a la cadena de ADN molde y se unen a ella mediante uniones débiles.

114 Luego deben unirse los ribonucleótidos entre sí. Para todo esto se requiere ADN molde y ribonucleótidos trifosfatados. Las uniones de nucleótidos se llaman uniones fosfodiéster. También se requiere la enzima ARN polimerasa, para catalizar las uniones fosfodiéster entre ribonucleótidos. La enzima ARN polimerasa es muy grande y ella misma abre las dos cadenas de la hélice del ADN, por lo que no necesita a la enzima helicasa. La ARN polimerasa sintetiza en sentido 5'3' (y va leyendo el ADN molde en sentido 3'5'). La cadena de ARN se forma antiparalela al ADN molde. Tiene que haber un sitio de inicio y un sitio de terminación de la transcripción. El inicio es el lugar en el que se detiene la ARN polimerasa y se llama promotor. Finaliza cuando la ARN polimerasa encuentra un sitio de terminación. Cada gen tiene un promotor y un sitio de terminación. El promotor es rico en timina y en adenina y se lo llama TATA o caja TATA.

Entonces hay que encontrar el inicio buscando TATA. Se copia (transcribe) la cadena de ADN que tiene la caja TATA (la cadena que tiene el promotor). El gen en este caso está a la derecha de TATA. En casi todos los genes está el promotor TATA de trascripción. La mayoría de los genes son de copia única. La señal de terminación no es siempre igual, a diferencia de TATA. Es una señal que se une al ARN que se está transcribiendo y lo despega del ADN. Tenemos entonces un ARN que se copió desde ADN. Tenemos 3 tipos de ARN: el mensajero, el ribosomal y el de transferencia. El ARN mensajero (se abrevia ARNm) lleva el mensaje de cómo debe ser la proteína. Cada ARNm es distinto, según la proteína que codifica. La transcripción es en el núcleo. La mayor parte de las transcripciones dan origen a ARNm. El ARNm luego de ser armado (transcripto) debe pasar por un proceso de maduración. Luego de la transcripción el ARNm se llama transcripto primario o inmaduro. Posteriormente el ARNm eucarionte sufre cambios, madura. El ARNm procarionte no debe madurar. La maduración del ARNm es solamente para eucariontes. En la maduración se le coloca en su extremo 5', en su primera parte, un capuchón (CAP). Se llama capping al proceso. El CAP es un nucleótido que tiene una guanina modificada. Eso le permite ser distinguido. En su extremo final, en el extremo 3', se le agrega una colita poli-A. Se llama poliadenilación al proceso.

115 Estas son modificaciones que se hacen en el núcleo, luego de la transcripción. Esto permite que el ARNm pase por los poros nucleares para salir del núcleo. También sirve para que el ARNm se enganche al ribosoma. La colita poli-A sirve para aumentar la vida media del ARNm, para que no se degrade muy rápido. Cuanto más larga la colita poli-A entonces el ARNm dura más, porque el ARNm empieza a degradarse por el extremo final 3' (lugar en el que se le coloca la colita poli-A). El tercer proceso de maduración que se hace al ARNm antes de que abandone el núcleo, es el corte y empalme, el splicing. En el ARNm hay porciones codificantes y porciones no codificantes. Las porciones codificantes se llaman exones. Las partes no codificantes se llaman intrones.

Los intrones y los exones también estaban en el ADN molde. Los intrones en el ARNm molestan porque no codifican, por lo tanto los intrones se eliminan del ARNm y los exones se unen. Luego de todo este proceso, queda el ARNm maduro, más corto, con capuchón y colita poli-A.

Existen señales que indican qué cosas sacar, qué cosas unir, etcétera. El ADN eucarionte es muy largo y tiene partes no codificantes. Si hay una mutación en un intrón no hay problema porque los intrones no se van a expresar, no codifican. Esto hace suponer que los intrones permiten disminuir las alteraciones producidas por mutaciones. Hay ocasiones en que se produce un splicing alternativo. Esto implica que los intrones y los exones pueden cambiar sus roles, por lo que un exón puede pasar a ser un intrón y, un intrón puede pasar a ser un exón.

Por lo tanto, se puede codificar una proteína distinta partiendo de un mismo ARNm inmaduro. En otras palabras, un mismo gen puede codificar para distintas proteínas. Generalmente esto sucede en distintos órganos y las proteínas son de la misma familia, del mismo tipo. El splicing alternativo tiene la característica de ser económico porque con el mismo gen se pueden tener distintas proteínas y por consiguiente, el ADN que porta toda la información puede ser más corto.

116

Están los otros ARN, los ARN de transferencia (se abrevia ARNt) y los ARN ribosomales (se abrevia ARNr). El ARNr se pliega, se retuerce, y se une a proteínas formando el ribosoma. El ribosoma es una estructura que tiene 2 partículas distintas. Una de ellas es más grande (60 s) y la otra es más pequeña (40 s).

Se fabrican en el núcleo por transcripción. Hay menos ARNr que ARNm. Hay menos genes para ARNr. Sin embargo el ARNr es el que más tiempo dura antes de degradarse. Es el que tiene vida media mayor. El que tiene menor vida media, el que se degrada más rápido, es el ARNm. Cuando el ARNr se está transcribiendo del ADN molde, apenas empieza a aparecer el ARNr, se acercan proteínas y se le unen. Las proteínas van rodeando el ARNr. Las proteínas ribosomales que se le unen al ARNr, provienen del exterior del núcleo, porque dichas proteínas han sido sintetizadas en un ribosoma libre en el citoplasma. Todo esto del ARNr uniéndose a proteínas le da un aspecto de pelotita a dicha zona del ADN. Dicha zona del ADN se llama nucleolo.

El gen (ubicado en el ADN) que codifica ese ARNr se llama organizador nucleonar. En los nucleolos se fabrica el ARNr y se le unen proteínas. En la división celular no se fabrican ARNr y por lo tanto el nucleolo desaparece (y el ADN se compacta en cromosomas). El ribosoma (las partículas que lo componen) luego de ser fabricado, sale del núcleo para participar en la síntesis de proteínas en el citoplasma. Se llama ribosoma luego de salir del núcleo, antes de salir del núcleo se habla de las partículas ribosomales. Los ARNt (los ARN de transferencia) son cortos y hay varios diferentes. No hay muchos genes de ARNt. Se forma un ARN largo y se corta en pequeños trozos y, cada trozo es un ARNt. Adoptan una forma de trébol.

117

Hay 1 sola cadena pero tiene regiones complementarias entre sí y por lo tanto se pliega, por los puentes de hidrógenos de las bases complementarias. Hay muchos ARNt distintos, uno para cada anticodón complementario a un codón (triplete) del ARNm. Transcripción ADN 

Traducción PROTEÍNA

ARNm 

¿Qué es un gen? Un gen es una porción de ADN que tiene la información (codifica) para un ARN ribosomal, un ARN de transferencia o un ARN mensajero (que codificará alguna cadena de aminoácidos para alguna proteína). El gen puede codificar para varias proteínas (como en el splicing alternativo) y, una proteína puede necesitar más de un gen (como proteínas oligoméricas, con estructura cuaternaria, formadas por más de una cadena polipeptídica). El gen codifica cadenas polipeptídicas. El gen de ADN codifica un ARN de transferencia, ribosomas o ARN mensajero. Un gen es una unidad de transcripción. Los intrones y los exones forman parte del gen y, también el promotor (la caja TATA). Incluso tiene secuencias regulatorias que dicen cuándo se copiará. Secuencias regulatorias

Composición de un gen en una porción de ADN Promotor Exón Intrón Exón Intrón

Exón

El mensaje genético está escrito en tripletes y cada triplete codifica un aminoácido. Cuando se transcriba va a resultar el ARNm correspondiente.

ADN ARNm

Triplete 1 AAC UUG Codón 1

Triplete 2 TGA ACU Codón 2

Triplete 3 CTA GAU Codón 3

El ARNm también viene en tripletes y cada triplete se llama codón. Se llaman codones solamente en ARNm. Los codones codifican aminoácidos y no cambia en las distintas especies, esto es, un codón cualquiera codifica para el mismo aminoácido, sin importar a qué especie pertenece el individuo. A modo de ejemplo, el codón AUG codifica para el aminoácido metionina sin importar si es un humano, un ratón o una bacteria. Existe sin embargo la excepción en la mitocondria que puede tener algunas diferencias.

118 Son posibles 64 combinaciones de tripletes diferentes, porque tenemos todas las combinaciones posibles que se pueden formar, juntando a la adenina, guanina, timina y citosina, en grupos de a 3. Esto es lo mismo que 43 = 64. Notemos que si en lugar de juntar las 4 bases diferentes, en grupos de a 3, juntáramos las 4 bases, en grupos de a 2, entonces sería 42 = 16. Esta cifra de 16 es insuficiente porque hay 20 aminoácidos y, por lo tanto, si solamente tuviésemos la posibilidad de codificar para 16, hay problemas. Entonces, la opción de los tripletes, otorga 64 combinaciones posibles, número suficiente para codificar a los 20 aminoácidos. Como hay 20 aminoácidos pero hay 64 codones posibles, resulta que existen codones que codifican para el mismo aminoácido. A modo de ejemplo, los codones UCU, UCC, UCA, UCG codifican todos por igual para el aminoácido serina. Esto significa que estos cuatro tripletes son sinónimos. El código genético tiene sinónimos y se dice por ello que es degenerado. El código genético no es ambiguo, porque cada codón codifica para un aminoácido exclusivamente (el codón UCU codifica para el aminoácido serina y no para otra cosa). Sin embargo un aminoácido puede ser codificado por distintos codones. Gracias a los sinónimos si hay una mutación en la última letra (base) de un codón, puede ser que no cambie el aminoácido resultante, porque muchos sinónimos se diferencian en su última letra (base). El código genético tiene signos de puntuación para la traducción. Está el codón de iniciación AUG que codifica para la metionina, estableciendo un marco de lectura para la traducción, porque se podrá leer la secuencia que viene después del codón de iniciación AUG, y se va a leer la secuencia hasta que aparezca el otro signo de puntuación de la traducción, el codón STOP, que está representado por los codones UAA, UAG, UGA. Este codón STOP marca el final de la lectura en la traducción.

119

C

Primer letra

A

G

SEGUNDA LETRA C A UCU serina UAU tirosina UCC serina UAC tirosina UCA serina UAA stop UCG serina UAG stop CCU prolina CAU histidina CCC prolina CAC histidina CCA prolina CAA glutamina CCG prolina CAG glutamina ACU treonina AAU asparagina ACC treonina AAC asparagina ACÁ treonina AAA lisina ACG treonina AAG lisina GCU alanina GAU aspartato GCC alanina GAC aspartato GCA alanina GAA glutamato GCG alanina GAG glutamato

G UGU cisteína UGC cisteína UGA stop UGG triptófano CGU arginina CGC arginina CGA arginina CGG arginina AGU serina AGC serina AGA arginina AGG arginina GGU glicina GGC glicina GGA glicina GGG glicina

U C A G U C A G U C A G U C A G

TERCERA LETRA

U

U UUU fenilalanina UUC fenilalanina UUA leucina UUG leucina CUU leucina CUC leucina CUA leucina CUG leucina AUU isoleucina AUC isoleucina AUA isoleucina AUG metionina GUU valina GUC valina GUA valina GUG valina

Tercer letra

PRIMERA LETRA

Tabla de los 64 codones del ARNm y sus aminoácidos

120

Si hablamos de un ARNm procarionte, podremos encontrar varios codones de iniciación y de terminación para la traducción, porque un mismo ARNm puede codificar para más de una proteína (cadena polipeptídica) al mismo tiempo. Se llaman ARNm policistrónicos. Cada ARNm eucarionte diferente tiene información para una única proteína, y se llama monocistrónico. Un ARNm en la traducción siempre se lee en el sentido 5'3'. Siempre se comienza a leer en su extremo 5', a partir del primer AUG que aparezca. Para sintetizar o fabricar una proteína necesito aminoácidos, ARNm, enzimas, ATP y un lugar para hacerlo que será un ribosoma en el citoplasma. También necesito un decodificador que es el ARNt. El ARNt habla el idioma de los ácidos ribonucléicos y de los aminoácidos. Es un adaptador entre el ARNm y los aminoácidos. El anticodón del ARNt es el triplete complementario a alguno de los codones del ARNm. Si un codón del ARNm es AUG, entonces el anticodón del ARNt será UAC. Recordar que el ARNt también tiene uracilo (U) en lugar de timina (T). El codón AUG codifica exclusivamente para la metionina. El ARNt con su anticodón complementario UAC se engancha solamente a la metionina. El ARNt 1 trayendo el aminoácido metionina se engancha al ARNm, encajando su anticodón con el codón 1 del ARNm. Luego, viene otro ARNt 2 con el correspondiente aminoácido 2 necesario para el codón 2 del ARNm y se coloca en fila según el conjunto de codones del ARNm. Una vez que están juntos los aminoácidos hay que unirlos. Todo esto sucede en los ribosomas. El ribosoma se va moviendo sobre el ARNm y va leyendo los codones. Clase 18 Lunes 25/10/2004 Síntesis de proteínas Para la traducción se necesitan ácidos ribonucléicos, ARNm que tiene la secuencia de codones que codifican para los aminoácidos de la cadena polipeptídica, ARNr que junto a la proteína ribosomal forman las partículas grande y chica del ribosoma, y también necesitamos el ARNt que es el adaptador que trae el aminoácido correspondiente al codón del ARNm. Asimismo necesitamos aminoácidos, ATP y enzimas. 1º etapa: Activación del aminoácido El ARNt se une covalentemente con un aminoácido que está suelto (abreviaremos aminoácido como aa). El ARNt es corto en forma plegada de trébol. El ARNt tiene el triplete anticodón, que es complementario del codón del ARNm. Dicho codón del ARNm codifica exclusivamente para el aminoácido que porta el ARNt. No se une a otro aminoácido. Cada ARNt es específico para un aminoácido. Esta activación sucede en el citosol. El ARNt se une a un aminoácido utilizando la energía de un ATP. Dicho ATP pierde o libera 2 de sus fosfatos, quedando en AMP+2Pi (Pi significa fósforo inorgánico). Esos 2

121 enlaces rotos aportan mucha energía que queda almacenada en el enlace entre el ARNt y el aminoácido. Es un enlace (∼ ). El ARNt unido al aminoácido se llama aminoacil∼ ARNt.

El aminoacil∼ ARNt es rico en energía gracias a los 2 fosfatos desprendidos del ATP. Luego, cuando se unan los aminoácidos en la cadena polipeptídica, se va a aprovechar la energía acumulada en el aminoacil∼ ARNt. Esta reacción anabólica endergónica necesita una enzima llamada aminoacil∼ ARNt sintetasa. Las enzimas son específicas y por lo tanto, hay al menos 20 enzimas aminoacil∼ ARNt sintetasas diferentes, una para cada aminoácido. La enzima aminoacil∼ ARNt sintetasa tiene 2 sitios activos, uno para el aminoácido y otro para el ARNt. La enzima aminoacil∼ ARNt sintetasa es quien da especificidad al proceso. Esta enzima asegura que la proteína al final salga bien. El ARNt y el aminoácido no se reconocen entre sí, por eso necesitan la enzima. La enzima aminoacil∼ ARNt sintetasa cumple el rol de adaptador entre el ARNt y el aminoácido. Cuando hablemos de transfer, estaremos hablando del ARNt. 2º etapa: Iniciación Es la etapa de la síntesis de proteínas. Se requiere el ARNm y el ribosoma. Se va a formar un complejo donde el ribosoma (sus 2 partículas grande y chica) se une al ARNm. El ARNm entra en el ribosoma como si se enhebrara una aguja, como un tren ingresando en un túnel. En el ribosoma entran 2 codones, esto es, 6 nucleótidos. En el ribosoma está el sitio P (sitio peptídico) y el sitio A (sitio aminoácido). El sitio peptídico es el de la cadena peptídica en crecimiento. Se empieza a leer el ARNm por su codón(1) de iniciación, el triplete especial AUG que codifica para la metionina. El correspondiente anticodón(1) del ARNt es el UAC. Cuando el ribosoma llega al AUG, se une por puentes de hidrógeno el anticodón(1) UAC del transfer(1) y se coloca en el sitio P. Este transfer(1) con el anticodón(1) trayendo la metionina es el único que puede colocarse en el sitio P.

122

3º etapa: Elongación Luego se une en el sitio A, el transfer(2) trayendo el aminoácido(2), correspondiente al codón(2) del ARNm.

Una vez que el aminoácido(1) metionina está en el sitio P junto al aminoácido(2) que está en el sitio A, la enzima peptidil-transferasa rompe la unión entre la metionina y el transfer, es decir, rompe la unión entre el aminoácido(1) y el transfer(1). El transfer(1) se libera. La energía liberada es utilizada por la peptidil-transferasa para unir la metionina, esto es, el aminoácido(1), con el aminoácido(2) ubicado en el sitio A. Recordar que la unión (el enlace) entre los transfers y sus aminoácidos es de alta energía. Una vez que están unidos el aminoácido(1) con el aminoácido(2), el ribosoma se mueve un codón (un triplete) en dirección 5'3'. El movimiento del ribosoma se llama traslocación. El ribosoma se trasloca un codón. Esto significa que ahora, luego de la traslocación del ribosoma, el transfer(2) con el aminoácido(2) queda en el sitio P, que había quedado libre anteriormente y, el sitio A está libre ahora. Nuevamente se repite todo el proceso: al sitio A llega un transfer (3) con un aminoácido(3) correspondiente al codón(3) del ARNm.

La peptidil-transferasa rompe el enlace entre el transfer(2) y el aminoácido(2) y dicha energía la utiliza la peptidil-transferasa para unir el aminoácido(2) con el aminoácido(3). El ribosoma nuevamente se trasloca un codón en dirección 5'3' y el proceso se reinicia. En resumen, la peptidil-transferasa rompe la unión entre el aminoácido(n-1) y el transfer(n-1) y utiliza la energía para unir el aminoácido(n-1) con el aminoácido(n). Así se va construyendo la cadena polipeptídica aa(1)-aa(2)-aa(3)-aa(4)…aa(n-1)-aa(n). Las uniones entre aminoácidos son uniones peptídicas. Cada aminoácido aa(n) viene con su transfer(n).

123 4º etapa: Terminación Cuando se llega a un codón de terminación STOP, que puede ser UAA, UAG, UGA, se termina la cadena polipeptídica, porque no hay transfers trayendo aminoácidos que puedan unirse a un codón STOP. Entonces la proteína se suelta.

No se requiere ATP para todo esto que hemos descripto porque la energía para la unión de los aminoácidos sale de la rotura de los aminoácidos entre sus respectivos transfers. La enzima peptidil-transferasa es una sola, porque para unir los diferentes aminoácidos no hace falta especificidad, pues recordemos que la especificidad ya estaba en la labor realizada por la aminoacil∼ ARNt sintetasa al unir el aminoácido con el transfer para activar el aminoácido. La enzima peptidil-transferasa es la misma, del mismo tipo, y ella separa el transfer(n) de su aminoácido(n) y une el aminoácido(n) con el siguiente aminoácido(n+1). Se requiere ATP en la activación del aminoácido, en la 1º etapa y, durante la 2º etapa, para el movimiento de traslocación del ribosoma. El movimiento del ribosoma es gracias a proteínas contráctiles. Se consume mucho ATP para fabricar proteínas, es muy caro energéticamente hablando. Todo este proceso de creación de una proteína sucede en un ribosoma libre del citoplasma o en un ribosoma del retículo endoplasmático granular (REG). No todas las proteínas empiezan con el aminoácido metionina. Sin embargo al sintetizar las proteínas todas empiezan con metionina y, luego se la puede sacar, en la postraducción, cortando y/o agregando cosas. Con la proteína ya está expresado el mensaje genético y dicha proteína es la que va a realizar alguna tarea en el organismo. Todo mensaje genético se expresa como una proteína (cadena polipeptídica). Si el mensaje está dañado (mutación), la proteína seguramente no funcionará. Regulación genética ¿Un gen se está transcribiendo siempre? ¿Cuándo se produce la transcripción y cómo se regula? Esto se llama regulación de la expresión génica y es muy importante. Vamos a ver en general ejemplos de regulación de la expresión génica en procariontes.

124 La información genética es la misma en todas las células de un organismo multicelular, porque el ADN de cada célula proviene del mismo ADN inicial (de la cigota). Cada tipo celular expresa diferentes genes, mediante la regulación de la expresión génica y, eso diferencia a las células (diferenciación celular). Una neurona y una célula hepática tienen el mismo ADN, pero se expresan diferentes genes de dicho ADN en una neurona y en una célula hepática. Mecanismo Operón El mecanismo operón es típico de procariontes (bacterias). Un operón es una secuencia de genes en el ADN de bacterias. Están ubicados uno a continuación del otro. Tendremos genes, uno o más de uno, que se llaman genes estructurales, que codifican para alguna proteína del organismo.

El ARNm policistrónico tiene más de un gen (típico de procariontes). Hay un gen regulador que codifica para una proteína regulatoria. El operador, el gen operador, es un lugar del ADN donde se une la proteína regulatoria creada por el gen regulador. Al promotor (la caja TATA) se une la ARN polimerasa. Se transcribe ese gen regulador y la proteína regulatoria sintetizada trabaja en el operador. Vamos a ver el ejemplo del operón lactosa. La lactosa sirve de nutriente a las bacterias y para digerir la lactosa necesitan enzimas. Las proteínas necesarias para degradar la lactosa están codificadas en los genes estructurales. Cuando hay lactosa en el medio, se requieren las proteínas. Entonces se transcriben los genes sí y sólo sí hay lactosa en el medio. Cuando no hay lactosa, el gen regulador fabrica una proteína que se fija en el operador y eso obstruye al promotor.

125 Si el promotor está obstruido, la ARN polimerasa no se puede unir al promotor y no se puede iniciar la transcripción del ARNm, y por consiguiente no se sintetizarán las enzimas. Esto sucede cuando no hay lactosa. Cuando aparece la lactosa en el medio, la lactosa puede unirse a la proteína regulatoria que está unida al operador obstruyendo al promotor. Eso hace que cambie la conformación de la proteína regulatoria y se suelte del operador, liberando al promotor.

El papel de la lactosa es el de ser inductor de la transcripción de los genes requeridos. La consecuencia de la inducción es que se despeja el promotor porque se suelta el regulador que lo está bloqueando y, comienza la transcripción para sintetizar el ARNm que servirá para la traducción de las proteínas que expresen los genes correspondientes. Llegará un momento en el que ya no habrá lactosa, porque las enzimas sintetizadas por el operón la degradan. Entonces, en ausencia de lactosa, la proteína regulatoria vuelve a unirse al operador, bloqueando nuevamente al promotor.

Veremos otro ejemplo: el operón triptofano. El triptofano es un aminoácido. Para los humanos es un aminoácido esencial, esto es, no podemos sintetizarlo y debemos obtenerlo del medio. Pero veremos el ejemplo de un procarionte que puede sintetizar triptofano si lo necesita. En este operón lo que cambia es quién es quién. Este operón codifica para las enzimas necesarias para la síntesis del triptofano. Si en el medio hay triptofano, entonces no hay que producir el triptofano, porque se utiliza el que está disponible. Pero en ausencia de triptofano, hay que sintetizarlo y para eso se requieren enzimas. Esto significa que en presencia de triptofano en el medio, hay que silenciar los genes. El gen regulador produce la proteína regulatoria pero dicha proteína regulatoria no puede unirse al operador, porque su conformación se lo impide. Esto significa que el promotor está libre (en ausencia de triptofano) y se puede iniciar la transcripción del ARNm que servirá para traducir las proteínas necesarias para sintetizar el triptofano. Si las enzimas se sintetizan, entonces llegará un momento en el que el triptofano va a abundar en el medio. En dicho caso, ya no se requiere sintetizar triptofano porque está presente el necesario. Cuando el triptofano está presente, el triptofano se puede unir a la proteína regulatoria y ahora la proteína regulatoria sí se puede unir al operador

126 obstruyendo al promotor. Esto evita que la ARN polimerasa se una al promotor para iniciar la transcripción de ARNm.

Por lo tanto, la proteína regulatoria se une al operador solamente si la proteína regulatoria está unida al triptofano. Cuando nuevamente no haya triptofano, la proteína regulatoria se suelta del operador, liberando al promotor.

En este caso decimos que el triptofano es un represor de la transcripción. Estos inductores y represores son señales que sirven para regular el metabolismo. Hay factores nutricionales, hormonales, etcétera. Así se expresan ciertos genes y otros genes no se expresan, dependiendo del tejido. Heterocromatizar regiones del ADN también sirve para regular. Clase 19 Jueves 28/10/2004 Repasamos algunos conceptos sobre la base de la guía de preguntas. El ARNr tiene una vida media más larga que el ARNm. El ARNm tiene una vida media muy corta. ¿Qué pasa si el promotor (en el ADN) de un gen β sufre una mutación? Puede ser que la mutación aumente la afinidad del promotor por la enzima ARN polimerasa, o puede ser que disminuya la afinidad del promotor por la enzima ARN polimerasa. Si aumenta la afinidad, se va a mejorar, va a aumentar la velocidad de transcripción y por lo tanto va a sintetizar proteína en cantidad superior a la necesaria, gastando ATP (energía) de modo inútil. Si disminuye la afinidad, entonces va a disminuir la velocidad de transcripción del ARNm. Si la mutación anula el promotor del gen β , si lo deleciona, entonces no se podrá transcribir ARNm y por lo tanto no se podrán traducir las proteínas para expresar el gen β correspondiente. ¿Qué pasa si muta la proteína represora del operón triptofano? En condiciones normales la proteína represora del operón triptofano se une al operador cuando hay triptofano en el medio. Si hay una mutación en la proteína represora pueden haber 2 casos: que

127 aumente la unión de la proteína con el operador, o que disminuya la unión de la proteína con el operador. Si disminuye la unión y no hay triptofano en el medio, entonces se va a sintetizar triptofano de modo normal sin afectar. Pero cuando haya triptofano en el medio, la proteína no podrá reprimir al operador y el triptofano se seguirá sintetizando, con el consiguiente gasto inútil de ATP. Si la mutación aumenta la unión de la proteína represora con el operador, no va a haber problemas cuando haya triptofano en el medio, sin embargo, cuando no haya triptofano, la proteína represora no se soltará del operador e impedirá la transcripción, y por tanto no se podrá sintetizar el triptofano, causando la muerte del organismo. ¿Qué pasa si muta el promotor del operón lactosa? Si no hay lactosa no va a haber problemas, el represor se va a unir al operador y no hay transcripción. Si hay lactosa en el medio, y la mutación empeoró la afinidad del promotor por la ARN polimerasa, entonces no se van a poder sintetizar correctamente las enzimas necesarias para degradar la lactosa. Si hay lactosa en el medio, y la mutación aumentó la afinidad por la ARN polimerasa, entonces se va a sintetizar mayor cantidad de enzima y se va a gastar ATP, aunque simultáneamente la lactosa será degradada a mayor velocidad y por tanto se terminará en menor tiempo, agotándose el nutriente. ¿Qué pasa si muta el operador del operón lactosa? La mutación puede aumentar o disminuir la afinidad del operador por la proteína represora. Si disminuye la afinidad y no hay lactosa en el medio, se va a transcribir el ARNm gastando ATP de modo inútil. Si hay lactosa en el medio va a transcribir de modo normal. Si la mutación aumenta la afinidad del operador con el represor, entonces se va a unir el represor con el operador, haya o no haya lactosa en el medio. En dicho caso, si no hay lactosa no va a causar problemas; pero si hay lactosa para degradar, no se transcribirá el ARNm porque estará bloqueado el promotor (a causa del operador unido al represor) y no se podrá degradar la lactosa. La regulación transcripcional es la más importante dentro de los reguladores de la expresión génica. No se fabrica lo que no se va a usar. El principal control es en la transcripción. Regulación génica en eucariontes En el caso de los eucariontes tenemos el siguiente mecanismo de regulación: Secuencias regulatorias

Porción de ADN eucarionte con un gen ******** Promotor (caja TATA)

Genes estructurales (zona codificante)

Las secuencias regulatorias se llaman elementos de respuesta. Los elementos de respuesta son fragmentos de ADN y tienen secuencias que son reconocidas por proteínas llamadas factores de transcripción regulables. Los factores de transcripción regulables pueden pegarse a los elementos de respuesta. Los factores de transcripción regulables (proteínas) pueden ser activadores o represores. Puede haber 2 casos: que el elemento de respuesta sea un potenciador, llamado también enhancer o amplificador (se transcribe más) o que sea un silenciador o supresor (se transcribe menos). Las secuencias regulatorias están lejos pero al plegarse quedan más cerca. Esto hace que la

128 ARN polimerasa se una o no se una al promotor. El factor de transcripción regulable sufre un cambio (a modo de ejemplo se fosforila) que le permite unirse o no con las secuencias regulatorias. Todo esto hace que la expresión génica se modifique. La eucromatina y la heterocromatina (condensada) son otro factor más para regular. Heterocromatizar permite no transcribir, aunque esto es definitivo. Se puede hacer en algunos tejidos y no en otros. También se puede regular con la maduración del ARN, en el corte y empalme alternativo o splicing alternativo. En el hígado se sintetiza glucosa en base al ácido láctico utilizando el nudo metabólico. A partir del mismo gen, se podrá obtener una enzima más afín al pirúvico o al láctico. También se regula en la traducción. La regulación en general es en la transcripción. Si la proteína se necesita rápido (ya mismo) entonces la regulación de la traducción es el mejor camino. A modo de ejemplo, proteínas que se usan poco; pero que deben aparecer rápido. Otro mecanismo es la degradación, la velocidad de la degradación de la proteína. Generalmente eso ya viene codificado en el ADN, con una secuencia que determinará el momento de su degradación. Clase 20 Lunes 01/11/2004 Ciclo celular

La interfase de divide a su vez en:

129 En G1 se fabrican ribosomas, hay síntesis de proteínas (transcripción y traducción), las células crecen, metabolizan, etcétera. Si la célula no se va a dividir queda en G1 (a modo de ejemplo neuronas). La etapa G2 es más corta, ocurre transcripción y traducción pero solamente para proteínas (cadenas polipeptídicas) que se requieren para la división. En G2 no se fabrica cualquier proteína sino solamente las necesarias para la división. Para otro tipo de cosa no hay transcripción ni traducción. Si analizamos el ADN en interface veremos que está en forma de cromatina, no condensada. Fibras largas que representan cada fibra una hélice bicatenaria antiparalela de ADN con proteínas histonas. Hay en los humanos 46 tiras de cromatina, una por cada cromosoma. En fase S se replica el ADN. Se obtienen 2 moléculas (hélices bicatenarias antiparalelas) idénticas el molde original. En S entonces las 46 tiras de cromatina serán replicadas. ¿Qué sucesos ocurren en la división celular? En principio la cromatina se compacta en cromosomas (luego de haberse replicado). Se verán cromosomas, cada uno con 2 cromátidas. Cada cromátida es una hélice bicatenaria antiparalela de ADN. Cada cromátida de un cromosoma es idéntica. De esos 46 cromosomas, 44 son autosomas. El gen tiene la información para alguna proteína. En un gen cuentan las 2 cadenas de la hélice bicatenaria. En un cromosoma tendremos el mismo gen 2 veces, una en cada cromátida. Si representamos a un cromosoma tendremos 2 hélices bicatenarias antiparalelas en un gen, es decir, 4 cadenas. Por otro lado están los cromosomas homólogos. En dicho caso el gen estará en ambos cromosomas; pero no necesariamente tendrán la misma información, porque un cromosoma viene del padre y otro de la madre.

Estudiaremos 2 tipos de división: mitosis y meiosis. Mitosis

130

Si divido por mitosis obtengo 2 células idénticas entre sí (clones). Por supuesto son idénticas (clones) a la célula madre.

Para organismos unicelulares dividirse por mitosis significa dejar descendencia (esta es su reproducción asexual). La mitosis para nosotros (humanos) es crecimiento, renovación de células, regeneración de tejidos; pero no reproducción. Los humanos partimos de una única cigota y luego dicha cigota se multiplica por mitosis. Células diploides son las que tienen pares de cromosomas homólogos. Si partimos de células diploides en mitosis, entonces las células hijas también serán diploides. Ahora veremos el proceso de la división meiótica. La analizaremos por etapas: profase, metafase, anafase y telofase.

Profase Desaparece la envoltura nuclear, la membrana es parte del sistema de endomembranas, se dispersa y queda como sistema de cisternas (recordar que en esto interviene la fosforilación de las láminas). La membrana se desorganiza. Eso permite que el material genético se mueva con facilidad para repartirse, disminuyendo la probabilidad de errores. Desaparece el o los nucleolos donde se fabrican las partículas ribosomales con ARNr y proteínas. La cromatina se condensa y el ADN se ve como cromosomas y, eso permite que la repartición sea más ordenada y evitar así que la cromatina se corte en el proceso. También a partir de unas organelas llamadas centríolos se organiza el llamado huso mitótico. Son estructuras proteicas de tubulina. Cuando la célula se va a dividir los centríolos migran cada uno a un polo de la célula y se empieza a organizar el huso mitótico, que son fibras de tubulina que van de un extremo al otro, como rieles que van de un centríolo al otro. Los husos van creciendo y esa tubulina es granular y redondita, siendo que ya estaba presente de la etapa G2, y se van uniendo formando el filamento. El centríolo no fabrica la tubulina sino que la organiza, la polimeriza.

131 Son como rieles, monorieles, para los cromosomas. Los cromosomas se unirán al huso por sus centrómeros y se moverán por ahí. El centrómero une las cromátidas y también sirve para que el cromosoma se enganche al huso. Cada cromosoma está enganchado en un huso mitótico. Metafase Los cromosomas llegan al grado máximo de compactación (es cuando mejor se ven al microscopio). Cada cromosoma se engancha al huso en el ecuador de la célula (en el medio de la célula). Cada cromátida apunta hacia distintos polos (se ven acostados los cromosomas). Los cromosomas homólogos no tienen por qué estar cerca entre sí. Los 46 cromosomas se organizan de modo independiente. Anafase El centrómero se rompe y cada cromátida hermana migra hacia uno de los polos (una hacia arriba y otra hacia abajo). Es decir que a cada polo irá la misma información, porque cada cromátida es idéntica a la otra (clones). Es indistinto que una cromátida vaya a un polo u otro; pero cromátidas hermanas deben ir a polos opuestos. El huso se empieza a acortar y la cromátida enganchada empieza a moverse hacia el polo. El centrómero va delante enganchado al huso y la cromátida es arrastrada (se ve en forma de V). La cromátida se va acercando al polo tirada por el huso y la cromátida, ahora es un cromosoma independiente. Se empieza a descompactar el cromosoma. Telofase Los cromosomas ya están en los polos y aumenta la descompactación, llegando a cromatina. Desaparece el huso y la envoltura nuclear aparece nuevamente pero, habrá un núcleo en cada polo (uno para cada conjunto de cromatinas). Esto relatado hasta ahora (profase, metafase, anafase y telofase) no es la división celular sino la cariocinesis, es decir, la división nuclear. Ahora viene la citocinesis que es la división celular propiamente dicha repartiendo todo el citoplasma y las organelas (es parte de la telofase). Un filamento va estrangulando a la célula por el ecuador, hasta que el estrangulamiento provoca la división de la célula resultando de ello 2 células hijas con un núcleo cada una. Acá finaliza la telofase. Terminó la mitosis y cada célula hija está en G1 (haciendo todo lo que se hace en G1). En nosotros los humanos todo el tiempo sucede la mitosis. Hay células que se dividen a menor velocidad (a modo de ejemplo células del hígado). Las neuronas no se dividen. En interface no se ven cromosomas, sino líneas porque no hay cromátidas hermanas (las cromátidas hermanas aparecen luego de la fase S de replicación). Cada cromosoma es una única cromátida que está en forma de cromatina.

132 Interfase

Profase

Prometafase

Metafase

Anafase

Telofase

Citocinesis

Meiosis Vamos a ver la meiosis de afuera para dentro y después los detalles. La meiosis no la hace cualquier célula sino solamente las gonias (ovarios en hembras humanas y testículos en machos humanos) para dar origen a las gametas sexuales (óvulos en hembras humanas y espermatozoides en machos humanos). Las gonias son células 2n (diploides). Después de la meiosis voy a tener células n (haploides). Es decir que se reducen a la mitad la cantidad de cromosomas. Cada gameta tiene 1 ejemplar de los homólogos en lugar de tener los dos. La gonia duplica (replica) su ADN (en la etapa S) y después se divide 2 veces seguidas. Tiene la división 1 y 2, es decir meiosis 1 y 2. A su vez cada división tiene su propia profase, metafase, anafase y telofase. En la meiosis 1 se separan los cromosomas homólogos. Cada célula hija tendrá uno de los pares de homólogos, es decir que cada célula hija tendrá 23 cromosomas de los 46 iniciales (en el caso de los humanos). Cada uno de los 23 cromosomas tendrá 2 cromátidas (porque viene replicada de la fase S). Estas células hijas son haploides con material genético duplicado. Esta primera división es reduccional. Estas células hijas no son idénticamente iguales genéticamente hablando, no son clones, porque los cromosomas homólogos que se repartieron no son iguales (unos vienen del padre y otros de la madre). Ahora hay que realizar una segunda división pero sin duplicar el ADN (porque ya está duplicado). Se produce entonces la meiosis 2 en la que se separan cromátides hermanas. Ahora cada célula hija sí es idéntica a su original (porque las cromátidas hermanas sí son idénticas). Esta división es ecuacional. Son células haploides sin material genético duplicado. En total se obtuvieron 4 células hijas

133 (gametas haploides) que son diferentes entre sí y con respecto a su célula madre original. En la meiosis 1 (M1) se separaron cromosomas homólogos y en la meiosis 2 (M2) se separaron cromátidas hermanas. Debe ser reduccional obteniendo haploides porque al fusionarse gametas en la fecundación debe quedar una cigota con el número diploide, es decir n+n=2n. Vamos a volver a la meiosis pero en función del proceso. Hay cosas que tienen que ocurrir en ambas. En la profase 1 (meiótica) aparte de lo dicho, como queremos repartir cromosomas homólogos hay que tener todo organizado. Es así como ocurre el apareamiento de homólogos. Se ubican uno junto al otro, el cromosoma 1 con el 1, el cromosoma 2 con el 2, etcétera. Se emparejan los cromosomas homólogos y se pegotean usando proteínas. En principio los cromosomas homólogos no pierden su individualidad. En este momento en el que se aparean, puede ocurrir la recombinación genética, llamada también crossing-over. El apareamiento es punto a punto, esto significa que los genes de cada cromosoma homólogo están alineados. Entonces se puede romper un fragmento de cromátida de cada cromosoma homólogo y se cambian de lugar (se intercambian lugares), por lo que hay intercambio de ADN entre cromosomas homólogos. Esto no ocurre al azar sino que hay sistemas enzimáticos que lo hacen. El crossing-over no ocurre en todos los genes. El crossing-over es beneficioso.

En la profase los homólogos quedan enganchados en el punto en el que hubo crossingover y a dicho punto se lo llama quiasma. Al llegar a la anafase 1, los cromosomas homólogos vienen unidos por los quiasmas. Cuando se separan cada homólogo va a un polo opuesto de la célula y cada célula hija recibe uno de los homólogos. El quiasma permite que cada polo reciba el material correcto porque los homólogos no están sueltos sino ordenadamente unidos entre sí y de dicho modo se acomodan respectivamente en el ecuador. Si hay un crossing-over entre homólogos, solamente una de las cromátidas de cada cromosoma homólogo se verá afectada por el intercambio. Es decir, de las 4 cromátidas que suman los 2 homólogos, solamente 2 cromátidas (una de cada homólogo) intercambian material genético. No lo hacen las 4 cromátidas.

134 La recombinación genética (crossing-over) junta el material genético del padre y de la madre en el mismo cromosoma. Ahora un cromosoma con 2 cromátidas no tendrá cromátidas hermanas idénticas (clones), significando ello que puede variar la información genética. Esto ocurre en la profase 1 de la meiosis. Sin hacer una interfase, se pasa de la telofase 1 a la profase 2. La segunda división meiótica es igual a una mitosis pero en lugar de partir de células diploides (2n) se parte de células haploides (n), porque ya hubo una división anterior con reparto de homólogos. En esta segunda división no hay crossing-over porque no hay homólogos (son células haploides). En la anafase 2 se separan las cromátidas hermanas. Cada célula hija tendrá sólo una de las cromátidas hermanas. Estas células hijas no son idénticas entre sí (no son clones) porque pasaron por el crossing-over de la fase 1. En la anafase 1 los cromosomas homólogos del padre y de la madre se reparten al azar en la división y eso brinda variabilidad, junto a la variabilidad que brinda el crossing-over. Al final de la meiosis se obtienen 4 células hijas haploides todas distintas, todas diferentes. Gametogénesis La formación de las gametas se llama gametogénesis (esto es la meiosis). Podemos hablar de espermatogénesis en el caso de machos humanos o podemos hablar de ovogénesis en el caso de hembras humanas. El proceso ocurre en las gónadas (gonias), en los órganos sexuales. Gametogénesis

Espermatogénesis Ovogénesis

Algunas de las células diploides (2n) de la gonia serán las que se dividirán. Espermatogénesis Las destinadas a la meiosis son las espermatogonias (2n) para el caso de los testículos en machos humanos. Para eso debe estar diferenciada del resto y por diferenciación se replica el ADN obteniéndose los espermatocitos I. Todavía no hay división pero la replicación ya ocurrió (fase S) por lo que los 46 cromosomas tiene 2 cromátidas cada uno. El espermatocito I es una célula diploide (2n). Luego el espermatocito I sufre la meiosis 1 (reduccional) y se obtienen 2 células hijas haploides (n) con material genético duplicado (23 cromosomas con 2 cromátidas cada uno). Estas células hijas se llaman espermatocitos II. Ahora viene la meiosis 2 en la que se dividen cromátidas hermanas, por lo que se obtienen 4 células haploides (n) cada una con 23 cromosomas y cada cromosoma con una única cromátida (no hay material genético duplicado). Cada una de estas células hijas se llaman espermátidas. Estas espermátidas por diferenciación mediante proteínas se transforman en espermatozoides. La espermatogénesis sucede a partir de la pubertad y ocurre de modo continuo en el macho humano. Espermatogénesis Replicación Meiosis 1 Meiosis 2 Diferenciación Espermatogonia Espermatocito I Espermatocito II Espermátida Espermatozoide Ovogénesis

135

En el ovario de las hembras humanas hay ovogonias (son células diploides 2n). Estas ovogonias son células del ovario destinadas a la ovogénesis (meiosis). Algunas se diferencian y se replican en la fase S, y resulta de ello los ovocitos I. Todavía no hubo división aunque sí replicación del ADN por lo que los 46 cromosomas tiene 2 cromátidas cada uno. Ahora viene la meiosis 1 (reduccional) con segregación de cromosomas homólogos; pero la citocinesis es asimétrica, porque el citoplasma se reparte de modo desigual, uno recibe mucho y otro poco. La célula hija grande se llama ovocito II y la célula hija chica se llama primer cuerpo polar. El ovocito II es haploide (n), conteniendo 23 cromosomas con 2 cromátidas cada uno. Del cuerpo polar no se llega a algo útil. El ovocito II sufre la meiosis 2 y se obtiene nuevamente una célula hija grande y una chica. La chica se llama segundo cuerpo polar. La célula hija grande se llama óvulo, es una célula haploide con 23 cromosomas con una cromátida cada uno. Esto ocurre en el ovario y sucede en las hembras humanas cuando son embriones (en el vientre materno). Algunas se diferencian en ovocitos I (alrededor de 400) y esos empiezan la meiosis 1. En la profase 1 se detiene todo el proceso (todo esto en el vientre materno con la hembra humana en forma de embrión). Luego en la pubertad llega la ovulación que es mensual. De esos 400 ovocitos I, solamente uno por mes madura pasando a la meiosis 2 y se transforma en ovocito II (se detiene en metafase 2). Si este ovocito II que está en metafase 2 es fecundado por un espermatozoide, entonces completa la división, se transforma en óvulo y llega a cigota (unión de óvulo y espermatozoide). Si no hay fecundación el ovocito se pierde en la menstruación. Al mes siguiente se repite el ciclo. Replicación Ovogonia

Ovogénesis Meiosis 1 Ovocito I Ovocito II

Fecundación-Meiosis 2 Óvulo Cigota

Comparación entre mitosis y meiosis En mitosis las células hijas son genéticamente idénticas a sus originales (clones).En mitosis se obtienen 2 hijas diploides (2n). Estas 2 hijas son genéticamente idénticas entre sí. En mitosis no hay variabilidad. Sirve para crecimiento en organismos multicelulares y como reproducción en organismos unicelulares. En meiosis son las gonias las que se dividirán. En meiosis se obtienen 4 células hijas que son haploides (n) distintas, generando variabilidad. Clase 21 Jueves 4/11/2004 Hemos estado hablando del ciclo celular todo este tiempo. Tenemos la interfase (G1, S y G2), y la fase de división y hablamos de lo que ocurre en ellas. En G1 aumenta de volumen y crece, aumenta las mitocondrias, ribosomas, etcétera. Luego entra en la fase S de replicación (duplicación del ADN) y posteriormente G2 que prepara la división celular.

136 Las células que no se dividen están siempre en G1. Se salen del ciclo celular y se dice que están en G0. Esto lo vemos en neuronas por poner un ejemplo. La etapa G1 es la más variable de todas, es la etapa de mayor variación en cuanto a duración. Hay células que están en G0 y pueden entrar nuevamente al ciclo celular (a G1 rápidamente para entrar en la división celular). A modo de ejemplo las células del hígado (transplante). Las otras etapas son más parejas en cuanto a duración respecta, en los distintos tipos celulares. El ciclo celular está muy regulado. Debe haber un control del ciclo y se lo conoce como regulación del ciclo celular. Es algo muy complicado y está sutilmente regulado. La célula debe responder a señales para dividirse; el ciclo responde a señales propias o del medio. Esas señales son mensajeros químicos como las hormonas que traen el mensaje de que la célula debe dividirse. A modo de ejemplo esto se ve en las células de la médula ósea respondiendo a hormonas. Estas señales se llaman factores de crecimiento o mitógenos (inducen a la mitosis). Si una célula tiene un receptor para el mitógeno entonces se dividirá, si no lo tiene no se dividirá. Si la célula no tiene oxígeno, no tiene glucosa o no tiene los nutrientes necesarios, entonces no se podrá dividir y crecer, por lo tanto la célula está constantemente balanceando (analizando) si debe dividirse o si no debe dividirse. Es decir que hay señales positivas y señales negativas para decidir si entrar a la fase S y dividirse. Si cultivamos células en un laboratorio aumentará la cantidad de células pero se empieza a terminar el nutriente, el espacio, aumentan los desechos y las células morirán. El contacto entre células provoca inhibición por contacto.

Si la célula pasa al ciclo S se va a dividir inevitablemente pero hay puntos de control intermedios, que verifican si el ADN está bien, a modo de ejemplo para verificar mutaciones. Eso frena el ciclo, si hay errores, y se puede detener tanto en G1 como en G2, evitando que la célula entre en mitosis. Entonces al parar, los sistemas de reparación corrigen los errores. Si el error es muy grande (irreparable) la célula se suicida entrando en apoptosis. La apoptosis es la muerte celular programada. La célula se suicida sin hacer escándalo, a diferencia de la necrosis que es la muerte celular no programada. En la necrosis el contenido celular (incluyendo enzimas que degradan) se libera lastimando las células vecinas y causando inflamación. En la apoptosis, en cambio, la célula no se rompe y por tanto no hay daño en las células vecinas. Cuando una célula está infectada por un virus, pueden venir células como los glóbulos blancos y ordenarle a la célula infectada que entre en apoptosis. El cáncer son muchas enfermedades y lo común es que las células perdieron el control de regulación celular y se dividen sin parar ocasionando un daño tremendo a su alrededor. Es desregulación del ciclo celular. Hay técnicas modernas que buscan que las células cancerígenas entren en apoptosis.

137 Las mutaciones afectan a los genes individualmente. Aberraciones cromosómicas Ahora veremos aberraciones cromosómicas. El gen es muy chico y si miro un cromosoma no voy a detectar mutaciones en genes (debería utilizar técnicas genéticas). Los daños en el cromosoma involucran a varios genes y se puede ver mirando el cromosoma. Hay aberraciones numéricas y aberraciones estructurales. Las aberraciones numéricas afectan a la cantidad de cromosomas. Tenemos las aneuploidías y las enploidías. Las aneuploidías son las que presentan un cromosoma de más o un cromosoma de menos (n ± 1) a modo de ejemplo. Si le falta un cromosoma (n-1) entonces es una monosomía porque algún cromosoma no tiene a su homólogo. Si le sobra un cromosoma (n+1) entonces tenemos una trisonomía, en la que están los 2 cromosomas homólogos normales más un cromosoma repetido (3 en lugar de 2). Este es el caso del síndrome de Down. En la enploidía tenemos que todos los cromosomas están afectados, de todos hay algún múltiplo. Si lo normal es 46 a modo de ejemplo, entonces podría aparecer un caso con 23 cromosomas (faltan todos los homólogos), o con 69 cromosomas (hay 3 cromosomas de cada tipo en lugar de ser 2). Esto sucede por ejemplo, cuando hay cariocinesis pero no hay citocinesis. Que se sepa no hay casos en humanos; pero es muy común en las plantas. La aneuploidía como el síndrome de Down implica que se trata de individuos enfermos, no suelen ser normales. Está la trisonomía del cromosoma 21 como el síndrome de Down, está la trisonomía del cromosoma 18, hay trisonomía del cromosoma sexual X. Hay también casos de monosomía del cromosoma X que se figura X0. Estos casos tienen 45 cromosomas en lugar de 46, son hembras humanas estériles y se llama síndrome de Turner. El caso de 3 cromosomas sexuales como el XXY implica que el individuo tiene 47 cromosomas en total y se da en machos humanos y se llama síndrome de Klinefelter. No se conocen trisonomías de otros cromosomas en humanos. ¿Cómo se pueden producir estas aberraciones? El error tiene que estar en la formación de las gametas en los padres, durante la meiosis. En general es en la mujer pero no de modo exclusivo. Por algún motivo uno de los cromosomas queda retrasado en la anafase y la citocinesis lo agarra en el lado equivocado, por lo que al dividirse las células en lugar de tener 23 cromosomas cada una, tiene una 22 cromosomas y el otro 24 cromosomas. Si estas gametas son fecundadas por algún espermatozoide normal tendremos Cromosomas en espermatozoide 23 23

Cromosomas en óvulo 24 22

Cigota resultante 47 (Down) 45 (muere si es el crom 21)

En caso de cromosomas sexuales X con no disyunción podemos tener a modo de ejemplo (no disyunción en una hembra): Espermatozoide X

Óvulo XX

Cigota resultante XXX (trisonomía)

138 Y X Y

XX 0 0

XXY (trisonomía) X0 (monosomía) Y0 (monosomía muere)

Se usa el cariotipo para mirar los cromosomas. Se busca en metafase, se tiñen y se observan al microscopio para fotografiarlos. En el inicio del embarazo se pueden tomar células de la bellocidad cariónica (placenta). Es un método peligroso. También se pueden tomar células del líquido amniótico que es más seguro. Este cariotipo no detecta mutaciones génicas sino solamente enfermedades cromosómicas y aberraciones estructurales como las comentadas. Cariotipo tradicional

Cariotipo espectral (nuevo sistema)

En el caso de la aberración estructural el defecto está en el tamaño o forma del cromosoma. Al teñir los cromosomas para un estudio se ven partes más condensadas y partes menos condensadas (bandas). Los patrones de bandas son estables en las especies. Si hay aberraciones estructurales en el bandeo, puede ser un caso de deleción, cuando le falta un trozo de cromosoma. Puede haber casos de inversión cuando un cromosoma tiene el largo correcto pero un trozo está invertido. Puede ser una traslocación, cuando hay al menos 2 cromosomas involucrados y un trozo de un cromosoma se pega en el otro cromosoma involucrado. Puede haber traslocación recíproca. Veamos una célula diploide normal en distintas etapas, considerando la cantidad C como la cantidad de ADN normal de una célula diploide en G1

Número de cromosomas Número total de cromátidas Número de cromátidas por cromosoma Cantidad de ADN por célula

G1 y final mitosis

S

G2

Anafase mitosis

Final meiosis 1

Final meiosis 2

46

Copia

46

92

23

23

46

Copia

92

92

46

23

1

Copia

2

1

2

1

C

Copia

2C

2C

C

C/2

Ahora vamos a ver poniendo genes a la célula diploide. Vamos a imaginar que está el gen para el carrier de la glucosa en un locus de estos cromosomas homólogos

139

La secuencia de bases es G. No son necesariamente iguales los dos genes. El genotipo puede ser homocigota o heterocigota. El genotipo es describir cómo son los alelos (variantes) que pueden tener. Si los alelos son iguales entonces es homocigota. Si los alelos no son iguales entonces se llama heterocigota. Genotipo

Homocigota GG o bien gg Heterocigota Gg o bien gG

Podemos ver que existe el 50% de probabilidad de que una célula tenga el alelo G del gen de la glucosa (2 células de un total de 4), y el 50% de probabilidad de que tenga el alelo g del gen de la glucosa (2 células de un total de 4). Tenemos a modo de ejemplo el siguiente genotipo para los padres: (Gg) para el macho ♂ y (gg) para la hembra ♀ Fenotipo es la manifestación externa del gen. G es el alelo normal dominante g es el alelo anormal recesivo Gg puede captar la glucosa y GG también (normales) gg no puede captar la glucosa (enferma) Vamos a hacer un cuadro de Punnet para ver las combinaciones posibles: ♀ ♂

g

140 G g

Gg normal gg enferma

El 50% son Gg y el 50% son gg. GG normal (homocigota)  Fenotipo  Gg normal (heterocigota)  gg anormal (homocigota) El recesivo se manifiesta solamente como homocigota. El dominante se manifiesta como homocigota o como heterocigota. Leyes de probabilidades La probabilidad de algo es:

Donde α es el número de casos de algo y β es el número total de casos. Una cosa es la probabilidad y otra cosa es la realidad. Para que haya certeza hay que manejar grandes números. Para acercarse a la realidad hay que trabajar grandes números. Si quiero que se cumpla A y B (juntos) tenemos el siguiente método: P(A y B) = P(A) * P(B) Es decir, la probabilidad de A multiplicado por la probabilidad de B. A modo de ejemplo, los hijos de una pareja humana pueden ser hembras (♀) o machos (♂). Si una pareja humana tiene 2 hijos las posibilidades son las siguientes: ♀ + ♀ es decir hembra y hembra ♀ + ♂ es decir hembra y macho ♂ + ♀ es decir macho y hembra ♂ + ♂ es decir macho y macho Ahora queremos saber cuál es la probabilidad de que los hijos sean dos hembras, es decir, ♀ + ♀. Entonces debemos multiplicar la probabilidad de que salga una hembra, por las probabilidad de que salga también una hembra. La probabilidad de que sea hembra es 1 en 2 (porque puede ser macho o hembra), es decir, 1/2. P(Hembra) * P(Hembra) = P(♀) * P(♀) = 1/2 * 1/2 = 1/4 Esto significa que la probabilidad de que sean dos hembras es de 1 en 4.

141

Si lo que queremos averiguar es la probabilidad de que ocurra o bien el suceso A o bien el suceso B (pero no juntos) entonces debemos hacer: P(A ó B) = P(A) + P(B) Es decir, la probabilidad de A sumado a la probabilidad de B. Hagamos un ejemplo con 3 bolitas de colores. Tenemos las bolitas roja, azul y verde. ¿Cuál es la probabilidad de que si saco una sola bolita de la bolsa, esa bolita sea roja o que la bolita sea verde? Cada bolita tiene 1 posibilidad en 3 de salir, es decir 1/3. P(roja ó verde) = P(roja) + P(verde) = 1/3 + 1/3 = 2/3 Esto significa que tengo 2 posibilidades de 3 de que la bolita que saco, sea o bien roja, o bien verde. Clase 22 Lunes 8/11/2004 Herencia Leyes de Mendell La idea es ver si hay mecanismos generales o modalidades de herencia de genes. Ver si hay patrones. Enunciadas por Mendell sin saber lo que es un núcleo. Estudiando descendencia de plantas sacó conclusiones sobre los patrones de la herencia. Mendell era un monje y trabajaba con guisantes (arveja común), en grandes cantidades, muchas descendencias y esto le permitió realizar el estudio. Luego asociaremos las leyes de Mendell con los conocimientos actuales. Mendell estudió ciertas características de las plantas, como el color de la semilla, la forma de la semilla, etcétera. Tenía a modo de ejemplo plantas con flores rojas y plantas con flores azules. Estas plantas tenían la capacidad de autofecundarse (hermafroditas). Mendell podía determinar (por modificaciones realidadas a las plantas) si la planta se autofecundaría o si la planta sería fecundada con polen de una planta distinta. Mendell empezó con líneas puras y dejó que dichas líneas puras se autofecunden. Las plantas con flores rojas tenían hijos (descendencia) con flores rojas. Las plantas con flores azules engendraban plantas con flores azules. Es decir que la descendencia tenía el mismo color. ¿Qué pasa si cruzo 2 plantas distintas de líneas puras? Rojas

x

azules  (padres, parental)

 Todas rojas  (F1, filial 1, primeros hijos)

142

Es decir: Azules (padre)  Rojas (padre)  Rojas (F1 o hijos)  Esto significa que al cruzar plantas de flores rojas

 con plantas de flores azules ,

resultó de ello todas plantas de flores rojas . Mendell decidió entonces cruzar plantas de la F1, es decir las plantas hijas con flores rojas , con plantas también de la F1, con flores rojas . Mendell encontró que en la F2, es decir, en la segunda generación de plantas, aparecieron algunas con flores rojas



y otras con flores azules

.

De cada 4

 y 1 con flores azules . Por lo tanto, Mendell estableció la proporción 3:1. Es decir  plantas habían 3 con flores rojas

Mendell estableció que la característica que aparece en la F1, el color rojo

, es

dominante (el carácter). Al otro, al azul , lo llamó recesivo. A la característica azul

 que desapareció en la F1 algo le pasó, pensó Mendell. Llamó factor de la herencia a esta característica que puede aparecer y desaparecer (en este caso el color de las flores). Porque el color azul volvió a aparecer en la F2.



desapareció pero tiene que estar oculto porque luego

Mendell estableció entonces la 1º ley: para un carácter determinado tiene que existir por lo menos 2 factores de la herencia y, estos factores de la herencia se segregan cuando pasan de padres a hijos. Esta primera ley se llama ley de segregación. Son los genes lo que Mendell llamó factores de la herencia y estos factores de la herencia tienen variantes, que son lo que hoy se llama alelos. Están de a pares en los cromosomas homólogos, en las células diploides. Es decir, hay un alelo (variante) del gen (carácter) en cada cromosoma homólogo. Hay 2 copias (alelos) para cada gen. Las plantas puras son las homocigotas. En el experimento de Mendell son las plantas padres originales. La F1 era heterocigota. El color rojo  era el dominante. Flores rojas = R Flores azules = r El RR es un genotipo homocigota dominante. El rr es un genotipo homocigota recesivo. Rojo  y azul  son fenotipos.

143 RR es pura de flores rojas  y rr es pura de flores azules . Estos son los padres. El RR solamente genera gametas R y el rr solamente genera gametas r. r R  Rr  Es decir que el genotipo del F1 es Rr, y tienen todos un fenotipo rojo . Estos hijos de fenotipo rojo  de la F1 con genotipo Rr pueden generar 2 tipos de gametas, una R o una r. Al cruzar 2 plantas de la F1 se obtiene en la F2 lo siguiente: R

r

R RR  Rr  r

Rr  rr 

Lo que Mendell dice es que RR se separan y rr se separan (esto ocurre en la meiosis 1 cuando se separan o segregan los cromosomas homólogos). En la F2 tenemos 3 genotipos: RR, Rr y rr. Pero tenemos 2 fenotipos en proporción 3:1. Tenemos 3 rojos

 y 1 azul . Cuando Mendell estudiaba otras características o caracteres, encontraba exactamente lo mismo en la F1 y en la F2. Por lo tanto Mendell lo pone como Ley (es de cumplimiento general). ¿Qué pasa si estudio 2 caracteres juntos? Color de la flor es o bien R roja  que es dominante o bien r azul  que es recesiva. Tendremos también el color de la semilla que puede ser dominante M marrón

om

recesiva verde . Al autofecundar puras rojas y marrón (RRMM)



con puras azules y verdes

(rrmm)  que se trata en ambos casos de homocigotas, tenemos: Las plantas de genotipo RRMM de flores rojas y semillas marrones generan gametas RM y las plantas con genotipo rrmm de flores azules y semillas verdes generan solamente gametas rm. La F1 resultante será por tanto RM

rm RrMm



144 Se trata de un doble heterocigota. El fenotipo es roja marrón F1 pueden generar 4 tipos diferentes de gametas. RM

Rm

rM

. Estas plantas de la

rm

Si lo queremos visualizar en los cromosomas, hacemos algo así como ejemplo:

Los cromosomas homólogos se segregan en la Meiosis 1. De ello resultará la siguiente distribución en el cuadro de Punnet: RM RRMM

Rm RRMm

rM RrMM

rm RrMm







Rm

RRmM

RRmm

RrmM

rM

 rRMM  rRmM 

 rRMm  rRmm 

 rrMM  rrmM 

 Rrmm 

RM

rm

rrMm rrmm

 

La probabilidad para cada gameta es de 1 cada 4, es decir 1/4. El genes para el color de la flor está en pares de cromosomas homólogos diferentes al gen para el color de la semilla. La 2º ley de Mendell es la de la segregación independiente. Si estudio 1 carácter (1 gen) cada gameta va a distintos lugares (cada una con un alelo del gen). Si estudio 2 caracteres (2 genes distintos) la distribución de cada carácter (gen) es independiente. El carácter o gen para el color de la flor (R y r) es independiente del carácter o gen del color se la semilla (M y m) y por ello se segregan de modo independiente. El cuadro de arriba es el resultado de cruzar un F1 con otro F1. De dicha cruza obtuvimos estos distintos genotipos y fenotipos: Genotipo RRMM

Cantidad y porcentaj 1 (6.25%)

Fenotipo

RRMm

2 (12.5%)

Rojo-marrón 

RrMM

2 (12.5%)

Rojo-marrón 

Rojo-marrón 

Cantidad y porcentaj 9 (56.25%)

145 RrMm

4 (25%)

Rojo-marrón 

RRmm

1 (6.25%)

Rojo-verde 

Rrmm

2 (12.5%)

Rojo-verde 

rrMM

1 (6.25%)

Azul-marrón 

rrMm

2 (12.5%)

rrmm

1 (6.25%)

9 genotipos

16 ejemplares total

Azul-marrón 

3 (18.75%)

3 (18.75%)

1 (6.25%) Azul-verde  Fenotipo en proporción 9:3:3:1

Si nos preguntan por 16 plantas debemos responder que no sabemos cuántas saldrán roja-verde, porque si bien la proporción es 9:3:3:1, es válido para grandes números y no para pequeñas cantidades. Una cosa es preguntar por la probabilidad y otra es preguntar por la cantidad. La probabilidad de que sea roja-verde es de 3 en 16, es decir, 3/16. Pero no podemos saber cuántas serán roja-verde, sino solamente las probabilidades. Este modelo de herencia se llama herencia mendeliana simple. Es lo que estudiamos hasta ahora. Para que se cumpla esto los genes deben estar en cromosomas distintos. Los genes no deben estar en los cromosomas sexuales. Para el gen estudiado debe haber un alelo dominante y un alelo recesivo. Herencia no mendeliana Veremos casos de herencia en la que no se cumplen las leyes de Mendell. Dominancia incompleta y codominancia Imaginemos que tenemos los siguientes alelos para el gen del color de la flor: R = rojo (dominante) r = blanco (recesivo) Supongamos ahora que encontramos el siguiente resultado: Genotipo Rr y fenotipo rojo = Caso de dominancia Genotipo Rr y fenotipo rosa = Caso de dominancia incompleta Genotipo Rr y fenotipo con manchas rojas y blancas = Caso de codominancia En el caso de dominancia incompleta tenemos un intermedio al de los padres. En el caso de codominancia están presentes los dos colores de los padres. Hay enfermedades en humanos que se presentan con estas variantes de dominancia. Si cruzo 2 plantas completamente puras (homocigotas) y la F1 no se parece a los padres entonces tenemos un caso de dominancia incompleta o de codominancia. Veamos el ejemplo de los grupos sanguíneos humanos

146

Genotipo AA A0 BB B0 AB 00

Fenotipo A A B B AB 0

Homocigota Dominancia Homocigota Dominancia Codominancia Homocigota

En el caso de A y de B juntos hay codominancia porque se manifiestan los dos, tanto A como B. En general es más frecuente encontrar el alelo 0. El alelo 0 es el más frecuente a pesar de que según el cuadro el fenotipo 00 es uno solo. Si tenemos padres con el siguiente genotipo: madre 00 y padre AB entonces tendremos que la madre genera gametas 0 exclusivamente (tiene 2 alelos iguales) y el padre puede generar gametas A o gametas B. A B

0 A0 B0

0 A0 B0

De acá salió una hija con genotipo A0 y fenotipo A. No se conocen casos de no disyunción del gen del grupo sanguíneo. El factor RH puede ser positivo (+) o negativo (-). El factor positivo es dominante sobre el negativo. Si sabemos que el fenotipo de una persona es B(-) entonces podremos saber que el genotipo debe ser BB(--) o bien B0(--). Esta persona puede ser hija de una madre con fenotipo A(+) y genotipo A0(+-) y un padre con fenotipo B(+) y genotipo BB(+-) A modo de ejemplo, si tenemos padres con el genotipo antes mencionado, ¿cuál es la probabilidad conjunta de que tengan un hijo con fenotipo B(-)? A(+) A(-) 0(+) 0(-)

B(+) AB(++) AB(+-) B0(++) B0(+-)

B(-) AB(+-) AB(--) B0(+-) B0(--) 

B(+) AB(++) AB(+-) B0(++) B0(+-)

B(-) AB(+-) AB(--) B0(+-) B0(--) 

P(B) = 8/16 = 1/2 P(-) = 4/16 = 1/4 P(B)*P(-) = 1/2 * 1/4 = 1/8 Esto significa que la probabilidad conjunta de salir B(-) es de 1 caso entre 8, para la pareja anterior. Repetimos los conceptos de probabilidad:

147 Probabilidad de algo es igual a los casos favorables, dividido entre los casos posibles. (Casos favorables / Casos posibles) Si tenemos el genotipo Aa y lo cruzamos, se pueden generar gametas A o gametas a. De ello resulta el siguiente cuadro de Punnet: A a

A AA Aa

a Aa aa

La posibilidad de que sea homocigota (aa) es de 1/4. La posibilidad de que salga heterocigota (Aa) es de 1/2. ¿Cómo calculo la probabilidad de que ocurra un suceso A y un suceso B juntos (ambos sucesos independientes)? P(A y B) P(hija hembra + hija hembra) P(A) * P(B) 1/2 * 1/2 = 1/4 La posibilidad de tener 2 hijas hembras consecutivas es de 1/4 o dicho de otro modo, 1 posibilidad de 4. Probabilidad de que ocurra o bien el suceso A o bien el suceso B. P(A ó B) = P(A) + P(B) A modo de ejemplo la probabilidad de que sea homocigota AA o bien aa P(AA ó aa) = P(AA) + P(aa) = 1/4 + 1/4 = 2/4 = 1/2 Cruzamiento prueba Vamos a ver el concepto de cruzamiento prueba. Imaginemos que tenemos lo siguiente en unas plantas: Genotipo R r

Fenotipo Rojo (dominante) Amarilla (recesiva)

Una flor de fenotipo roja puede tener un genotipo (AA) o bien (Aa), es decir, puede ser homocigota o heterocigota. Si nosotros conocemos el fenotipo, en este ejemplo color rojo, y no sabemos el genotipo y queremos averiguarlo, tenemos que hacer un cruzamiento prueba, para descubrir si se trata de un homocigota o heterocigota. Entonces tomamos el fenotipo dominante (el que tiene el genotipo desconocido) y lo cruzamos con un homocigota recesivo (recesivo puro).

148

Es decir que tenemos a modo de ejemplo, un homocigota recesivo (aa) y un fenotipo dominante desconocido (A?). El signo de interrogación puede ser un alelo dominante (A) o uno recesivo (a). Si el caso que queremos averiguar (A?) se trata de un homocigota dominante (AA) entonces en el cruzamiento obtendremos: A A

a Aa Aa

a Aa Aa

Es decir que si el caso que queremos averiguar es un homocigota dominante, obtendremos el 100% de la descendencia con el fenotipo dominante color rojo. Sin embargo, si el caso que queremos averiguar (A?) se trata de un heterocigota (Aa), obtendremos lo siguiente: A a

a Aa aa

a Aa aa

Es decir que se obtendrá en la descendencia, un 50% con fenotipo dominante rojo, y un 50% con fenotipo recesivo amarillo. La 2º ley de Mendell se cumple si los genes no están ligados. Los genes ligados son los genes que están en el mismo cromosoma. Cuando tenemos genes que no están ligados, en la meiosis 1 los cromosomas homólogos (los 2 cromosomas que tienen alelos para el mismo gen) se segregan, y por lo tanto, obtenemos 4 gametas posibles. A modo de ejemplo, si el genotipo es (AaBb), entonces obtendremos las siguientes 4 gametas haploides: (AB), (Ab), (aB), (ab). Pero cuando los genes para (A) y para (B) están en el mismo cromosoma, ya no se segregan de modo independiente, porque están en el mismo cromosoma, por lo tanto, obtendremos 2 gametas haploides distintas en lugar de 4 gametas haploides distintas. Por ejemplo, obtendremos las siguientes gametas: (AB), (ab).

149

Es decir que no se cumple la segregación independiente. La 2º ley de Mendell se cumple si los genes están en distintos pares de homólogos, para que los genes se puedan segregar independientemente unos de otros en la meiosis 1, viajando cada uno en un cromosoma distinto. Clase 23 Jueves 11/11/2004 Herencia ligada al sexo Veremos una modalidad de herencia no mendelliana, llamada herencia ligada al sexo. Hasta ahora no nos preocupó el sexo del hijo cuando analizábamos herencia de genes; pero ahora veremos que en determinados casos el locus del gen (su ubicación física en el cromosoma) está ubicado en el cromosoma sexual X. El reparto de cromosomas sexuales X no es igual en machos y hembras. Los cromosomas X e Y son los cromosomas sexuales y los otros 22 pares de cromosomas son los llamados autosomas. Son 43 pares de cromosomas en total porque ahora hablamos del caso de los humanos. Los genes que vimos hasta ahora estaban ubicados en autosomas, en cromosomas no sexuales. Ahora veremos cómo se heredan genes ubicados en los cromosomas sexuales, es decir en el cromosoma X o en el cromosoma Y. El macho tiene 1 sola copia del cromosoma sexual X y la hembra tiene 2 copias del cromosoma sexual X.

150

Un ejemplo de enfermedad ligada al cromosoma sexual X es el daltonismo y otro ejemplo es la hemofilia. Ambas enfermedades son recesivas y están ligadas al cromosoma sexual X. El daltonismo afecta al reconocimiento de los colores (incapacidad de distinguir entre el rojo y el verde). La hemofilia es un grupo de enfermedades que se caracteriza por la falta de coagulación de la sangre (por lo que un pequeño corte puede producir hemorragia). Ambas enfermedades afectan generalmente a los machos humanos y muy raramente a hembras humanas. Estas enfermedades no se expresan en heterocigosis, sino solamente en forma homocigota recesivo. Veremos el daltonismo. D = alelo normal dominante d = alelo anormal recesivo Hembra = ♀ Macho = ♂ En una hembra (♀) humana podemos tener en el cromosoma X un genotipo homocigota (DD), o bien podemos tener un genotipo heterocigota (Dd), porque la hembra (♀) humana tiene los 2 cromosomas sexuales X, cada uno con un alelo del gen. El macho (♂) humano tiene 1 único cromosoma sexual X, porque el otro cromosoma sexual es un Y. Por lo tanto, el macho (♂) tiene un único alelo para este gen ubicado en el cromosoma sexual X. Cuando se tienen 2 alelos iguales se llama homocigota. Cuando tiene 2 alelos distintos se llama heterocigota. Cuando tiene 1 único alelo se llama hemicigota. Los machos (♂) humanos son hemicigotas para este gen. Por lo tanto el genotipo para este gen ubicado en el cromosoma sexual X en los machos será (D) o bien (d). Si el macho (♂) tiene genotipo (D) será normal pero si tiene genotipo (d) será daltónico. Si el macho humano tiene un único alelo anormal para este gen, es suficiente para que la enfermedad se exprese fenotípicamente (estará enfermo). Para que una hembra humana sea daltónica tiene que tener los 2 alelos anormales (dd), es decir homocigosis recesiva. Lo más normal es que la hembra humana sea portadora del alelo anormal pero que no sea daltónica. Si analizamos una hembra normal (DD) pero un macho daltónico (dY) en el que la Y representa al cromosoma sexual Y (cromosoma que no contiene el gen que analizamos), tendremos del apareamiento las siguientes cigotas o hijos posibles:

D ♀

D

Del cuadro de arriba resulta lo siguiente: Porcentaje de hijos machos enfermos = 0%

d Dd ♀ Dd ♀

♂ Y DY ♂ DY ♂

151 Porcentaje de hijas hembras enfermas = 0% Porcentaje de hijos machos portadores = 0% Porcentaje de hijas hembras portadoras del alelo de la enfermedad = 100% Analizaremos ahora un caso de hembra portadora (Dd) y macho sano (DY).

D ♀

d

D Dd ♀ Dd ♀

♂ Y DY ♂ dY ♂

Del cuadro de arriba resulta lo siguiente: Genotipo (DD) fenotipo hembra (♀) sana. Genotipo (Dd) fenotipo hembra (♀) portadora. Genotipo (DY) fenotipo macho (♂) sano. Genotipo (dY) fenotipo macho (♂) daltónico. Porcentaje de hijos machos enfermos = 50% Porcentaje de hijas hembras enfermas = 0% Porcentaje de hijos machos portadores = 0% Porcentaje de hijas hembras portadoras del alelo de la enfermedad = 100% En general el daltónico es el macho y el alelo anormal se lo pasó la madre (hembra) portadora. Veremos el resultado de la fecundación entre una hembra portadora (Dd) y un macho daltónico (dY):

D ♀

d

♂ d Y Dd DY ♀ ♂ dd dY ♀ ♂

Del cuadro de arriba resulta lo siguiente: Genotipo (Dd) fenotipo hembra (♀) portadora. Genotipo (dd) fenotipo hembra (♀) daltónica. Genotipo (DY) fenotipo macho (♂) sano. Genotipo (dY) fenotipo macho (♂) daltónico. Porcentaje de hijos machos enfermos = 50% Porcentaje de hijas hembras enfermas = 50% Porcentaje de hijos machos portadores = 0% Porcentaje de hijas hembras portadoras del alelo de la enfermedad = 50%

152 Porcentaje de hijos enfermos (machos y hembras incluidos) = 50% Veremos el resultado de la fecundación entre una hembra daltónica (dd) y un macho sano (DY):

d ♀

d

D Dd ♀ Dd ♀

♂ Y dY ♂ dY ♂

Del cuadro de arriba resulta lo siguiente: Genotipo (Dd) fenotipo hembra (♀) portadora. Genotipo (dY) fenotipo macho (♂) daltónico. Porcentaje de hijos machos enfermos = 100% Porcentaje de hijas hembras enfermas = 0% Porcentaje de hijas hembras portadoras del alelo de la enfermedad = 100% Veremos ahora el caso de una fecundación producida entre una hembra daltónica (dd) y un macho daltónico (dY).

d ♀

d

♂ d Y dd dY ♀ ♂ dd dY ♀ ♂

Del cuadro de arriba resulta lo siguiente: Genotipo (dd) fenotipo hembra (♀) daltónica. Genotipo (dY) fenotipo macho (♂) daltónico. Porcentaje de hijos machos enfermos = 100% Porcentaje de hijas hembras enfermas = 100% Porcentaje de hijos enfermos (machos y hembras incluidas) = 100% Mendell trabajó con genes autosómicos y no encontró estos casos en cromosomas sexuales. Las leyes de Mendell no se aplican en genes ubicados en cromosomas sexuales. Tampoco en genes ligados. Tampoco en casos de dominancia incompleta y en codominancia.

153 Vamos a ver un ejemplo de genes ligados por un lado, y genes ligados sufriendo un crossing-over (rojo y verde con cromosomas homólogos, cada uno con distintos alelos para el gen A y el gen B).

Aunque los genes A y B están ligados, luego del crossing-over se obtienen 4 genotipos distintos. El crossing-over no es siempre igual y es poco frecuente que entre 2 genes ocurra un crossing-over y, por lo tanto, no se pueden hacer proporciones del tipo 9:3:3:1. Es muy poco frecuente que aparezcan las 4 gametas. Cuando se trabaja con genes ligados y crossing-over conviene dibujar todo el proceso. Si hay 2 genes A y B en el brazo largo de un cromosoma (arriba del centrómero a modo de ejemplo) entonces, por más que ocurra un crossing-over en el brazo corto del cromosoma (abajo del centrómero a modo de ejemplo), se obtienen 2 gametas distintas, en lugar de 4 gametas distintas. Porque el crossing-over ocurrió en una región del cromosoma en el que los genes A y B no estaban ubicados (habrá afectado a otros genes; pero no a los genes A y B). El crossing-over aumenta la variabilidad, intercambiando alelos entre homólogos.

154 Como curiosidad se puede decir que el crossing-over también puede ocurrir entre cromátidas hermanas (del mismo cromosoma); pero por supuesto, este crossing-over no se nota, porque los alelos intercambiados no son distintos (no son uno de la madre y otro del padre), sino que son iguales (las cromátidas hermanas son clones luego de la replicación). Es un crossing-over que no involucra a 2 cromosomas homólogos, sino a un único cromosoma y por lo tanto, no genera variabilidad. Vamos a hacer un ejercicio típico de genética. La fenilcetonuria es una enfermedad autosómica recesiva. Una pareja de individuos sanos tienen un hijo fenilcetonúrico. Pregunta (a): ¿Cuál es la probabilidad de que el segundo hijo sea fenilcetonúrico? Pregunta (b): ¿Cuál es la probabilidad de que el segundo hijo sea una hembra (♀) fenilcetonúrica? Tendremos los alelos (F) que es normal dominante y el (f) que es anormal recesivo. Los genotipos (FF) y (Ff) serán normales teniendo en cuenta que (Ff) es portador sano. El genotipo (ff) será fenilcetonúrico. El genotipo de la madre es (Ff) y el del padre es (Ff), ambos son portadores sanos. El resultado en la fecundación es el siguiente cuadro de Punnet: F F FF f Ff

f Ff ff

El cuadro nos indica que la probabilidad que nos preguntan en el punto (a) es de 1/4, es decir, hay 1 probabilidad en 4 de que el hijo sea fenilcetonúrico. Para responder la pregunta (b) debemos tener en cuenta que la probabilidad de que la hija sea hembra en cualquier caso, es de 1/2, es decir, el 50% puede ser macho y el 50% hembra. Entonces, para responder debemos hacer un cálculo combinado de probabilidad. P(hembra, fenilcetonúrica) = P( 1/2 , 1/4) = 1/2 * 1/4 = 1/8 Es decir que la probabilidad de que tengan una hembra fenilcetonúrica es de 1 entre 8. Clase 24 Lunes 15/11/2004 Repasamos algunos conceptos. Si se diseca un trozo de hígado, las células remanentes entran en rápida proliferación para restablecer la masa y estructura original. ¿El ciclo de éstas se ha acortado o alargado? ¿A expensas de qué etapa? Las células salen de G0 y entran nuevamente al ciclo celular de modo rápido directamente a la etapa S de replicación. Se corta la etapa G1 que de hecho es la más variable y la más larga. Hay que tener en cuenta que G0 es igual que G1 y se le llama así cuando la célula sale del ciclo celular (es como un G1 perpetuo).

155 Justificar si la siguiente afirmación es verdadera o falsa: Dado que la ADN polimerasa sólo puede funcionar en el sentido 5'3', esto implica que sólo puede trabajar sobre la hebra de ADN que va de 3'5'. Bueno esta afirmación no es verdadera, porque recordemos que aparecen los fragmentos de Okazaki, que son la sucesión de primer-ADN-primer-ADN-primer-ADN etcétera, que se genera en la cadena retrasada, en la que la ADN polimerasa, sintetiza en el sentido contrario a la enzima helicasa. De hecho hay fragmentos de Okazaki en ambas cadenas porque la replicación es bidireccional. ¿La relación A/T = C/G es sólo válida para las moléculas de ADN? Muy bien, pensemos por un momento la relación que nos plantean. A es adenina, T es timina, C es citosina y G es guanina. A y G son purinas y T y C son pirimidas. A se empareja con T y G con C. Por lo tanto, debe haber la misma cantidad de A que de T y la misma cantidad de G que de C. Entonces si tenemos 8 actinas tendremos 8 timinas y si tenemos 3 guaninas tendremos 3 citosinas, por lo tanto: A/T = C/G 8/8 = 3/3 1=1 Efectivamente la afirmación es correcta. Podemos ver que también es cierto lo siguiente: A+G = T+C 8+3 = 8+3 11 = 11 En el ARN esto no cuenta porque hay una única cadena. Experimento de la licuadora Hubo un experimento que demostró que es el ADN y no las proteínas el que lleva la información genética. Se trabajó con bacteriófagos, que son virus de bacterias. Los bacteriófagos están formados por una cápsula de proteínas que contiene ADN en su interior. El bacteriófago inyecta su ADN en la bacteria y la infecta, luego dicho ADN se replica utilizando la maquinaria replicacional de la bacteria. Finalmente la bacteria estalla.

156

Para averiguar si el responsable es el ADN o la proteína, en un laboratorio se marcó el ADN del bacteriófago con fósforo radioactivo. La cápsula del bacteriófago es de proteína y a dicha proteína se la marcó con azufre radioactivo (el ADN no tiene azufre). Entonces del virus se podía diferenciar su ADN y de su proteína, ambos marcados de modo distinto. Se metió todo en una licuadora, los virus (bacteriófagos) y las bacterias y se sometió a licuación separando lo pesado de lo liviano. Lo pesado son las bacterias, las células. Los virus son lo liviano. Se encontró entonces que en el fondo pesado donde están las bacterias, había fósforo radioactivo, es decir, el ADN viral marcado con fósforo. En la parte liviana, la de los virus (bacteriófagos), se encontró el azufre radioactivo, es decir las proteínas de los virus, su cápsula. Este experimento permitió determinar que lo que pasaba de los virus bacterianos (bacteriófagos) a las bacterias que quedaban infectadas, era el ADN viral y no las proteínas del virus. Es decir que la información genética está en el ADN. Veamos ahora como ejercicio una pregunta que puede ser de parcial (examen). ¿En qué consiste el proceso de corte y empalme (splicing)? ¿Qué significa que puede ser alternativo y qué ventajas biológicas puede tener este proceso? ¿Todas las células vivas lo realizan? Bueno, como recordarán el ARNm inmaduro tiene intrones y exones. El exón es el que se va a expresar y el intrón es el que se va a eliminar. Al final tendremos todos los exones juntos, unidos, y el ARNm ahora es más corto. Esto sucede en el núcleo, en la postranscripción. El splicing puede ser alternativo porque un intrón puede pasar a ser un exón y viceversa, resultando de ello un ARNm distinto que expresará una proteína distinta. Esto es una ventaja económica para la célula porque le permite tener menos ADN. El splicing y el splicing alternativo sucede solamente en eucariontes, no sucede en procariontes. No hay maduración del ARNm en procariontes. En eucariontes el ARNm es monocistrónico y en procariontes el ARNm es policistrónico.

157

Veamos otra pregunta distinta. ¿Qué ocurriría y qué consecuencias biológicas tendría si una célula pierde su capacidad de degradar sus ARNm? Bueno, si no se degradan los ARNm se van a seguir sintetizando proteínas y eso puede dañar a la célula, porque las proteínas tienen que estar presentes en la proporción justa en el momento justo. ¿Todos los ARN tienen la misma vida media? No. El ARNr es el que más tiempo dura. El ARNm es el que dura menos. El ARNt es intermedio. ¿Tendrá las mismas consecuencias la pérdida de un nucleótido en el gen que en el ARNm? Acá tenemos que tener en cuenta que la pérdida de un nucleótido es más grave si ocurre en un gen porque afectará a la célula cada vez que haya transcripción y replicación. Si la pérdida del nucleótido ocurre en el ARNm entonces se afectará la traducción en la que participe dicho ARNm pero, como el ARNm tiene vida media corta esto será menos grave. ¿Cuáles son las fuentes de energía para la replicación, la transcripción y la traducción? Acá recordemos que para la replicación se utilizan los nucleótidos trifosfatos y, al romper el enlace de los 2 fosfatos sobrantes se utiliza dicha energía para las uniones fosfodiéster entre los nucleótidos. En el caso de la transcripción ocurre lo mismo. En la transcripción se utilizan solamente ribonucleótidos trifosfatos. En el caso de la traducción recordemos que se utiliza energía en la etapa de activación del aminoácido, mediante la separación de 2 fosfatos del ATP para crear un enlace de alta energía entre el ARNt y el aminoácido, resultando de ello el transfer (aminoacil∼ ARNt), gracias a la enzima aminoacil ARNt sintetasa. También se utiliza energía en la etapa de elongación, cuando el ribosoma se trasloca un codón en dirección 5'3'. Veamos otra pregunta. Si un oligopéptido está formado por las siguientes secuencias de aminoácidos ABCDEF, y luego de una mutación en el gen que lo codifica, la secuencia resultante es ABCXYZ, ¿cuál puede haber sido la mutación producida? Acá recordemos que se puede tratar de una deleción, porque la deleción cambia todo el marco de lectura a partir del sitio de la mutación. También pudo haber sido una inserción, porque también cambia todo el marco de lectura a partir del sitio de la mutación. ¿Cuáles son los 2 pasos de la traducción que aseguran la correcta expresión del ARNm?

158 En este caso recordemos que la enzima aminoalcil-ARNt-sintetasa es específica y asegura que el ARNt se una con el aminoácido correcto. Este proceso selectivo es fundamental y por ello hay diferentes enzimas aminoacil ARNt sintetasa, al menos una por cada aminoácido. También es fundamental la etapa en la que el transfer se une utilizando su anticodón, al codón del ARNm. Esta unión también es fundamental. Veamos un ejercicio de operón. ¿En qué condiciones de crecimiento, una mutación que anule la secuencia operadora del operón lactosa, no causaría problemas a la célula que lo sufre? En este caso recordemos que normalmente el represor (la proteína regulatoria) se une al operador y, cuando aparece lactosa en el medio, la lactosa se une al represor y, entonces, el represor cambia su conformación y se suelta del operador, liberando al promotor (esto permite que se inicie la transcripción del ARNm). Si una mutación anula el operador, el represor no se podrá unir al operador y, entonces, el promotor estará constantemente libre para unirse a la ARN polimerasa que participa en la transcripción del ARNm, haya o no haya lactosa para degradar. Esto implica que si no hay lactosa para degradar, se va a gastar energía de modo inútil; pero la célula va a sobrevivir. Cuando sí hay lactosa en el medio, no causa problemas. Otra pregunta distinta. Un cultivo bacteriano crece en un medio con lactosa como única fuente de energía. Explique si las siguientes mutaciones que anulan la función de la secuencia involucrada, afectarán o no el metabolismo normal de la célula: 1) Secuencia regulatoria del operón lactosa. 2) Gen de la ARN polimerasa. 3) Uno de los genes estructurales del operón. En este caso (1) de la secuencia regulatoria, no va a afectar el metabolismo, porque la transcripción del ARNm se va a realizar haya o no haya lactosa en el medio. Habrá gasto inútil de energía si no hay lactosa en el medio; pero no causará la muerte del organismo. En la pregunta (2) tenemos un caso muy grave porque al anularse el gen de la ARN polimerasa, no habrá enzima ARN polimerasa que realice la transcripción del ARNm y, por lo tanto, la célula no podrá degradar la lactosa, su única fuente de energía y, por lo tanto la célula morirá. En la pregunta (3) tenemos que alguna de las proteínas para degradar la lactosa no se podrá sintetizar. Es cierto que afecta a una (alguna) y no a todas las proteínas involucradas en la degradación de la lactosa; pero con esa proteína faltante seguramente la célula no podrá degradar correctamente la lactosa y por lo tanto morirá. Veamos problemas de genética. Una mujer de 30 años tuvo una hermana que falleció por la enfermedad de Tay-Sachs a los 6 años. Esta enfermedad es autosómica recesiva. ¿Cuál es la probabilidad de que esta mujer sea portadora del alelo de la enfermedad? Acá tenemos que tener en cuenta que de entrada se descarta la opción de que la mujer esté enferma y, por lo tanto, solamente interesan los casos en que podría ser portadora sana. Para estar enfermo hay que tener dos alelos anormales, porque la enfermedad es autosómica recesiva (se manifiesta en homocigosis recesiva). Esto implica que ambos padres deben tener el alelo anormal, y por ello la niña que murió era homocigota. Si representamos como (T) el alelo normal dominante y como (t) el alelo anormal recesivo, obtendremos del tablero de Punnet lo siguiente:

159

T t

T TT Tt

t Tt tt

Del cuadro de Punnet resulta que la mujer tiene 2 probabilidades entre 3 de tener el alelo anormal en su genotipo, es decir genotipo (Tt). La opción (tt) ya dijimos que no se tiene en cuenta porque la mujer no está enferma. Por lo tanto, la probabilidad es de 2/3. Veamos otro ejemplo. En los humanos el albinismo es una incapacidad genética para producir un pigmento y, es causada por un alelo recesivo de un cromosoma autosómico. Un hombre albino, que es hijo de un hombre albino y una mujer fenotípicamente normal, tiene hijos con una mujer de fenotipo normal cuyos padres eran ambos de fenotipo normal. De los cuatro hijos uno es albino. 1) Indique los genotipos de todos los individuos mencionados y, señale cuál era la probabilidad que presentaba la pareja de tener hijos albinos. 2) ¿Espera usted que la proporción de machos y hembras normales en la descendencia sea diferente? Acá los datos que tenemos indican que para estar enfermo hay que tener genotipo homocigota recesivo. También indican que si un hijo resulta albino entonces ambos padres deben tener el alelo anormal. Utilicemos como nomenclatura (A) para el alelo normal dominante y (a) para el alelo anormal recesivo. Al hombre del caso lo llamaremos H1 y a su mujer M1. A los padres de H1 los llamaremos H0 al hombre y M0 a la mujer. A los padres de la mujer M1 los llamaremos H2 al hombre y M2 a la mujer. El genotipo de H1 tiene que ser (aa) porque es albino. ¿Cómo es el tablero de Punnet de la fecundación de H0 y M0, es decir de los padres de H1? El hombre H0 tiene genotipo (aa) porque es albino y, la mujer M0 tiene que ser portadora sana porque dicen que es fenotípicamente normal, por lo tanto es heterocigota (Aa), y de allí resultó un hijo albino (aa): A a

a Aa aa

a Aa aa

Es decir que el genotipo de H0 es (aa) y el de M0 es (Aa). Por supuesto de ello resultó H1 que es albino de genotipo (aa). Esto por el lado del hombre y sus padres. ¿Y por el lado de la mujer M1 y sus padres H2 y M2? Los datos nos dicen que la mujer M1 es de fenotipo normal y que sus padres también son de fenotipo normal. Sin embargo sabemos que si la mujer M1 tuvo un hijo albino, entonces debe poseer el alelo anormal. Y si la mujer M1 tiene el alelo anormal pero es de fenotipo normal, entonces la mujer M1 es una portadora sana de genotipo heterocigota (Aa). Este alelo anormal lo debe haber recibido de sus padres que según los datos son fenotípicamente normales. Por lo tanto, los padres de M1 deben ser al menos uno de ellos, portador sano del alelo anormal, es decir, heterocigota (Aa). A modo de ejemplo, el hombre H2 puede ser de genotipo homocigota (AA) y la mujer M2 puede ser portadora sana del alelo anormal

160 con genotipo heterocigota (Aa), resultando en la fecundación el siguiente tablero de Punnet: A a

A AA Aa

A AA Aa

Del cuadro vemos que el 50% de los descendientes portarían el alelo anormal, siendo heterocigotas (Aa); pero que el 100% sería de fenotipo normal. Ahora, pasamos al caso del hombre H1 y la mujer M1 que son el caso que estudiamos. Sabemos que el hombre H1 es albino de genotipo homocigota (aa) y la mujer M1 es de heterocigota (Aa) con fenotipo normal. Hacemos el tablero de Punnet: A a

a Aa aa

a Aa aa

Vemos del tablero, que el 50% de sus hijos serían albinos, de genotipo homocigota recesivo (aa) y la probabilidad de ello es de 1/2. El 50% restante de los hijos serían portadores de fenotipo sano, de genotipo heterocigota (Aa), con una probabilidad de 1/2. Respecto a la pregunta (2) sobre si la proporción de descendientes machos y hembras sanos sería diferente, debemos responder que sería igual la proporción, porque al ser una enfermedad autosómica, no involucra el sexo de los descendientes. Clase 25 Jueves 18/09/2004 Hagamos otro ejercicio. En las moscas el color de ojos blancos es recesivo con respecto al color de ojos rojos. Se cruzan 2 moscas de ojos rojos y se obtiene numerosa descendencia con ojos rojos y blancos. Se observa que todos los que tienen ojos blancos son machos. 1) Discuta si el color de ojos es un carácter autosómico o ligado al sexo. 2) Escriba el genotipo para la descendencia de ojos blancos y rojos y su probabilidad. En este caso en principio vemos que habla de numerosa descendencia, por lo tanto sabemos que se habla de grandes números y no de pequeñas muestras. También sabemos que todas las moscas de ojos blancos que resultaron de la cruza, son machos. Esto nos está indicando que se trata de un gen probablemente ligado al cromosoma sexual X. Los datos nos dicen que las moscas que se cruzaron eran de ojos rojos. Por lo tanto, si el gen está ligado al cromosoma sexual X y las moscas que se cruzaron tenían ojos rojos, el alelo anormal para ojos blancos estaba en la hembra heterocigota, debido a que el macho hemicigota no puede portar el alelo anormal debido a que si portara el alelo, sería de ojos blancos.

161 Al alelo normal para ojos rojos (dominante) lo llamaremos (R) y al alelo anormal para ojos blancos (recesivo) lo llamaremos (r). Probamos entonces con una hembra de genotipo heterocigota (Rr) de ojos rojos y un macho hemicigota (RY) de ojos rojos. La Y representa el cromosoma sexual Y. Hacemos el tablero de Punnet:

R r

R RR ♀ Rr ♀

Y RY ♂ rY ♂

Del tablero podemos observar que resultan, de ojos blancos, solamente machos (♂) de genotipo (rY). Tenemos: Hembras (♀) de genotipo homocigota (RR) con fenotipo ojos rojos un 25% Hembras (♀) de genotipo heterocigota (Rr) portadoras del alelo ojos blancos; pero con fenotipo ojos rojos un 25% Machos (♂) de genotipo hemicigota (R) con fenotipo ojos rojos un 25% Machos (♂) de genotipo hemicigota (r) con fenotipo ojos blancos un 25% Veamos el siguiente ejercicio. El caballo tiene un complemento diploide de 60 cromosomas y el burro de 66 cromosomas. ¿Cuál será el número de cromosomas de la progenie híbrida mula proveniente de la cruza de una yegua con un burro? Acá tenemos el caso de los híbridos. Tenemos por un lado una yegua con 60 cromosomas que generará gametas haploides de 30 cromosomas. Por otro lado tenemos un burro de 66 cromosomas que generará gametas haploides de 33 cromosomas. Cuando se produce la fecundación, se unirá una gameta haploide de la yegua con 30 cromosomas y una gameta haploide de burro con 33 cromosomas. La cigota resultante tendrá 30 + 33 cromosomas, es decir, 63 cromosomas. Es decir que tenemos un híbrido llamado mula que tiene 63 cromosomas. Estos 63 cromosomas no tienen homólogos. No son homólogos porque 30 cromosomas pertenecen a una especie, la de la yegua, y los otros 33 cromosomas pertenecen a otra especie distinta, la del burro. Si bien el resultado ha sido un ser vivo (la mula), este ser vivo no tiene cromosomas homólogos con los que realizar la meiosis. Por lo tanto es estéril y no puede generar gametas viables. Sin embargo en las plantas existe la poliploidía. Esto significa que si aparece un híbrido como el anterior de 63 cromosomas sin homólogos, la planta puede pasar por una no disyunción de cromosomas, resultando de ello que de 63 cromosomas iniciales se pasa a 126 cromosomas (el doble), ahora sí teniendo 63 pares de homólogos. Por lo tanto, esta planta sí podrá realizar la meiosis y generar gametas viables y, por lo tanto no será estéril.

162 Veamos otro ejercicio. ¿Podría una mujer que padece síndrome de Down (trisonomía del par 21) tener un hijo normal con un varón normal? Explique mediante un esquema de la meiosis del hombre y de la mujer, las posibles fecundaciones resultantes. Acá sabemos que el error proviene de la no disyunción del cromosoma 21 en los padres. Si en el ejercicio no se nos aclara, supondremos que la mujer con síndrome de Down puede realizar la meiosis de modo normal (es decir que descartamos la posibilidad de una nueva no disyunción del cromosoma 21). Hacemos el esquema.

Como se puede ver, el 50% de las gametas serán normales y el 50% de las gametas restantes serán anormales, conteniendo no un cromosoma (en este caso el 21) sino 2 cromosomas 21. Estas gametas con 2 cromosomas 21, en la fecundación, al unirse a la otra gameta, generará una cigota con 3 cromosomas 21 (trisonomía) en lugar de 2 cromosomas 21. Sin embargo, el 50% de las gametas serán normales y no generarán trisonomía en la fecundación. Vamos a representar distintos tipos de células en distintas etapas del ciclo celular, suponiendo que se trata de un organismo cuyo número diploide es 2n=4 y cuyo número haploide es n=2. La cantidad de ADN normal en una célula diploide en G1 de dicho organismo es C.

Número de cromosomas Número de cromátidas

Célula epitelial G1

Neurona en G1 ó G0

Célula del riñón en G2

Ovario al final de M1

Espermatozoide

4

4

4

2

2

4

4

8

4

2

163 Cromátidas por cromoso Cantidad de ADN

1

1

2

2

1

C

C

2C

C

C/2

La reproducción sexual aumenta la variabilidad genética, uniendo alelos distintos provenientes de distintos individuos. En la meiosis (formación de las gametas o gametogénesis), el crossing-over y la segregación independiente. La creación de variabilidad depende de las mutaciones. Las mutaciones son el principal motor de la evolución. El resto (reproducción, gametogénesis, etcétera) solamente distribuye la variabilidad, la baraja. Lunes 22/09/2004 segundo parcial.