BIOLOGÍA SEMINARIO - USMP ( Semana 1-12) - 2018

USMP FMH SEMINARIO DE BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR 2018 SOLUCIONARIO UNIVERSIDAD SAN MARTÍN DE PORRES - FACULTAD DE MEDICINA M EDICINA

US MP FMH S eminari eminari o de B iolog ía Celular Celular y Molecular Molecular 2016 S olucionario

SEMANA 2 SEMINARIO I-1 ORIGEN Y EVOLUCION DE LAS CÉLULAS

1. ¿Cuáles fueron las probables condiciones de la tierra y su atmósfera hace aproximadamente 3,500 3,500 millones de años atrás? ¿Cómo relaciona este hecho con el experimento de Miller y Urey? Se ha aceptado desde hace mucho tiempo que la atmósfera de principios del Arcaico era anóxica y probablemente débilmente reductora, y dominado por especies oxidantes tales como el CO 2, N2, CO y H2O, con pequeñas cantidades de H 2, que se habría escapado rápidamente al espacio exterior. La reducción de los gases suministrados por la desgasificación volcánica, como CH 4 y NH3, habría sido destruida por radiación UV (fotodisociación), y pueden haber subsistido sólo a nivel local alrededor de los respiraderos hidrotermales.

La comprensión del origen de la vida fue en gran parte especulativa hasta que la década de 1920, cuando Oparin y Haldane, trabajando independientemente, propusieron un modelo teórico para la "evolución química". El modelo Oparin- Haldane sugirió que, bajo las condiciones fuertemente reductoras, como se teoriza que fue el estado de la atmósfera de la tierra primitiva (hace 4,0 y 3,5 mil millones años), las moléculas inorgánicas podrían formar espontáneamente moléculas orgánicas (azúcares simples y aminoácidos). aminoácidos). En 1953, Stanley Miller, junto con su asesor de postgrado Harold Urey, prueba esta hipótesis mediante la construcción de un aparato que simulaba la “tierra primitiva” de Oparin -Haldane. Cuando una mezcla de gases en base a las predicciones de la atmósfera primitiva fue f ue calentada y recibió una carga eléctrica, se formaron compuestos orgánicos. orgánicos. Por lo tanto, el experimento de Miller-Urey demostró cómo algunas moléculas biológicas, tales como aminoácidos simples, podrían haber surgido abióticamente, abióticamente, a través de procesos no biológicos, en las condiciones que se consideran similares a los de la tierra primitiva. Este experimento proporcionó la estructura para la investigación investigación posterior sobre el origen de la vida. A pesar de muchas revisiones y adiciones, el escenario de Oparin-Haldane sigue siendo parte del modelo en uso hoy en día. El experimento de Miller-Urey es simplemente una parte del programa experimental producido por este paradigma. (http://ncse.com/files/pub/creationism/icons/gishlick_icons1.pdf )

El experimento se hizo con el fin probar que la síntesis de compuestos orgánicos era espontánea, a partir de moléculas sencillas que se encontraban en la Tierra primigenia. 1


Partieron de la idea de Alexander Oparin y John Haldane, que dicha Tierra estaba compuesta principalmente de NH 3 (amoniaco), CH 4 (metano), H2 (dihidrógeno), siendo estos tres la composición de la atmósfera original; H 2O (agua), siendo esta la que simulaba los océanos. El experimento consistía en someter una mezcla de los compuestos nombrados anteriormente a descargas eléctricas de 60.000 voltios, dando como resultado, la formación de una serie de moléculas orgánicas, orgánicas, entre la que destacan ácido acético, ADP-Glucosa, y los aminoácido aminoácidos: s: glicina, alanina, ácido glutámico y ácido aspártico; usados por las células como los pilares básicos para sintetizar sus proteínas y que componen la cadena de ADN. http://teoriaevolucin.blogspot.pe/20 http://teoriaevoluci n.blogspot.pe/2015/08/experimento-de-stanley 15/08/experimento-de-stanley-miller-y-harold.h -miller-y-harold.html tml

A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions Stanley L. Miller SCIENCE, Vol. 117 May. 15, 1953

2


2. La controversia entre los partidarios partidarios de las teorías heterotróficas heterotróficas y teorías autotróficas autotróficas sobre el origen de los primeros organismos vivos continúa vigente. ¿Usted por qué teoría se inclina?, explique sus razones. TEORÍA HETEROTRÓFICA La química prebiótica es la prolongación en nuestro planeta de la química cósmica. La posibilidad de producir fácilmente en condiciones prebióticas aminoácidos simples, purinas, azúcares, ácidos grasos, y otras moléculas orgánicas pequeñas esenciales para la vida moderna es demasiado sorprendente para ser fortuita. Origen de la vida lento (acumulación gradual) y frío (esencial para la estabilidad a largo plazo de la materia orgánica). El experimento de Miller y Urey se enmarca dentro de esta teoría: En el experimento se empleó agua empleó agua (H (H2O), metano (CH (CH4), amoniaco ), amoniaco (NH (NH3) e hidrógeno e hidrógeno (H2). Estas sustancias químicas fueron selladas dentro de un conjunto estéril de tubos y recipientes de cristal conectados entre sí en circuito cerrado. Uno de los recipientes estaba medio m edio lleno de agua líquida y otro contenía un par de electrodos. Se calentó el agua líquida para que se evaporase, y los electrodos emitían descargas eléctricas a otros recipientes, que atravesaban el vapor de agua y los gases de matraz, y que simulaban los rayos que se producirían en una atmósfera de Tierra primitiva. Después, la atmósfera del experimento se enfrió de modo que el vapor de agua condensa de nuevo y las gotas g otas volviesen al primer recipiente, que se volvía a calentar en un ciclo continuo, creando de esta manera, diferentes compuestos orgánicos. Oparin sabía que la Tierra carecía de oxígeno antes de la vida. La evidencia está en que cuando se extraen rocas con hierro, este no está en forma de óxido sino en su forma metálica.

TEORÍA AUTOTRÓFICA En lugar de vincular la química cósmica con la bioquímica, los defensores de un origen de la vida autotrófico tratan de vincular la bioquímica con la geoquímica. Wachterhauser sugirió específicamente que un metabolismo primitivo evolucionó en la superficie de los minerales de pirita desde la reducción de dióxido de carbono usando sulfuro de hidrógeno H2S sobre sulfuro ferroso (FeS) como el agente reductor. Las moléculas orgánicas cargadas negativamente sintetizados por esta reacción habrían sido estabilizadas mediante la unión a la superficie de pirita cargada positivamente, formando de esta manera una red de dos dimensiones. El número y la diversidad de estas moléculas habrían crecido autocatalíticamente in situ por la fijación de carbono, que conduce a la auto-organización de las reacciones químicas cíclicas, produciendo más y más productos elaborados. Russell y Hall (1997) sugirieron que la fijación de carbono primero se produjo dentro de las redes minerales tridimensionales formadas por la precipitación de monosulfuro de hierro de la mezcla de fluido hidrotermal rico en sulfuro y el agua que contiene hierro de un océano acidificado, el sistema sería impulsado energéticamente por una gradiente de pH geoquímica de origen natural. A diferencia de los partidarios del origen heterotrófico, por lo general a favor de un origen caliente de la vida, la l a reacción inicial está impulsada por una fuente de energía geotérmica. La estabilidad de las moléculas orgánicas ya no es un problema, ya que estos habrían sido de corta duración. Por el contrario, la alta temperatura se supone que ha aumentado la velocidad de las reacciones en la superficie de los minerales o dentro de estructuras minerales.

Tanto las teorías heterotróficas y teorías autotróficas se enfrentan con el problema de finalizar con un protometabolismo que pueda proporcionar la energía y monómeros para establecer el mundo del ARN. (The origin of modern terrestrial life. HFSP Journal Vol. 1, September 2007)

3

US MP FMH S eminario eminario de B iolog ía Celular Celular y Mole Molecular cular 2016 S olucionario

3. ¿Qué puede señalar señalar del origen y evolución temprana temprana de la vida, hasta el surgimiento del del Último Ancestro Común Universal? Resuma. El origen de la vida implica la formación de las biomoléculas a partir de moléculas inorgánicas y bajo las condiciones de la tierra primitiva. De acuerdo al enfoque heterotrófico (“caldo primordial”), en un ambiente fuertemente reductor. Los primeros "sistemas vivos" habrían surgido luego de la complejización gradual del caldo prebiótico. De acuerdo al enfoque autotrófico en la superficie de minerales de pirita desde la reducción de dióxido de carbono usando sulfuro de hidrógeno H 2 S sobre sulfuro ferroso (FeS) como el agente reductor. Las moléculas orgánicas cargadas negativamente sintetizados por esta reacción habrían sido estabilizadas mediante la unión a superficies de pirita cargadas positivamente, positivamente, formando de esta manera una red de dos dimensiones. dimensiones. El número y la diversidad de estas moléculas habrían crecido autocatalíticamente in situ por la fijación de carbono, que conduce a la auto-organización de las reacciones químicas cíclicas, produciendo produciendo más y más productos productos elaborados. elaborados.

La forma de transferir la energía adquirida ya sea desde el exterior (teoría heterotrófica) o de las reacciones en los fluidos en un entorno hidrotermal (teoría autotrófica) para la posterior elaboración del sistema dentro de protocélulas. Tanto las teorías heterotróficas y teorías autotróficas se enfrentan con el problema de finalizar con un protometabolismo que pueda proporcionar la energía y monómeros para establecer el mundo ARN. La teoría heterotrófica considera las primeras moléculas orgánicas se producen por reacciones totalmente independientes del metabolismo moderno y que el metabolismo del mundo de ARN habría sido completamente borrado por el surgimiento de un nuevo metabolismo basado en proteínas-enzimas. La teoría autotrófica suelen directamente vincular el protometabolismo a las proteínas modernas (hipertermófilas) (hipertermófilas) a través de la coevolución de ARN y péptidos.

Las ribozimas por sí mismas sustituyen la función de los catalizadores más antiguos el metabolismo de células ARN podría haber sido construida sobre la más antiguo protometabolismo, especialmente si el mundo ARN se originó por sí mismo en el marco de la evolución dar winiana entre las protocélulas proto células en competencia. La formación de las “ protocélulas" fue probablemente esencial para la evolución de replicadores ARN y el establecimiento establecimiento de cualquier cualquier protometabolis protometabolismo mo impulsado por por energía sostenida sostenida por: 1. El mantenimiento de un conjunto de replicadores ARN y sus correspondientes correspondie ntes ARNs genómicos (es decir, sólo catalizadores encerrados por membranas pueden beneficiarse de su propia reacción). 2. Exclusión de potenciales potenciales competidores competidores ARN ARN parásitos parásitos externos, 3. La prevención de la dilución de las moléculas y macromoléculas. macromolécu las. Formación de vesículas lipídicas a partir de ácidos grasos o, mejor aún ésteres éster es de glicerol de ácidos grasos, con capacidad de someterse a varios ciclos de crecimiento y división. Los catalizadores minerales son atrapados en el interior de vesículas durante este proceso, lo que sugiere que las interacciones entre ácidos grasos y minerales de la Tierra primitiva pueden haber producido el encierro de diversas matrices de partículas minerales con propiedades catalíticas. Las vesículas que encapsulan ARN crecen preferentemente por captura de lípidos a expensas de vesículas vacías. Esto se explica por el aumento de la presión osmótica en el interior de vesículas que contienen ARN debido a que los contra iones seleccionan las cargas negativas de ARN. Esta presión osmótica es contrarrestada por la tensión de la membrana, conduciendo a la captación de ácidos grasos. Este mecanismo podría haber favorecido que las vesículas que contienen moléculas cargadas, tales como el fosfato f osfato de ribosa y/o polifosfato, polifosfato, sobre los que contienen moléculas neutras. 4


La encapsulación de replicadores ARN habría inducido una forma primitiva de competencia entre las primeras células ARN, ya que los que contienen replicadores más eficientes habrían crecido más rápido. En estos escenarios, la selección natural entre las protocélulas en competencia en la ausencia de sistemas genéticos podría haber sido impulsado originalmente por las características físico-químicas de los primeros sistemas Por último, el crecimiento de vesículas de membrana genera un gradiente de pH transmembrana, lo que sugiere que algunas de las características universales de los seres vivos podrían tener su origen en las características físico-químicas fundamentales. El ATP (adenosintrifosfato) (adenosintrifosfato) y otros NTPs (nucleótid ( nucleótidos os trifosfatos), incluyendo muchas bases modificadas que no se incluyeron posteriormente en el ARN, probablemente se originaron por primera vez como transportadores de energía en el protometabolismo protometabolismo y como coenzimas coenzimas catalizadores de péptidos antes del origen del RNA por sí mismo.

Se discute actualmente como las ribozimas pudieron iniciar la reacción autocatalítica y evitarse la degradación de los productos, por la gran inestabilidad del ARN. Durante la evolución una polimerasa eficiente no sólo fue capaz de replicarse a sí mismo, sino también logro replicar plantillas de catalizadores que producen ya sea ribozimas (o péptidos) útiles para el metabolismo de la célula ARN. Se generaron varios tipos diferentes de síntesis de péptidos catalizados por ribozima, pero sólo uno sobrevivió, llevando al aparato de traducción moderna con ARNt y ribosomas Se supone que el código genético primitivo era más simple (por ejemplo, con un codón de dos nucleótidos y menos aminoácidos) y se expandió en el curso de la evolución. Se supone que los mecanismos de transferencia de genes estaban en funcionamiento muy tempranamente, lo que permitió el intercambio genético entre células de ARN-proteína. Este período terminó con el establecimiento de los modernos superfamilias de proteínas por las diferentes combinaciones combinaciones de plegamiento proteico. El ADN se originó probablemente mucho más tarde que el ARN, es decir, en el mundo ribonucleoproteína (también llamado " la segunda edad del mundo ARN”) Se supone generalmente que el ADN reemplazó al ARN, ya que es más estable y se puede replicar más fielmente Se ha propuesto que el ADN primero se originó en los virus como una forma modificada de ARN para proteger proteger el material genético viral contra contra los mecanismos mecanismos de defensa defensa de la célula célula infectada. Los genomas celulares de ARN serían entonces transformados más tarde en genomas de ADN siguiendo el reclutamiento reclutamiento por las células de ARN de las enzimas virales para producir producir y replicar el ADN, o por la toma de control de las células de ARN por virus de ADN que vivían en un estado de portador El principio básico de la división celular y la herencia de membrana implica que todas las células modernas se derivan de una sola célula. Se establece claramente que LUCA ( Último ancestro común universal, Last Universal Common Ancestor, LUCA) no debe confundirse con la primera célula, pero era el producto de un largo período de evolución. Siendo el último medio de que LUCA fue precedida por una larga sucesión de antiguos "antepasados". "antepasados". No hay un consenso sobre la naturaleza de LUCA. Para algunos autores LUCA era un organismo muy simple, incluso, posiblemente, acelular, mientras que otros consideran que LUCA fue una bacteria de tipo moderna o incluso un eucariota primitiva con un núcleo. La identificación de un conjunto de genes presentes en Archaea, Bacteria y Eukarya ha dado lugar a la definición de un contenido mínimo de genes de LUCA. El conjunto mínimo de proteínas incluye un núcleo de proteínas ribosomales, aminoacil ARNt sintetasas y factores de traducción (tanto para la iniciación y la elongación), de tal manera que el aparato de traducción ya estaba bien establecido en LUCA.

5


4. Averigüe el significado de los siguientes términos y explique sus características principales: Reino monera. Incluye a las procariotas: procariotas: Eubacterias y Archeabacterais. Archeabacterais. En la clasificación de los Dominios, aparecen dos grupos de Procariotas: Dominio Archaea, que engloba a los organismos más antiguos del Planeta. Dominio Bacteria, en el que se encuentran la gran mayoría de los organismos bacterianos actuales, también conocidos con el nombre de Eubacterias. Son organismos unicelulares y se encuentran en todos los ecosistemas. Carecen de núcleo y tampoco presentan organelas en el citoplasma. Reproducción asexual: fisión binaria. Presentan mecanismos de transferencia de genes. Presentan metabolismos muy variados que les permiten ocupar, prácticamente, todos los hábitats terrestres y, aunque algunas producen graves enfermedades, su papel ecológico como descomponedores es fundamental: al degradar los cadáveres y restos orgánicos de otros seres vivos, liberan compuestos inorgánicos utilizables por los organismos autótrofos. Este reciclado de nutrientes es básico para que la vida siga existiendo. Probablemente Probablemente son los primeros organismos organismos que surgieron en la tierra. Existen rastros fósiles de hace 3.800 millones de años.

Reino Protista. Los protistas son organismos eucariotas que no pueden ser clasificadas como una planta, animal, o un hongo. En su mayoría son unicelulares, pero algunos, como las algas, son pluricelulares. Las algas, o "algas marinas", son protistas pluricelulares que proporciona alimentos, hábitat, y el oxígeno para numerosos ecosistemas submarinos. Los protistas mayormente unicelulares y por lo general se desplazan mediante cilios, flagelos, o por mecanismos ameboides. Usualmente no tienen pared celular, aunque algunas formas pueden tenerla. Tienen orgánulos incluyendo un núcleo y pueden tener cloroplastos, por lo que algunos serán verdes y otros no lo serán. Son pequeños, aunque muchos son lo suficientemente grandes como para ser reconocido en un microscopio de disección o incluso con una lupa. Los nutrientes son adquiridos mediante la fotosíntesis, la ingestión de otros organismos, o ambos. A pesar pesar de que se asemejan a una planta las algas, algas, no se clasifica en el el Reino Reino Plantae Plantae porque carece de la complejidad celular de las células vegetales. Los protistas poseen células eucariotas y no disponen de órganos o de tejidos diferenciados.

Reino Fungi. Los hongos son pluricelulares, con una pared celular, orgánulos, e incluyen un núcleo, pero no tienen cloroplastos. 6


No tienen mecanismos de locomoción. Los hongos varían en tamaño desde tamaños microscópicos hasta muy grandes y visibles sin microscopio. Los nutrientes son adquiridos por absorción. En su mayor parte, los hongos adquieren nutrientes a partir de material en descomposición.

Reino Plantae. Son pluricelulares y la mayoría no se mueven, aunque los gametos de algunas plantas se desplazan desplazan mediante cilios o flagelos. Tienen organelas incluyendo núcleo y cloroplastos. Las paredes celulares están presentes. Los nutrientes son adquiridos por la fotosíntesis (todos ellos requieren luz solar).

Reino Animal. Los animales son pluricelulares, pluricelular es, y se mueven con la ayuda de los cilios, flagelos, o los órganos musculares a base de proteínas contráctiles. Tienen orgánulos, incluyendo un núcleo, pero no tienen cloroplastos ni paredes celulares. Adquieren nutrientes nutrientes por ingestión. Reproducción Reproducción sexual

CLASIFICACIÓN DE LOS DOMINIOS CELULARES:

7


Bacteria, Archea y Eukarya

Virus. Partícula consistente en ácido nucleico (ARN o ADN) encerrado en una cubierta proteica, capaz de replicarse dentro de una célula huésped y propagarse de célula a célula. Prión. Los priones son partículas infecciosas proteicas, que se forma cuando las proteínas normales se plieguen incorrectamente y aglutinan. El término prión (de las primeras letras de partícula infecciosa proteica) fue propuesta (Prusiner 1982) para distinguir el patógeno infeccioso de virus o viroides. Los priones se definieron como "pequeñas partículas infecciosas proteináceas que se resisten a la inactivación por procedimientos que modifican los ácidos nucleicos". Los priones ('partículas infecciosas proteináceas') son los agentes infecciosos no convencionales que consisten en una molécula proteíca priónica mal plegada (PrP); en su estado mal plegado, las moléculas se agregan entre sí e imponen su estructura anómala en las moléculas de PrP benignos. Los priones actúan como plantillas de corrupción (semillas) que incitan una reacción en cadena de mal plegamiento y la agregación de PrP. Los priones crecen, se fragmentan y propagan, perturbando la función del sistema nervioso y en última instancia causan la muerte del individuo afectado. La proteína prión anormal (PrPsc) tiene una abundancia de hojas beta.

5. Microbiota humana: En que consiste. Investigue sobre la microbiota de la leche l eche humana. Microbiota: El colectivo de microorganismos que residen en o sobre un organismo. Microbioma: Los genomas combinados de las distintas especies de una microbiota definida. La leche materna es un fluido biológico complejo que proporciona todos los requisitos nutricionales para los primeros meses de vida, pero, además, educa al sistema inmune del lactante y confiere protección contra los patógenos. Estos efectos son el resultado de la acción sinérgica de muchas moléculas bioactivas, tales como citocinas, componentes celulares, oligosacáridos o lípidos. Aunque es bien conocido que la leche materna es rica en oligosacáridos, sólo recientemente se ha aceptado que la leche humana también constituye una fuente de 8


bacterias comensales y probióticas que parece tener un papel importante en la colonización del intestino y la modulación del intestino infantil. En los últimos años, los análisis de la diversidad bacteriana de la leche humana han revelado que este fluido biológico es una fuente importante de estafilococos, estreptococos, bifidobacterias bifidobacterias

9

UNA "MINI-CLAVE" PARA LOS CINCO REINOS Supongamos que usted ve algo en el agua dulce que US sin MP duda parece estarriviviendo. ¿Cómo se puede comenzar a determinar lo FMH S eminari emina o de B iolog ía Celular Celula r y Molecular Mole cular 2016 S olucionario que es? Aquí hay una clave (no del todo perfecta) que usted puede utilizar para ayudar a determinar el reino al que pertenece. 1.

2.

3.

¿Es verde o tiene partes verdes? Sí - ir a 2

tipo de hongo, No - ir a 3 no se olvide). Podría ser una planta o un protista, o una una bacteria azul-verde. azul-verde. Asegúrese Asegúrese de que el verde es realmente realmente parte del organismo, organismo, Por lo sin embargo. Un animal podría haber comido algo verde, por ejemplo. general, ¿Unicelular? ir a 6 unido a ¿Multicelular? Plantae. Busque paredes celulares, estructura interna. En el microscopio compuesto podría ser capaz de alguna pieza de ver los cloroplastos. materia Podría ser un un monera (bacterias), protistas, hongos, o animal. en Unicelular - ir a 4 Multicelulares (Busque estructura compleja o ramificación, ramificación, apéndices) – ir a 5

4.

¿Podría ser un monera o un protista?. protista?. ¿Puedes ¿Puedes ver algún detalle detalle dentro de la célula? Sí - Protista. Usted debe ser capaz de ver al menos un núcleo y/o vacuola contráctil, y una forma definida. El movimiento debe estar presente, con cilios, flagelos, o el movimiento ameboide. Los cilios o f lagelos pueden ser difíciles de ver. No - Monera. En caso de ser bastante pequeño. Puede ser en forma de guiones cortos (varillas), pequeños puntos (cocos), o curvado o espiral en forma. El más grande de ellos que se encuentra comúnmente en el agua dulce se llama Spirillum volutans. Es en forma de espiral, y puede ser casi un milímetro de largo. Excepto por Spirillum, es muy difícil ver móneras excepto en un microscopio compuesto con una iluminación especial.

5.

Animalia u hongos. ¿Se está moviendo? Sí - Animalia. El movimiento puede ser mediante cilios, flagelos, o complejo, que implica que las partes se contraen. La estructura debe ser compleja. La actividad de alimentación puede ser obvia. No - Hongo. En caso de ser ramificado, filamentos filamentos incoloros. Puede tener algún tipo de cuerpo fructífero (las setas es un

descomposición - pueden formar un

y bacterias de ácido láctico vivos para el intestino del bebé. A diferencia de otras bacterias, éstas parecen ser adaptados de forma única para residir en el tracto digestivo humano e interactuar con nosotros en simbiosis desde el momento en que nacemos. Tradicionalmente se ha considerado que las bacterias presentes en la leche materna fueron adquiridas por mera contaminación de la piel Sin embargo, se ha encontrado que los lactobacilos y enterococos aislados presentes en la leche humana son genotípicamente diferente de los aislados en la piel dentro del mismo huésped. Además, varios estudios sugieren la existencia de una microbiota mamaria durante la última etapa del embarazo y la lactancia. Bacterias en vivo desde el intestino materno podrían colonizar la glándula mamaria a través de una ruta endógena (la llamada vía entero-mamaria), con células dendríticas y macrófagos maternos.

10


(Adv Nutr 2014;5:779 –784.)

11

US MP FMH S eminario de B iologí a Celular Celular y Molecular Molecular 2016 S olucionario

SEMANA 3 SEMINARIO I-2 COMPOSICIÓN Y ORGANIZACIÓN MOLECULAR DE LA MEMBRANA CELULAR.

1. Las propiedades de una bicapa lipídica se determinan por las estructuras de sus moléculas de lípidos. Predecir las propiedades de las bicapas lipídicas que resultarían si lo siguiente fuera cierto: Las moléculas de lípidos constituyen aproximadamente el 50 % de la masa de la mayoría de las membranas de células animales, casi la totalidad restante son proteínas. Existen aproximadamente 5 × 10 6 moléculas de lípidos en una zona 1µm x 1 µm de bicapa lipídica, o aproximadamente 10 9 moléculas de lípidos en la membrana plasmática de una pequeña célula animal. (Molecular biology of the cell / Bruce Alberts, et. al. Sixth edition. 2015)

Las células se separan del mundo exterior mediante una estructura delgada y frágil denominada membrana plasmática que tiene un ancho de sólo 5 a 10 m. (Cell and Molecular Biology. Concepts and Experiments / Gerald Karp, 7th Edition, 2013)

A. Los fosfolípidos sólo tienen una cadena de de hidrocarburo en lugar de dos. Con una sola cola removida, el diámetro de la cabeza polar sería mucho mayor que el de la cadena de hidrocarburos restante; por lo tanto, la forma de la molécula se asemejaría a un cono más que un cilindro y tendería a formar micelas en lugar de bicapas.

B. Las cadenas de hidrocarburos hidrocarburos son más cortas cortas que lo normal, normal, digamos de unos 10 átomos de carbono de longitud. Las cadenas de acilo graso son hidrocarburos hidrofóbicos no ramificados aproximadamente 16 a 22 carbonos de longitud. (Cell and Molecular Biology. Concepts and Experiments / Gerald Karp, 7th Edition, 2013) Las bicapas formadas por lípidos con colas hidrocarbonadas cortas serían mucho más fluidas. Las bicapas también serían menos estables, ya que las colas más cortas serían menos hidrofóbicas y, por lo tanto, las fuerzas que impulsan la formación de la bicapa se reducirían.

C. Todas las cadenas de hidrocarburos son saturadas. Las bicapas formadas por lípidos con colas hidrocarbonadas saturadas serían mucho menos fluidas. Considerando que una bicapa lipídica normal tiene la

12


viscosidad del aceite de oliva, una bicapa de lípidos hecho con colas de hidrocarburos saturados tendría la consistencia de la grasa de tocino.

D. Todas las cadenas de hidrocarburos son insaturados. insaturados. Las bicapas formadas por lípidos con colas de hidrocarburos insaturados serían mucho más fluidas. Además, debido a que los lípidos estarían empaquetados erí a más más menos compactamente, habría más espacios entre ellos y la bicapa s ería permeable a pequeñas moléculas solubles en agua.

E. La bicapa contiene una mezcla de dos tipos de moléculas lipídicas, lipídicas, uno con dos colas de hidrocarburos saturados y el otro con dos colas de hidrocarburos insaturados. Si los lípidos con dos colas hidrocarbonadas saturadas fueron completamente entre-mezclados con lípidos que llevan dos colas de hidrocarburos insaturados, la fluidez de la membrana sería aproximadamente normal. En tales bicapas, las moléculas de lípidos saturados tienden a agregarse entre sí, ya que pueden empaquetarse con mucho más fuerza y por lo tanto formar parches con la fluidez muy reducida. La bicapa por lo tanto, no tendría propiedades uniformes sobre su superficie.

La mayoría de los fosfolípidos de las membranas normales tienen una cadena saturada y otra cadena hidrocarbonada insaturada para que no tiendan a separarse; Sin embargo, los esfingolípidos a menudo tienen cadenas largas de hidrocarburos saturados y tienden a formar microdominios, denominados balsas lipídicas (lipid rafts). Las balsas lipídicas son ricas en esfingocina y colesterol. "Las balsas lipídicas son dominios pequeños (10 a 200 m), heterogéneos, de gran dinamismo, enriquecidos de esterol y esfingolípidos que compartimentalizan los procesos

13


celulares. Las balsas pequeñas a veces pueden ser estabilizadas para formar plataformas más grandes grandes a través de interacciones interacciones proteína-proteína y de las interacciones lípido-proteína " (J Lipid Res. 2009 Apr; 50(Suppl): S323 –S328.)

Cada molécula lipídica se une covalentemente a través del átomo de carbono final de una de sus cadenas de hidrocarburos a una molécula de lípido en la monocapa opuesta. Si las colas hidrocarbonadas de los lípidos en las dos monocapas están covalentemente ligados, la bicapa tendría propiedades prácticamente invariables. Cada molécula lipídica podría ahora abarcar toda la membrana, con cada uno de sus dos grupos de cabeza expuestos en cada superficie. Tales moléculas de lípidos se encuentran realmente en las membranas de bacterias termófilas, que pueden vivir a temperaturas próximas a la de la ebullición del agua. Las bicapas no se separan a temperaturas elevadas, como las bicapas usuales; porque, las dos monocapas están unidas covalentemente en una sola membrana.

2. ¿Debido a que característica una porina (una proteína presente en bacterias y en la membrana externa mitocondrial) puede atravesar la membrana celular? Señale además la diferencia con una proteína que atraviesa la membrana con un hélice alfa. 14


Aunque la la hélicehélice -α es de lejos la forma más común en el que una cadena polipeptídica polipeptídica atraviesa atraviesa una bicapa lipídica, las cadenas polipeptídicas de algunas proteínas transmembrana atr aviesan la bicapa lipídica como una hoja β que se enrolla en un cilindro, formando una estructura semejante a un barril denominado barril β.

Las porinas tienen 8 a 22 hojashojas- β β antiparalelas que forman la estructura en barril beta. L as cadenas laterales de aminoácidos se orientan hacia el interior del barril, y por lo tanto revisten el canal acuoso siendo en su mayoría hidrofílicos, mientras que en la parte externa del barril, se orientan hacia el núcleo hidrofóbico de la bicapa lipídica, regiones exclusivamente hidrofóbicas. El ejemplo más notable de una estructura de β -barril (varias hoja-beta anti-paralelas formando un cilindro) se encuentra en las proteínas porinas, que forman poros grandes, llenos de agua en las membranas externas de las bacterias, mitocondrias y cloroplastos.

15


En una proteína transmembrana con una estructura alfa-hélice, debido a que el agua está ausente en el interior de la bicapa, los átomos que forman la columna vertebral son impulsados para formar enlaces de hidrógeno uno con otro en el interior de la hélice. Los enlaces de hidrógeno se maximizan si la forma de la cadena del polipéptido es el de una hélice alfa regular, y así la gran mayoría de los segmentos que atraviesan la membrana son cadenas polipeptídicas polipeptídicas organizadas organizadas como hélices-alfa. hélices-alfa. En estas hélices-alfa transmembrana, las cadenas laterales hidrofóbicas están orientadas hacia la parte externa de la hélice, donde entran en contacto con las colas de los lípidos hidrofóbicos, mientras que los átomos en el interior de la hélice forman

16


puentes de hidrógeno hidrógeno constituyendo constituyendo el esqueleto esqueleto polipeptídico polipeptídico y es una región hidrofílica.

3. Ordene las moléculas en la siguiente lista en función de su capacidad para difundir a través de una bicapa lipídica, empezando por la que atraviesa la bicapa con mayor facilidad. Explique su orden. a) Ca2++ b) CO2 c) Etanol d) Glucosa e) ARN f) H2O El orden es: CO 2 (pequeña (pequeña y no polar) > etanol (pequeña y ligeramente polar) > 2+ H 2 (pequeña y cargada) > 2O (pequeña y polar) > glucosa (grande y polar) > Ca ARN (muy grande y muy cargada). cargada). Esta lista muestra claramente las dos propiedades propiedades básicas que rigen la capacidad de las moléculas para difundir difundir a través de una bicapa lipídica: el tamaño (pequeño > grande) y la polaridad (no polar > polar polar > cargado). cargado).

17


Cuatro mecanismos básicos por los que las moléculas del soluto se mueven a través de membranas. Los tamaños relativos de las letras indican las direcciones de los gradientes de concentración. (A) La difusión simple a través de la bicapa, que procede siempre de mayor a menor concentración. (B) La difusión simple a través de un canal acuoso formado dentro de una proteína de membrana o un grupo de tales proteínas. Al igual que en una, el movimiento es siempre hacia abajo un gradiente de concentración. (C) La difusión facilitada en el que las moléculas del soluto se unen específicamente a una proteína transportadora de membrana (un transporte facilitado). Al igual que en A y B, el movimiento es siempre de mayor a menor concentración. (D) El transporte activo por medio de una proteína transportadora con un sitio de unión específico que se somete a un cambio en la afinidad impulsado con energía liberada por un proceso exergónico, tal como la hidrólisis de ATP. El movimiento se desarrolla en contra de un gradiente de concentración. (Cell and Molecular Biology. Concepts and Experiments / Gerald Karp, 7th Edition, 2013)

18


4. Describa las propiedades de las tres clases de proteínas de membrana (integral, periférica y anclada a lípidos), cómo se diferencian unos de otros, y la forma en que varían entre sí. P roteínas roteínas integr ales les : Penetran en la bicapa lipídica. Son proteínas transmembrana; es decir, pasan completamente a través de la bicapa lipídica y por lo tanto tienen dominios que sobresalen de ambos lados extracelulares y citoplasmáticos de la membrana. Algunas proteínas integrales integrales tienen sólo un segmento que atraviesa la membrana, membrana, mientras que otros son multipaso. Los estudios de secuenciación del genoma sugieren

que las proteínas integrales constituyen el 20-30 por ciento de todas las proteínas codificadas.

P roteínas roteínas periféric as : se asocian con la membrana por enlaces electrostáticos débiles. Las proteínas periféricas por lo general se pueden solubilizar por extracción con soluciones de sal de alta concentración que debilitan los enlaces electrostáticos que sostienen a las proteínas periféricas en una membrana. La distinción entre las proteínas integrales y periféricas es borrosa debido a que muchas proteínas integrales de membrana se componen de varios polipéptidos, algunas que penetran en la bicapa lipídica y otros que permanecen en la periferia.

pr oteínas de membrana anclados a lípi lí pidos dos pueden diferenciarse. Varios tipos de proteínas Numerosas proteínas presentes en la cara externa de la membrana plasmática están unidas a la membrana por un pequeño oligosacárido complejo unido a una molécula de fosfatidilinositol que está incrustado en la cara externa de la bicapa lipídica. Las proteínas de membrana periféricas que contienen contienen este tipo de enlace-glicosil enlace-glicosil fosfatidilinositol se denominan proteínas ancladas a GPI. Fueron descubiertas cuando se demostró que ciertas proteínas de membrana podrían ser liberadas por una fosfolipasa que específicamente reconoce y escinde los fosfolípidos que contienen inositol.

19


20


SEMANA 4 SEMINARIO I-3 CITOPLASMA, CITOESQUELETO, MATRIZ EXTRACELULAR

1. En una célula animal típica, ¿Cuál de los siguientes compartimentos es el más grande? ¿Qué compartimento está presente en mayor número? Fundamente su respuesta. a. Citosol. b. Retículo endoplásmico. c. Endosoma. d. Aparato de Golgi. e. Lisosoma. f. Mitocondria. g. Núcleo. h. Peroxisoma. máss g rande en la la célula célula es el citos ol (A), que corresponde a El compartimiento má más del 50% del volumen celular. Es el lugar donde tiene lugar la síntesis de proteínas y su degradación. degradación. Además es donde se desarrollan desarrollan la mayoría de las reacciones del metabolismo intermediario celular, es decir, el elevado número de reacciones mediante las cuales algunas moléculas pequeñas son degradadas y otras; son sintetizadas proporcionando los elementos para la síntesis de macromoléculas. Aproximadamente la mitad del área total de membrana de una célula eucariota engloba los espacios laberínticos del retículo endoplasmático. L os compa c ompartimiento rtimiento má máss pequeños en la célula s on : lis os oma endos endosoma oma pres es entes en ma mayor yor número , usualmente miles por Las mitocondrias (F) están pr cada célula. E l volumen volumen relativo relativo y número nú mero de org anelas anelas mayores cubi ertas ertas por membrana membrana en un hepatocito. C ompartimiento ompartimiento i ntracelular ntracelular Citosol Mitocondrias Retículo endoplásmico Vesículas del Retículo Endoplásmico Rugoso Vesículas del Retículo Endoplásmico Liso y Cisternas del Golgi Núcleo Aparato de Golgi Peroxisomas Lisosomas Endosomas

% del volumen celular total total

Número aproximado por célula c élula

54 22 12 09

1 1700 1

6 6 3 1 1 1

1 1 400 300 200

Molecular biology of the cell / Bruce Bruce Alberts [et al.].-- 5th ed. Essential cell biology / Bruce Alberts [and seven others]. -- Fourth edition.

21


2. ¿En cuál de los siguientes tipos de células Usted espera una alta densidad de filamentos intermedios citoplasmáticos? Explique su respuesta. a. Amoeba proteus (una ameba de vida libre). b. Célula epitelial epitelial de la la piel humana. c. Célula muscular lisa en el tracto digestivo de un vertebrado. d. Célula nerviosa en en la médula espinal de un ratón. e. Espermatozoide humano. f. Célula vegetal. Las células que migran rápidamente de un lugar a otro, como las amebas (A) y células espermáticas (E), no necesitan filamentos intermedios en su citoplasma, ya que no desarrollan o mantienen grandes fuerzas de tracción. Las células vegetales (F) son empujadas y tiradas por las fuerzas del viento y el agua, pero se resisten a estas fuerzas a través de sus paredes celulares rígidas hechas a base de celulosa, más que por su citoesqueleto. célula as de mús mús culo lis lis o (C), y los largos axones de Las células epiteliales (B), célul lass célul la célula as nervios as (D) son ricos en filam fi lamentos entos intermedios inter medios citopla ci toplass mátic mátic os , que les impiden la rotura a medida que se estiran y comprimen por los movimientos de los tejidos circundantes.

22


Organización de los filamentos intermedios dentro de la célula epitelial (Cell and Molecular Biology. Concepts and Experiments. 7 th Edition. Gerald Karp 2013)

3. ¿Cuál de los siguientes cambios tiene lugar cuando el músculo esquelético se relajan? a. La línea M desaparece. b. b. Discos Z se mueven y se alejan más. c. c. Los filamentos de actina se contraen. d. d. Los filamentos de miosina se contraen. e. e. Los sarcómeros se acortan. REVISAR LA ESTRUCTURA DE LA FIBRA MUSCULAR

23


Los s arcó arcómeros meros s e acortan . Con la contracción muscular, los discos Z se movilizan acercándose unos con otros. Ninguno de los filamentos de actina ni filamentos de miosina se contraen: estos filamentos se deslizan una sobre otra.

(Cell and Molecular Biology. Concepts and Experiments. 7 th Edition. Gerald Karp 2013)

24


CONTRACCION MUSCULAR:

Los filamentos delgados delgados son regulados por la unión de cationes calcio a la troponina C, y envuelve –vía el complejo de troponinas- el movimiento de la tropomiosina hacia el surco del filamento delgado, removiendo el bloqueo estérico que obstaculiza el enlazamiento de las cabezas de miosina a las moléculas de actina. o Los filamentos delgados exhiben dos estados estructurales: estructural es: Estado desactivado, en el cual la tropomiosina bloquea el sitio de enlazamiento de la miosina a las moléculas de actina. Estado activado en el cual la tropomiosina se mueve fuera del surco descubriendo el sitio de enlazamiento de miosina. o Al inicio del ciclo, la cabeza de la miosina, miosina, que carece de un nucleótido unido, se encuentra estrechamente unida al filamento de actina (estado I). o La unión de ATP a la cabeza de la miosina, reduce la afinidad de la cabeza de la miosina por la actina (estado II). La hidrólisis parcial del ATP (durante la cual ADP y Pi permanecen unidos a la miosina), activa la cabeza de la miosina, la que experimenta un cambio conformacional conformaciona l y se desplaza respecto del filamento fino (estado III). o La miosina activada activada contacta a una molécula de actina y se une a ella produciéndose la liberación de Pi (estado IV). o Una vez unida a actina, la cabeza de la miosina experimenta un nuevo cambio conformacional que se traduce en un desplazamiento del filamento fino y en la liberación de ADP (estado V). o De esta manera, cada cabeza de miosina se desplaza hacia el extremo (+) del filamento fino adyacente. Mientras la concentración de Ca++ sea alta y exista ATP disponible, los ciclos de formación de puentes actina-miosina continúan continúan y el sarcómero continúa contrayéndose. o En ausencia de ATP, el complejo actina-miosina se estabiliza, fenómeno que explica el "rigor mortis" o





25


(Molecular biology of the cell / Bruce Alberts, et.al. Sixth edition. 2015)

4. Las cadenas de polisacáridos de glicosaminoglicanos se vinculan a las proteínas centrales específicas para formar los proteoglicanos de la lámina basal que se encuentran altamente cargados negativamente. ¿Cómo cree que estas ca denas de polisacáridos cargados negativamente ayudan a establecer un entorno similar a un gel, hidratado alrededor de la célula? ¿Cómo podrían las propiedades de estas moléculas diferir si las cadenas de polisacáridos se encontrarían sin carga?

26


La alta densidad de cargas negativas de los componentes de polisacáridos de proteoglicanos proteoglicanos provoca provoca que las cadenas cadenas de azúcares se encuentren muy extendidas, ocupando un amplio volumen y proporcionando un entorno hidratado similar a un gel alrededor de la célula. Las cargas negativas atraen los iones cargados positivamente, principalmente los iones de sodio, que a su vez atraen a las moléculas de agua por ósmosis. En ausencia de las cargas negativas, las cadenas de azúcar colapsarían en forma de fibras o gránulos, alterando marcadamente las propiedades de la lámina basal. La lámina basal consiste en una hoja delgada resistente de la matriz extracelular, compuesto principalmente principalmente de un tipo especializado de colágeno (colágeno de tipo IV) y una proteína llamada laminina. La laminina proporciona sitios adhesivos para las moléculas de integrina en las membranas plasmáticas basales de de las células células epiteliales, y tiene por lo tanto una función de vinculación semejante a la función de la fibronectina en otros tejidos conectivos

27


MODELO DE LA ESTRUCTURA MOLECULAR DE LA LAMINA BASAL (Molecular biology of the cell / Bruce Alberts, et.al. Sixth edition. 2015)

SEMANA 5 SEMINARIO I-4 MOTILIDAD NO MUSCULAR. HUSO ACROMÁTICO

1. ¿Cómo es posible que una misma vesícula sea transportada a lo largo de microtúbulos y microfilamentos? “Varias miosinas no convencionales (incluyendo la miosina I, V, y VI) se asocian con

varios tipos de vesículas citoplasmáticas y organelas. Algunas vesículas han mostrado contener motores a base de microtúbulos (kinesinas y/o dineína citoplásm ica) y motores a base de microfilamentos (miosinas no convencionales), los dos tipos de motores pueden ser vinculados físicamente entre sí. El movimiento de las vesículas membranosas y otros transportadores membranosos a lo largo de grandes distancias dentro de las células animales se produce en los microtúbulos. Sin embargo, una vez que se acercan al final de los microtúbulos, estas vesículas membranosas se considera que cambian a pistas de microfilamentos microfilamento s para el movimiento local a través de la periferia celular rica en actina” (Cell and Molecular Biology Concepts and Experiments Experiments Gerald Karp 6th edition, 2010). 2010).

28


“La cooperación entre los microtúbulos y microfilamentos ha sido mejor estudiado en las

células pigmentadas. En los mamíferos, los gránulos de pigmento (melanosomas) son transportados transportado s en finos procesos periféricos de pigmento celular por una de las isoformas Va. Los melanosomas son luego transferidos a los folículos de miosina: miosina: miosina Va. pilosos, donde se incorporan en un pelo en desarrollo. Los ratones que carecen de actividad miosina Va son incapaces de transferir los melanosomas en los folículos pilosos, causando que su pelaje tenga un color mucho más claro. Los seres humanos que carecen de un gen normal que codifica miosina Va sufren de una enfermedad rara denominada síndrome Griscelli; Griscelli; estos individuos presentan el albinismo parcial (falta de coloración de la piel) y sufren otros síntomas que se cree están relacionadas con defectos en el transporte de vesículas. En el año 2000 se descubrió que un subgrupo de pacientes portadores del síndrome de Griscelli tenía un gen normal miosina Va, pero carecía de un gen funcional que codifica una proteína de membrana periférica denominado RAB27A. La familia de las proteínas Rab son moléculas que regulan el tráfico de vesículas. Las proteínas Rabs también están involucrados en la fijación de motores basados en gen de miosina (y kinesina) para la superficie de membrana” (Cell and Molecular Biology Concepts and Experiments Experiments Gerald Karp 7th edition, 2013).

“En contraste con los motores de miosina II, que trabajan en conjunto y se unen sólo

transitoriamente a los filamentos de actina a fin de no interferirse unos con otros, la miosina V se V se mueve continuamente, a lo largo de los filamentos de actina y sin dejar de hacerlo. Las funciones de la Miosina V están bien estudiados en la levadura Saccharomyces cerevisiae, que se somete a un patrón estereotípico de crecimiento y división denominada gemación. Filamentos de actina en la célula madre en el punto hacia la gemación, donde actina se encuentra en parches que se concentran donde el crecimiento de la pared celular se lleva a cabo. Los motores Miosina V transportan una amplia gama de cargas - incluyendo mRNA, mRNA, retículo endoplásmico, endoplásmico, y vesículas secretorias secretorias - a lo largo de los filamentos de actina y en la gemación. Además, la miosina miosina V media en la partición correcta de orgánulos orgánulos como las mitocondria mitocondriass y los peroxisomas entre las células madre y la hija” (Molecular biology of the cell / Bruce Alberts, et.al. Sixth edition. 2015)

29


Miosina V lleva el cargo a lo largo de los filamentos de actina. (A) El V es largo, lo que le permite dar un paso más grande a brazo de palanca de la miosina V es lo largo de un filamento de actina de la miosina II (B) La miosina V transporta carga y orgánulos a lo largo de los filamentos de actina, en este ejemplo se mueve una mitocondria en el brote creciente de una célula de levadura. (Molecular biology of the cell / Bruce Alberts, et.al. Sixth edition. 2015)

Los roles c ontrastan ontrastante tess de moto motores res bas bas ados en micr otúbulo otúbuloss y basados basados en micr ofilamentos ofilamentos en el transporte trans porte intracelular. intracelular.

La mayor parte del transporte de vesículas se cree que está mediada por los miembros de las familias kinesina y dineína, que transportan su carga en distancias relativamente largas. Algunas vesículas vesículas también llevan motores de miosina, tales como la miosina Va, Va, que transportan su carga sobre los microfilamentos, incluyendo aquellos presentes en las regiones periféricas periféric as de la célula (cortex celular). celula r). Los dos tipos de motores pueden actuar de una manera cooperativa, como se ilustra aquí en el caso de una célula de pigmento de la rana en el que los gránulos de pigmento se mueven hacia atrás y adelante dentro de los procesos celulares extendidos. (AFTER X. WU ET AL., J. CELL BIOL. 143:1915, 1998; BY COPYRIGHT PERMISSION OF THE ROCKEFELLER UNIVERSITY PRESS.) (Cell and Molecular Biology Biology Concepts and Experiments Experiments Gerald Karp 7th edition, 2013).

RECORDAR QUE LOS MICROTÚBULOS Y LOS MICROFILAMENTOS TIENEN FAMILIAS DE PROTEÍNAS MOTOR:

Propiedades de los microtúbulos, Filamentos intermedios y Microfilamentos

30


Karp, Biología Celular y Molecular. 2010

2. Describa los pasos tomados por una célula de mamífero al arrastrarse sobre un sustrato.

Las secuencia repetitiva de las actividades que se produce cuando una célula se arrastra sobre el substrato Paso 1 Protrusión del borde anterior de la célula en forma de un lamelipodio. Paso 2 Adherencia de la superficie más baja del lamelipodio al sustrato, una unión que 31


está mediada por las integrinas que residen en la membrana plasmática. La célula utiliza esta unión para sujetar el sustrato. Paso 3 Movimiento 3 Movimiento de la mayor parte de la célula hacia delante sobre el sitio de unión, que permanece relativamente estacionario Este movimiento se consigue mediante una fuerza (tracción) contráctil ejercida contra el sustrato. Paso 4 Célula 4 Célula después que las uniones con el sustrato se han cortado y la parte posterior de la célula es tirada hacia delante. (Cell and Molecular Biology Concepts and Experiments Experiments Gerald Karp 6th edition, 2010).

Queratocitos migratorias procedentes de epidermis de pescado. Micrografías de luz (A) queratocito en cultivo, tomas de unos 15 segundos de diferencia. Esta célula se está moviendo a aproximadamente 15 micras/min. (B) queratocitos visto por microscopía electrónica de barrido, que muestra su amplio, lamellipodium plano y el cuerpo celular pequeño, incluyendo el núcleo, llevado por encima el sustrato en la parte trasera. (C) Distribución de los filamentos del citoesqueleto en esta célula. Los filamentos de actina (rojo) llenan el gran lamellipodium y son responsables de un rápido movimiento de la célula. Los microtúbulos (verde) y los filamentos intermedios (azul) se limitan a l as regiones cercanas al núcleo. (A y B, cortesía de Juliet Lee.) (Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Sixth Edition, 2015)

32


Un modelo de protrusión de la malla de actina en el borde anterior. Dos

momentos de tiempo durante el avance del lamellipodium están ilustrados, con las estructuras recién ensambladas en el punto de tiempo posterior se muestran en un color más claro. La nucleación está mediada por el complejo Arp 2/3 en la parte delantera. Los filamentos de actina recientemente nucleados están unidos a los lados de los filamentos preexistentes, principalmente en un ángulo de 70°. Los filamentos elongados, empujan la membrana plasmática hacia adelante debido a algún tipo de anclaje de la matriz posterior. A un ritmo constante, los filamentos de actina del extremo más se vuelven capsulados. Luego subunidades de actina recién polimerizadas hidrolizan ATP unido en el enrejado de filamentos, los filamentos se vuelven susceptibles a la despolimerización por la cofilina. Este ciclo provoca una separación espacial entre ensamblaje neto de la red frontal y la red en desensamblaje en la parte trasera, por lo que la red de filamentos de actina en su conjunto puede moverse hacia adelante, a pesar de que los filamentos individuales dentro de ella permanecen estacionarios con respecto al sustrato. No todas las actinas son desensambladas; por lo tanto, la actina en la parte trasera del lamellipodium contribuye en etapas posteriores con la migración, junto con miosina. (Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Sixth Edition, 2015)

3. La concentración de actina en las células es 50 a 100 veces mayor que la concentración crítica observada para la actina pura en un tubo de ensayo. ¿Cómo es esto posible? ¿Qué impide que las subunidades de actina en las células se polimericen en filamentos? ¿Por qué es VENTAJOSA para la célula mantener un gran número de subunidades de actina? Es habitual que la concentración de monómero soluble oscila entre 50 a 200 M (28 mg/ml), concentración sorprendentemente elevada dada la baja concentración 33

US MP FMH S eminario eminario de B iologí a C elular elular y Molecula Molecularr 2016 2016 S olucionario

crítica observada para la actina pura en un tubo de ensayo (< 1 M). La actina permanece soluble y no forma filamentos debido a que contiene proteínas especiales que se unen a los monómeros de actina e impiden su polimerización o timosina es la proteína más abundante. Los la hacen menos favorable. La timosina monómeros de actina unidos a la timosina se encuentran en un estado cerrado, en el cual no pueden asociarse ni con el extremo más ni con el extremo menos de los filamentos de actina y tampoco pueden hidrolizar o cambiar el nucleótido que lleva unido. En las células, la mayor parte de las subunidades de actina están unidos a timosina, que bloquea la actina en una forma que no puede hidro lizar su ATP unido y no puede ser agregado a cualquier extremo de un filamento. La timosina reduce la concentración de subunidades de actina libre alrededor de la concentración crítica. Las subunidades de actina son reclutadas de este grupo inactivo por profilina, profilina, cuya actividad es regulada de modo que la polimerización de la actina ocurre cuando y donde sea necesario. La ventaja de tal disposición es que la célula puede mantener un gran número de subunidades para un crecimiento explosivo en los sitios y los tiempos de su elección. (Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Fifth Edition, 2008)

4. ¿Cómo se estructura el huso acromático? ¿Cuál es su función? ¿Qué sucede en una célula eucariote en interfase? ¿Las células procariotas tienen huso acromático? Fundamente sus respuestas. El centrosoma en una célula en interfase se duplica para formar los dos polos de un huso mitótico. En la mayoría de las células animales en interfase (G1, S, y G2), un par de centriolos (que se muestra aquí como un par de barras de color verde oscuro) se asocia con la matriz del centrosoma (verde claro), que nuclea microtúbulos microtúbulo s en nacimiento. (El volumen de la matriz del centrosoma se ha exagerado en este diagrama para mayor claridad.) La duplicación del centrosoma comienza al inicio de la fase S y se completa por el final de G2. Inicialmente, los dos centrosomas permanecen juntos, pero, en la fase M temprana, se separan, y cada nuclea microtúbulos en nacimiento su propio áster de microtúbulos. Los centrosomas luego se separan, y los microtúbulos que interactúan entre los dos áster se alargan preferentemente para formar un huso mitótico bipolar, con un áster en cada polo. Cuando la envoltura nuclear se rompe, los microtúbulos del huso son capaces de interactuar con los cromosomas duplicados. (Cell and Molecular Biology Concepts and Experiments Experiments Gerald Gerald Karp 6th edition, 2010). 2010).

Los centrosomas (2 centriolos), microtúbulos, proteínas motor: kinesina, dineína son estructuras propias de células eucariotas. La mitosis y la meiosis son tipos de división celular sólo observada en células eucariotas, las 34


células procariontes se reproducen por fisión binaria donde no está involucrada la formación del huso acromático que participa en la segregación de los cromosomas.

5. Resuma que sucede a nivel molecular en la enfermedad de los cilios inmóviles y que actividad se pierde a nivel celular. •

•

La célula ciliada normal está compuesta por unas 250 proteínas organizadas en torno a un axonema o conjunto de microtúbulos que se extienden desde el citoplasma hasta el extremo final del cilio. El cilio normal consiste en un par central de microtúbulos rodeados por una una vaina y otros

•

•

9

dobletes

externos

formando

la

organización

característica

“9+2”

(AXONEMA). Los complejos de dineína se asocian a los dobletes dobletes periféricos, los puentes de nexina sostienen los dobletes periféricos entre sí y los rayos radiales (radial spoke) unen el par central con los periféricos. Los microtúbulos y sus proteínas asociadas están anclados en el citoplasma apical de la célula por un complejo de 9 tripletes de microtúbulos.

35


Nature Reviews Molecular Cell Biology 14, 713 –726 (2013) 36


La función de los cilios respiratorios es realizar un batido coordinado con una frecuencia y patrón correctos para el aclaramiento de las secreciones y eliminación de los desechos de la vía aérea

•

•

•

•

La discinesia ciliar primaria (DCP) es una enfermedad de herencia principalmente principalme nte autosómica recesiva, caracterizada por disfunción de las células ciliadas presentes en los tejidos respiratorio y gonadal, entre otros. La prevalencia estimada por estudios radiográficos y observaciones clínicas en la etapa previa al microscopio electrónico es de 1/15.000-20.000 nacidos vivos. Según estos datos, la prevalencia aproximada de síndrome de Kartagener sería de 1/30.000 a 1/40.000, y el 50% de los casos de DCP presentarían situs inversus. Sin embargo, trabajos recientes que basan el diagnóstico en el estudio ultraestructural ciliar calculan una cifra mayor de la estimada previamente, situándola en 1/10.000 nacidos vivo s1,2. La DCP incluye un grupo de enfermedades en las que los cilios respiratorios son: o inmóviles (síndrome de inmotilidad ciliar), o el movimiento ciliar es discinético e ineficaz (DCP) o o no hay cilios (aplasia ciliar), este último extremadamente infrecuente.

37


•

•

•

•

•

•

En 1976, Afzelius Afzelius describió como origen del trastorno la ausencia de brazos de dineína en los microtúbulos de los cilios bronquiales y de los flagelos de los espermatozoides. Existen células ciliadas móviles en el epitelio respiratorio respirator io (incluyendo los senos paranasales y el oído medio), el epéndimo del cerebro, los conductos deferentes y ováricos, y el epidídimo, entre otras localizaciones, por lo que existe una gran variabilidad fenotípica de esta patología. El trastorno de la motilidad de los cilios compromete el aclaramiento (limpieza) mucociliar (que (que supone uno de los mecanismos de defensa de la vía respiratoria), lo que explica la mayor predisposición de estos pacientes a desarrollar infecciones respiratorias crónicas desde el nacimiento. Este trastorno también afecta al flagelo del espermatozoide y a los cilios de la trompa de Falopio, por lo que es común la esterilidad en los varones y una fertilidad reduc ida en las mujeres. La ineficacia de los cilios nodales presentes de forma transitoria transitor ia durante el desarrollo embrionario hace que la asimetría de los órganos internos se disponga al azar, por lo que aproximadamente el 50% de estos pacientes tienen un situs inversus total. La DCP es un trastorno muy heterogéneo en el que están implicados múltiples genes y proteínas y que, por lo tanto, se manifiesta con una sintomatología muy variable. Actualmente se conocen al menos 10 genes relacionados con esta patología. Sin embargo, estas mutaciones solo pueden estudiarse en laboratorios especializados y la mayoría de los genes involucrados aún no se han identificado, por lo que la posibilidad de un diagnóstico molecular parece todavía lejana. (Arch Bronconeumol. 2013;49(3):99 –104)

SEMANA 6 SEMINARIO I-5 MITOCONDRIAS. ADN MITOCONDRIAL

38


1. Mencione las diferencias estructurales y funcionales entre la membrana mitocondrial interna y externa. Compare las propiedades y la historia evolutiva de las membranas mitocondriales interna y externa; el espacio inter-membrana y la matriz mitocondrial. Las mitocondrias ocupan 15 a 20 por ciento del volumen de un hepatocito promedio de mamífero y contienen más de un millar de proteínas diferentes.

MEMBRANA MITOCONDRIAL EXTERNA

Cubre completamente la mitocondria, sirviendo como su límite exterior. Se compone de aproximadamente 50% en peso de lípidos y contiene una mezcla de enzimas que participan en diversas actividades tales como la oxidación de la epinefrina, la degradación de triptófano, y la elongación de ácidos grasos. La membrana mitocondrial externa se considera homóloga a una membrana externa presente como parte de la pared celular de ciertas células bacterianas. Esto es debido a que contiene muchas moléculas de porina, una clase especial de proteína de membrana de tipo barril β que crea poros

acuosos través de la membrana Las porinas, son proteínas integrales que tienen un canal interno relativamente grande (por ejemplo, 2-3 m). (Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Sixth Edition, 2015)

ESPACIO INTERMEMBRANA

Como consecuencia de la presencia de porinas por inas en la membrana mitocondrial externa, el espacio intermembrana (entre la membrana interna y externa) tiene el mismo pH y la composición iónica que el citoplasma, y no hay gradiente electroquímico a través de la membrana externa. (Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Sixth Edition, 2015)

MEMBRANA MITOCONDRIAL EXTERNA

La membrana mitocondrial interna es una barrera contra la difusión a iones y pequeñas moléculas, al igual que la membrana interna bacteriana. Iones seleccionados, más notablemente los protones y fosfato, así como metabolitos esenciales, tales como ATP y ADP, puede pasar a través de ella por medio de proteínas de transporte especiales. La membrana mitocondrial interna está altamente diferenciada en regiones funcionalmente distintas con diferentes composiciones proteicas. En la membrana mitocondrial interna, se considera que la región de la membrana límite contiene la maquinaria para la importación de proteínas, la 39


nueva inserción en la membrana, y el ensamblaje de los complejos de la cadena respiratoria. La membrana mitocondrial interna forma una serie de hojas membranosas invaginadas, denominadas crestas. Las membranas de las crestas, que son continuas con la membrana límite, contienen la enzima ATP sintasa que produce la mayor parte de ATP de la célula; también contienen los grandes complejos de proteínas de la cadena respiratoria el nombre dado a la cadena de transporte de electrones de la mitocondria. (Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Sixth Edition, 2015)

Es particularmente rica en proteínas responsables de la importación de proteínas mitocondriales. Contiene más de 100 polipéptidos diferentes y tiene una muy alta proporción proteína/lípido (más de 3:1 en peso, que corresponde a aproximadamente una molécula de proteína por cada 15 fosfolípidos). Prácticamente carece de colesterol y es rica en un fosfolípido inusual, la cardiolipina (difosfatidilglicerol), que es una característica de las membranas citoplasmáticas bacterianas, de donde probablemente la membrana membrana mitocondri mitocondrial al interna interna ha evoluciona evolucionado do . La cardiolipi cardiolipina na juega juega un papel importante en la facilitación de la actividad de las proteínas implicadas en la síntesis de ATP. La membrana mitocondrial interna es altamente impermeable; prácticamente todas las moléculas y los iones requieren transportadores especiales de membrana para poder entrar a la matriz. (Cell and Molecular Biology Concepts and Experiments Gerald Karp 6th edition, edition, 2010).

La cardiolipina se compone de dos unidades de fosfolipidos unidos covalentemente, con un total de cuatro en lugar de las dos cadenas de ácidos grasos habituales. La cardiolipina es producida solamente en la membrana interna mitocondrial, donde interactúa estrechamente con las proteínas de membrana involucradas en la fosforilación oxidativa y el transporte ATP. o En crestas mitocondriales, los dos grupos fosfato yuxtapuestos yuxtapue stos de la cardiolipina pueden actuar como una trampa de protones locales en la supe rficie de la membrana.

40


La cardiolipina promueve curvatura en las membranas de lípidos debido a su estructura cónica única. (A) Estructura química de fosfatidilcolina (PC). (B) Estructura química de cardiolipina (CL). (C) La cardiolipina ejerce una presión lateral en una bicapa lipídica para inducir una curvatura negativa. o

o

Se genera un gradiente de pH a través de la membrana mitocondrial interna, con un alto pH en la matriz (cerca de 8) y un pH más bajo en el espacio intermembrana. Puesto que los iones y pequeñas moléculas equilibren libremente a través de la membrana mitocondrial externa, el pH en el espacio intermembrana es el mismo que en el citosol (generalmente alrededor de pH 7,4). Se genera un gradiente de voltaje a través de la membrana mitocondrial interna, la creación de un potencial de membrana con el lado de la matriz negativa y el lado del espacio intermembrana positivo. (Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Sixth Edition, 2015)

MATRIZ MITOCONDRIAL o

o

La matriz tiene una consistencia similar a un gel debido a la presencia de una alta concentración (hasta 500 mg/mL) de proteínas solubles en agua. Además de una gran variedad de enzimas, la matriz mitocondrial también contiene ribosomas (de tamaño considerablemente más pequeño que los que se encuentran en el citosol, son de probable origen bacteriano) y varias moléculas de ADN circulares (semejante al ADN bacteriano). o Las mitocondrias poseen su propio material genético y la maquinaria para la fabricación de sus propios ARN y proteínas. Este ADN no cromosómico es importante importante porque codifica un pequeño número de polipéptidos mitocondriales (13 en humanos) que están estrechamente integrados en la membrana mitocondrial interna, junto con polipéptidos codificados por los genes que residen dentro del núcleo. El ADN mitocondrial humano también codifica 2 ARN 41


ribosómicos y 22 ARNt que se utilizan en la síntesis de proteínas dentro de la organela. (Cell and Molecular Biology Concepts and Experiments Experiments Gerald Karp Karp 6th edition, 2010). 2010).

La matriz contiene el sistema genético de la mitocondria, incluyendo el ADN mitocondrial y los ribosomas. El ADN mitocondrial se or ganiza en cuerpos compactos (los nucleoides) por las proteínas de andamiaje especiales que también funcionan como proteínas reguladoras de la transcripción. El gran número de enzimas requeridas para el mantenimiento del sistema de genética mitocondrial, así como para muchas otras reacciones esenciales que se describen a continuación, representa la concentración muy alta de proteínas en la matriz; en más de 500 mg / ml, esta concentración es cercana a la de un cristal de proteína. (Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Sixth Edition, 2015)

ESPACIO INTERMEMBRANA

Las proteínas del espacio intermembrana son mejor conocidas por su papel en el inicio de la apoptosis. (Cell and Molecular Biology Concepts and Experiments Experiments Gerald Karp Karp 6th edition, 2010). 2010).

42


2. La cadena respiratoria es relativamente inaccesible a la manipulación experimental en mitocondrias intactas. Después de perturbar a la mitocondria con ultrasonido, es posible aislar partículas sub-mitocondriales funcionales, las que consistirán en crestas rotas que se han vuelto a sellar al re vés en pequeñas vesículas cerradas. En estas vesículas los componentes que originalmente se encontraban hacia la matriz mitocondrial están ahora expuestas al medio circundante. ¿Cómo cree que una disposición de este tipo podría ayudar en el estudio del transporte de electrones y la síntesis de ATP?

43


En la mitocondria intacta el NADH dona sus electrones a la cadena respiratoria desde el lado de la matriz de la membrana interna. Así mismo, el ATP es sintetizado a partir de ADP y fosfato en el lado de la matriz de la membrana interna. Con la mitocondria intacta es difícil para un científico manipular las concentraciones de estas pequeñas moléculas en la matriz debido a que la membrana interna la encierra. Por el contrario, en las partículas submitocondriales con el lado de la matriz expuesta al entorno, es fácil de añadir diferentes concentraciones de NADH, ATP, ADP y fosfato (así como inhibidores y donadores de electrones y aceptores artificiales) y hacer un seguimiento de las consecuencias para el transporte de electrones y la síntesis de ATP.

3. De los cinco tipos de transportadores de electrones, electrones, ¿Quién tiene la masa molecular más pequeña? ¿Cuál tiene mayor relación entre átomos de hierro a electrones transportados? ¿Cuál tiene un componente que se encuentra fuera de la bicapa lipídica? ¿Cuáles son capaces de aceptar protones y electrones y cuáles sólo electrones? ¿Quién tiene la masa molecular más pequeña? La ubiquiona tiene un peso molecular de 0,8 Kd. El citocromo c es el componente con menor peso molecular. El citocromo c, solo tiene un grupo hemo y no está asociado a ninguna otra molécula.

44


La cadena transportadora de electrones contiene cinco tipos de transportadores de electrones unidas a la membrana: flavoproteínas, citocromos, átomos de cobre, ubiquinona y proteínas hierro-azufre. Con la excepción de la ubiquinona, todos los centros redox dentro de la cadena respiratoria que aceptan y donan electrones son grupos prostéticos, es decir, componentes sin aminoácidos que están estrechamente asociados con las proteínas.

a) Las flavoproteínas consisten en un polipéptido unido firmemente a uno de dos grupos prostéticos relacionados, ya sea dinucleótido de flavina adenina (FAD) o flavina mononucleótido (FMN). Los grupos prostéticos de flavoproteínas se derivan de riboflavina (vitamina B2), y cada uno es capaz de aceptar y donar dos protones y dos electrones. Los principales flavoproteínas de las mitocondrias son NADH deshidrogenasa de la cadena transportadora de electrones y succinato deshidrogenasa del ciclo de los ATC. b) Los citocromos son proteínas que contienen grupos prostéticos hem. El átomo de hierro del hem se somete a una transición reversible entre los estados de oxidación Fe +3 y Fe+2 , como resultado de la aceptación y la pérdida de un solo electrón. electrón . Hay tres tipos distintos de citocromos a, b, y c -presente en la cadena

45


transportadora de electrones- que difieren d ifieren entre sí por sustituciones dentro del grupo hem. c) Los tres áto átomo moss de cobre, ubicados dentro de un mismo complejo de proteínas de la membrana mitocondrial interna, aceptan y donan un electrón electrón en tanto se van alternando entre los estados de oxidación Cu+2 y Cu+1. d) La ubiquinona (UQ, o coenzima Q) es una molécula soluble en lípidos que contiene una cadena hidrófoba larga compuesta por unidades isoprenoides de cinco carbonos. Al igual que las flavoproteínas, cada ubiquinona es capaz de aceptar y donar dos electrones y dos protones. protones . La molécula parcialmente reducida es el radical libre semiubiquinona, y la molécula totalmente reducida es el ubiquinol (UQH2). La UQ/UQH2 permanece dentro de la bicapa lipídica de la membrana, donde es capaz de una rápida difusión lateral. e) Las proteínas hierro-azufre son proteínas que contienen hierro en la que los átomos de hierro no se encuentran dentro de un grupo hem, sino que están vinculados a los iones de sulfuro inorgánicos como parte de un núcleo de hierro-azufre.

¿Cuál tiene mayor relación entre átomos de hierro a electrones transportados?

Las propiedades de transporte de electrones de los complejos de proteína de membrana en la cadena respiratoria dependen de cofactores portadores de electrones, la mayoría de los cuales son metales de transición como el Fe, Cu, Ni y Mn, unidos a las proteínas en los complejos. Estos metales tienen propiedades especiales que les permiten promover tanto la catálisis enzimática y las reacciones de transferencia de electrones. Los citocromos sólo pueden aceptar un electrón, mientras que el mononucleótido de flavina y quinonas pueden aceptar dos electrones y dos moléculas protones en reacciones sucesivas. El más sencillo de los transportadores de electrones de la cadena respiratoria y el único que no no forma forma parte de una proteína es una quinona (denominada ubiquinona o coenzima Q). Una quinona (Q) es una pequeña molécula hidrofóbica que está libre y es móvil a través de la bicapa lipídica y puede captar o ceder uno o dos electrones; al reducirse, por cada electrón que transporta capta un protón del medio.

46


Los centros más comunes contienen dos o cuatro átomos de hierro y azufre nombrados como centros ferrosulfurados: ferrosulfurados: [2Fe-2S] y [4Fe-4S] -se unen a la proteína en los residuos de cisteína. A pesar de que un solo centro puede tener varios átomos de hierro, todo el complejo es capaz de aceptar y donar un solo electrón. electrón. El potencial redox de un centro de hierro-azufre depende de la hidrofobicidad y carga de los residuos de aminoácidos que componen su medio ambiente local. Como grupo, las proteínas hierro-azufre tienen potenciales que varían de aproximadamente -700 mV a aproximadamente 300 mV, correspondiente a una parte importante del tramo sobre el cual se produce el transporte de electrones. Más de una docena de centros de hierroazufre de diferentes centros hierro-azufre han sido identificados dentro de la mitocondria.

¿Cuál tiene un componente que se encuentra fuera de la bicapa lipídica? El citocromo c es una proteína soluble en el espacio intermembrana. La ubiquinona (coenzima Q10) está disuelta en la bicapa lipídica. Una quinona (Q) es una pequeña molécula hidrofóbica que es libremente móvil en la bicapa lipídica. Este transportador de electrones puede aceptar o donar uno o dos electrones. Tras reducción (nota que reducen quinonas se llaman quinoles), recoge un protón del agua junto con cada electrón.

47


Los tres complejos enzimáticos respiratorios, en el orden en que se reciben electrones, son: (1) complejo NADH deshidrogenasa, (2) citocromo c reductasa complejo, y (3) citocromo c oxidasa complejo. Los tres complejos enzimáticos respiratorios, en el orden en que se reciben electrones, son: (1) complejo NADH deshidrogenasa, (2) citocromo c reductasa complejo, y (3) citocromo c oxidasa complejo

¿Cuáles son capaces de aceptar protones y electrones y cuáles sólo electrones? Los citocromos sólo pueden aceptar un electrón, electrón , mientras que el mononucleótido de flavina (FMN) y las quinonas pueden aceptar dos electrones y dos protones en reacciones sucesivas. El dinucleótido de flavina adenina (FAD) difiere de FMN en que tiene un grupo de adenosina unido al fosfato.

48


Estructuras de tres tipos de transportadores de electrones en sus formas oxidados y reducidos. (a) FMN de NADH deshidrogenasa, (b) el grupo hem del citocromo c, y (c) la ubiquinona (coenzima Q). Los grupos hem de los diferentes citocromos de la cadena transportadora de electrones difieren en las sustituciones en los anillos de porfirina (indicados por el sombreado azul) y el tipo de unión con la proteína. Los citocromos sólo pueden aceptar un electrón, mientras que FMN y las quinonas pueden aceptar dos electrones y dos protones en reacciones sucesivas, como se muestra. FAD difiere de FMN en que tiene un grupo de adenosina unido al fosfato.

La F1F0-ATP sintasa es un complejo enzimático encargado de proveer a la célula la energía necesaria para realizar todos sus procesos vitales mediante la síntesis de ATP, aunque también puede llevar a cabo la hidrólisis de éste, por lo que al complejo también se le nombra F1F0-ATPasa. El nombre se debe a que las subunidades pueden separarse en dos dominios estructurales llamados F1 y F0 (1). El dominio F1 está compuesto por subunidades solubles y es el dominio catalítico de la enzima, mientras que el F0 es el dominio membranal. Ambos dominios están unidos por un tallo central y por un tallo periférico.

4. Mencione las características del ADN mitocondrial que lo diferencian del ADN nuclear y explique cómo se hereda. Las mitocondrias contienen la única fuente extranuclear de genes (en las células animales). El ADN mitocondrial (ADNmt) es una doble cadena circular, con 16 569 pares de bases que codifica 37 genes, incluyendo 13

49


polipéptidos esenciales para el sistema de fosforilación oxidativa, dos ARN ribosomal (12S y 16S) y 22 tRNAs. Las proteínas restantes necesarias para el metabolismo mitocondrial y el mantenimiento se sintetizan en el citosol y se dirigen, agrupan e importan específicamente a su localización mitocondrial correcta. El genoma mitocondrial tiene características únicas que la distinguen del genoma nuclear; es estrictamente de herencia materna y hay de varios cientos a varios miles de copias dentro de una sola célula. El número de copias presentes varía entre los diferentes tipos de células, dependiendo de la demanda de energía dentro del tejido. No tienen intrones y los genes tienen o bien ninguna o muy pocas bases no codificantes entre ellos, y en la mayoría de los casos los codones de terminación no están presentes, pero se crean post-transcripcionalmente por poliadenilación. El bucle de desplazamiento (bucle D) es la única región importante no codificante de la molécula y está formada por el desplazamiento de las dos cadenas genómicas por una tercera cadena de ADN. J Pathol 2012; 226: 274 –286

Published by John Wiley & Sons, Ltd. www.pathsoc.org.uk www.pathsoc.org.uk www.thejournalofpathology.com

50


5. Señale similitudes de los peroxisomas con las mitocondrias. ¿Qué hace únicos a los peroxisomas? Los peroxisomas son vesículas simples, unidas a la membrana con un diámetro de 0,1 a 1,0 m que puede contener un denso, núcleo cristalino de las enzimas oxidativas. Los peroxisomas (o microcuerpos) son orgánulos multifuncionales, que contiene más de 50 enzimas que intervienen en actividades tan diversas como la oxidación de ácidos grasos de cadena muy larga (AGCML, aquellos cuya cadena contiene típicamente 24 a 26 átomos de carbono) y la síntesis de plasmalógenos, que son una clase inusual de fosfolípidos en la que uno de los ácidos grasos está en relación re lación con glicerol mediante un enlace éter en lugar de un enlace éster. Los peroxisomas comparten varias propiedades con las mitocondrias: tanto mitocondria y peroxisomas se forman por división de organelas preexistentes, utilizando algunas de las mismas proteínas. Ambos tipos de organelas importan proteínas preformadas desde el citosol y ambos se dedican a tipos similares de metabolismo oxidativo. De hecho, al menos una enzima, alanina/glioxilato aminotransferasa, se encuentra en las mitocondrias de algunos mamíferos (por ejemplo, gatos y perros) y en los peroxisomas de otros mamíferos (por ejemplo, conejos y seres humanos). Estas organelas se denominaron "peroxisomas" porque son el sitio de síntesis y la degradación de peróxido de hidrógeno (H2O2), un agente oxidante altamente reactivo y tóxico. El peróxido de hidrógeno es producido por una serie de enzimas peroxisomales, incluyendo urato oxidasa, glicolato oxidasa y oxidasas de aminoácidos, que utilizan oxígeno molecular para 51


oxidar sus respectivos sustratos. El H2O2 generado en estas reacciones se descompone rápidamente por la enzima catalasa, que está presente en altas concentraciones en estos orgánulos. Los peroxisomas se encuentran en prácticamente todas las células eucariotas y se definieron originalmente como orgánulos que contienen al menos una oxidasa y uno catalasa para la producción y descomposición respectiva del peróxido de hidrógeno. Dependiendo del tipo de célula y el medio ambiente, los peroxisomas tienen diversas funciones reguladas, el más notable de los cuales están relacionados con el metabolismo de los lípidos. Estas funciones están integradas con los procesos en otros compartimentos celulares, incluyendo los cloroplastos, mitocondrias y el citosol, a través de la existencia de vías metabólicas compartidas y coordinadas. Los peroxisomas tienen diversas funciones través de los reinos de la naturaleza, que van desde el más notable y altamente conservada (la βoxidación de los ácidos grasos c ombinados con la degradación de H2O2 por la catalasa) a las funciones que son muy especializadas y sólo se encuentra en unos pocos organismos o tipos de células (tales como el metabolismo de glicerol y el mantenimiento de la integridad celular). Los peroxisomas tienen de 0,1-1 micras de diámetro y están conformados por las membranas individuales que encierran matrices densas que contienen principalmente enzimas metabólicas (sustratos y cofactores), que a veces pueden formar núcleos cristaloides estructurados y electrodensos. Los peroxisomas son generalmente esféricos, pero pueden pu eden cambiar su forma y ser alargados o incluso forman retículos en algunos tipos de células y entornos Peroxisomes take shape Jennifer J. Smith and John D. Aitchison NATURE NATUR E REVIEWS | MOLECULAR CELL BIOLOGY DECEMBER 2013 | VOLUME 14

SEMANA 7 SEMINARIO I-6 LISOSOMAS. MUERTE CELULAR. APOPTOSIS Y NECROSIS

1. Describir los eventos que se producen durante la destrucción autofágica de una mitocondria. CONCEPTOS PREVIOS • Los lisosomas juegan un rol clave en el recambio de organelas, regulan la destrucción de las organelas por sí mismas y su reemplazo. Una mitocondria tiene una vida media de 10 días

52


• • •

•

Las hidrolasas ácidas son enzimas hidrolíticas hidrolíticas que son activas en condiciones ácidas. Una H+ ATPasa en la membrana bombea H + hacia el interior del lisosoma, manteniendo el lumen con un pH ácido. La bomba bomba H+ lisosomal pertenece a la familia de ATPasas tipo V y tiene una arquitectura similar a la de las ATP sintasas de ATP (ATPasas tipF) mitocondriales y cloroplásticas, que convierten la energía acumulada en los gradientes de H+ en ATP. En contraste con estas estas enzimas, la ATPasa H+ vacuolar vacuolar trabaja exclusivamente a la inversa, bombeando H+ dentro de la organela. Similares o idénticas ATPasas tipo-V acidifican todas las organelas endocíticas y exocíticas, incluyendo lisosomas, endosomas, algunos compartimentos del aparato de Golgi y muchas vesículas de transporte y vesículas secretoras. Además de proporcionar un entorno de pH bajo que es adecuado para las reacciones que se producen en el lumen del orgánulo ( Lumen: espacio interior de una estructura tubular ), el gradiente de H+ proporciona una fuente de energía que impulsa el transporte de pequeños metabolitos a través de la membrana de la organela. (Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Sixth Edition, 2015)

AUTOFAGIA •

• • •

La autofagia, una ruta catabólica conservadas evolutivamente en las células eucariotas, juega un papel importante en la respuesta al estrés y la degradación de los componentes citosólicos dañados. Hay tres tipos generales de autofagia que puede entregar materiales intracelulares a los lisosomas para la degradación: 1) macroautofagia, 2) microautofagia y 3) autofagia mediada por chaperonas. Aunque la macroautofagia se considera principalmente un proceso de captura de masa, la autofagia selectiva para degradar orgánulos dañados o en exceso, tales como las mitocondrias (mitofagia), peroxisomas (micropexofagia y macropexofagia), retículo endoplásmico (ER; reticulofagia), las partes del núcleo (microautofagia fragmentaria nuclear), e incluso los ribosomas (ribofagia)

53


(Physiology 23:248-262, 2008)

MITOFAGIA. LA AUTOFAGIA MITOCONDRIAL SE DENOMINA MITOFAGIA. • •

• •

• •

La organela es rodeada por una doble membrana que que produce una estructura denominada autofagosoma. La membrana externa mitocondrial se fusiona con el lisosoma para producir un autofagolisosoma en el cual la organela es degradada y los productos de la degradación se hacen disponibles para la célula. En condiciones condiciones de ayuno grandes porciones de citosol son capturadas capturadas de de forma no selectiva en autofagolisosomas. Los metabolitos derivados de la digestión del material capturado contribuyen a la supervivencia celular cuando la disponibilidad de nutrientes externos es limitada. Se calcula que una mitocondria experimenta autofagia cada 10 minutos (ej. Hepatocito). Si la célula es deprivada de nutrientes, se observa un marcado incremento incremento en la autofagia.

54


LA AUTOFAGIA SE DIVIDE EN 5 PROCESOS:

1. INDUCCIÓN por la activación de moléculas de señalización: Proteína quinasas que transmiten información sobre el estado e stado metabólico de la célula, se activan y dan la señal a la maquinaria de autofagia. 2. La NUCLEACIÓN Y LA EXTENSIÓN DE UNA MEMBRANA de delimitación en forma de medialuna: vesículas de membrana, que se caracteriza por la presencia de ATG9 (la única proteína de transmembrana que participa en el proceso), son reclutados por un sitio de montaje, donde se nuclea la formación del autofagosoma. ATG9 no se incorpora en el autofagosoma: una vía de recuperación debe quitarlo de la estructura de montaje. 3. El CIERRE DE LA MEMBRANA alrededor del objetivo ( target: organela blanco) para formar un autofagosoma de doble membrana se cier ra herméticamente. 4. La FUSIÓN DEL AUTOFAGOSOMA CON LOS LISOSOMAS, es catalizada por SNAREs. 5. La DIGESTIÓN de la membrana interna y el contenido luminal del autofagosoma. (Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Sixth Edition, 2015)

Las proteínas SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor), juegan un papel central en la fusión de membranas en la célula, y en particular en la exocitosis de las vesículas sinápticas en los terminales nerviosos, mediando la fusión de las vesículas con la membrana plasmática para la liberación de neurotransmisores en la transmisión sináptica. Los SNAREs neuronales consisten en las proteínas syntaxin 1 y SNAP-25 en la membrana plasmática (t-SNARE), y la sinaptobrevina (también llamada proteína VAMP2) en la membrana vesicular (vSNARE). El complejo SNARE SNARE formado por estas tres proteínas forma un ramillete de cuatro hélices paralelas que se piensa que induce la fusión de membranas por un proceso de trenzado en dirección a la membrana, ejerciendo suficiente fuerza en la membrana para sobrepasar una barrera energética que se estima en >40 kBT.

55


http://carrionvazquez-lab.org/es/page.cfm?id=31#.V9Qn55h94dU (10/09/16)

Los pasos generales de la autofagia de mamíferos. La autofagia engulle porciones del citosol a través de tres pasos principales. La nucleación induce la formación de una membrana aislada, que pod ría surgir de diferentes fuentes de membranas (el retículo endoplásmico, el ofor o el cual se elonga para formar aparato de Golgi, la membrana plasmática, la mitocondria) para formar el fag oforo vesículas autofagosómicas de doble membrana. El autofagosoma puede secuestrar el material citosólico incluyendo orgánulos senescentes como las mitocondrias, las proteínas longevas o patógenos intracelulares, a través de autofagia selectiva independiente (para la simplificación esquemática, todos se representó con en u n solo autofagosoma). El autofagosoma finalmente se fusiona con los lisosomas durante la etapa de para formar autolisosomas donde se produce la degradación. Algunas de las proteínas cruciales que intervienen en las diferentes fases de la autofagia están indicadas. Varios virus pueden inducir un flujo de autofagia completa, como MeV o CHIKV, en tanto que otras pueden inhibir la maduración del autofagosoma, como el VIH -1 y VHC, a fin de mejorar su replicación (Front. Immunol., 17 January 2013)

(Essential cell biology / Bruce Alberts [and seven others]. -- Fourth edition. 2014).

56


(Cell and Molecular Biology Concepts and Experiments Experiments Gerald Karp Karp 7th edition, 2013). 2013).

2. ¿Cuáles son algunas de las funciones de la apoptosis en la biología de los vertebrados? • Las células de un organismo multicelular son miembros de una comunidad comunidad altamente organizada. El número de células en esta comunidad es altamente regulado no simplemente por el control en la tasa de división celular, sino también, por el control de la tasa de muerte celular. (Essential cell biology / Bruce Alberts [and seven others]. -- Fourth edition. 2014).

•

La apoptosis es la la base de una una meticulosa eliminación eliminación de células potencialmente peligrosas, como las células inmunes autorreactivas, las 57


•

• •

cuales atacan a las células propias o a las neuronas que no han logrado hacer contacto con otras neuronas. La muerte celular programada también también está involucrada en la defensa contra la infección, las células infectadas por virus son selectivamente muertas en respuesta a señales de muerte. Los virus a su vez, tienen mecanismos para evadir las defensas del huésped. El fracaso de la apoptosis puede llevar a un crecimiento canceroso no controlado. Las proteínas que previenen previenen la muerte de células células cancerosas, a su su vez, son posibles blancos para las drogas antineoplásicas. (Molecular Cell Biology. Lodish, 7 th Edition, 2013).

•

En la mayoría de los los casos, esta muerte celular programada se produce por un proceso llamado apoptosis de la palabra griega que significa "caerse", como las hojas de un árbol. (Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Sixth Edition, 2015)

LA ACTIVACIÓN DE CASPASAS DURANTE LA APOPTOSIS (ver figura siguiente). • Una caspasa iniciadora contiene un dominio de proteasa en su región

carboxi-terminal y un pequeño dominio de interacción de proteína cerca de su extremo amino terminal. Está compuesta inicialmente en una forma inactiva, monomérica, a veces llamada procaspasa. • Las señales apoptóticas desencadenan el ensamblaje de proteínas adaptadoras que transportan múltiples sitios de unión para el dominio aminoterminal de la caspasa. • Al unirse a las proteínas adaptadoras, las las caspasas iniciadoras se dimerizan y de ese modo se activan, lo que lleva a la escisión de un sitio específico en sus dominios proteasa. • Cada dominio de proteasa proteasa se reorganiza luego luego en una subunidad grande grande y pequeña. • En algunos casos (no mostrado), el dominio de unión del adaptador-caspasa iniciadora también se escinde. • Las caspasas ejecutoras se forman inicialmente como dímeros inactivos. Después de la escisión en un sitio en el dominio de proteasa por una ca spasa iniciadora, el dímero caspasa ejecutora sufre un cambio conformacional activándose. • Las caspasas ejecutoras luego se escinden (o sufren clivaje) en una variedad de proteínas claves, lo que lleva a la muerte controlada de la célula.

58


(Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Sixth Edition, 2015)

3. Describir los pasos que se producen cuando: a. Una molécula de Factor de Necrosis Tumoral (TNF) se une a su receptor y la

eventual muerte de la célula. Las proteínas de señalización señalización extracelular que se unen a los receptores de muerte de la superficie celular activan la vía extrínseca de la apoptosis. • Los receptores de muerte son proteínas transmembrana que contienen un dominio extracelular de unión a ligando, un único dominio transmembrana, y un dominio de muerte intracelular, que es requerido por los receptores para activar el programa apoptótico. •

Los receptores son homotrímeros y pertenecen a la familia de receptores del factor de necrosis tumoral (TNF), los cuales incluyen un receptor de TNF por sí mismo y el receptor de muerte Fas. Fas. • Los ligandos que activan los receptores de muerte son también

homotrímeros; que están estructuralmente relacionados entre sí y pertenecen a la familia TNF de proteínas señal.

59


Un ejemplo bien conocido de cómo los receptores de muerte desencadenan la vía extrínseca de la apoptosis es la activación de Fas en la superficie de una célula diana por el ligando ligando de Fas Fas en la superficie superficie de un asesino asesino (citotóxico) (citotóxico) de linfocitos. linfocitos.

•

•

Al activarse por la unión unión del ligando de Fas, los dominios de muerte en las colas citosólicas de los receptores de muerte Fas unen proteínas adaptadoras intracelulares, que a su vez se unen a caspasas iniciadoras (caspasa-8 principalmente), formando un complejo señalizador inductor de muerte (DISC). Una vez dimerizadas y activadas en el DISC, las caspasas iniciadoras escinden sus parejas y luego activan las caspasas ejecutoras posteriormente para inducir la apoptosis. o En algunas células, la vía extrínseca extrínseca recluta a la vía apoptótica intrínseca para amplificar la cascada de caspasas y matar a la célula. o Muchas células producen proteínas inhibidoras que actúan restringiendo la vía extrínseca. Por ejemplo, algunas células producen la proteína FLIP, que se asemeja a una caspasa iniciadora, pero no tiene actividad de proteasa porque carece de la cisteína clave en el sitio activo. FLIP dimeriza con la caspasa-8 en el DISC; Aunque la caspasa-8 parece ser activa en estos heterodímeros, no se escinde en el sitio requerido para su activación estable, y la señal apoptótica es bloqueada. Tales mecanismos inhibitorios ayudan a prevenir la activación inapropiada de la vía extrínseca de la apoptosis. (Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Sixth Edition, 2015)

60


b. Una proteína proteína proapoptótica Bcl-2 se une a la membrana mitocondrial externa y el proceso de muerte celular. •

•

Las células también pueden activar su programa programa de apoptosis desde dentro de la célula, a menudo en respuesta a las tensiones, tales como daño del ADN, o en respuesta a señales de desarrollo. En células de vertebrados, estas respuestas se rigen por la vía intrínseca, o mitocondrial, que depende de la liberación en el citosol de las proteínas mitocondriales que normalmente residen en el espacio intermembrana de estos orgánulos

LA VÍA INTRÍNSECA DE LA APOPTOSIS (ver figura abajo) • Los estímulos apoptóticos intracelulares hacen que la mitocondria libere el citocromo c, que interactúa con Apaf1. Una proteína clave en la vía intrínseca es el citocromo c , un componente hidrosoluble de la cadena de transporte de electrones mitocondrial. Cuando se elimina en el citosol, adquiere una nueva función: se une a una proteína adaptadora adaptadora llamada Apaf1 (factor de activación - 1 de la proteasa apoptótica), causando que Apaf1 se oligomerice en un heptámero en forma de rueda denominado apoptosoma.

•

•

La unión de citocromo c hace que Apaf1 se despliegue parcialmente, exponiendo un dominio que interactúa con el mismo dominio en otras moléculas Apaf1 activadas. Las proteínas Apaf1 del apoptosoma a continuación reclutan la proteína caspasa-9 iniciadora, que se piensa que es activada por proximidad en el apoptosoma, así como la caspasa-8 se activa en DISC. Las moléculas de caspasa-9 activadas luego activan las caspasas ejecutoras corriente abajo para inducir la apoptosis. Siete proteínas Apaf1 activadas forman un gran complejo de anillo llamado apoptosoma. Cada proteína Apaf1 contiene un dominio de reclutamiento de caspasas (CARD), y éstas se agrupan por encima del eje central del apoptosoma.

•

Las CARDs enlazan dominios similares en múltiples moléculas moléculas de caspasa-9, que son por lo tanto reclutadas rec lutadas en el apoptosoma y activadas. El mecanismo de la caspasa-9 no es clara: probablemente se debe a la dimerización y la escisión de las proteínas caspasa 9 adyacentes, pero también podría depender depender de de las interacciones interacciones entre entre la caspasa9 caspasa9 y Apaf1. Apaf1.

•

Una vez vez activada, la caspasa-9 escinde y por lo tanto activa caspasas ejecutoras corriente abajo. Nótese que CARD está relacionado en estructura y función al dominio efector de muerte de la caspasa-8. Algunos científicos utilizan el

61


término "apoptosoma" para referirse al complejo que contiene la caspasa-9.

•

La vía vía intrínseca intrínseca de la apoptosis está estrechamente regulada para asegurar que las células se suiciden sólo cuando sea apropiado.

•

Una clase importante de los reguladores intracelulares de la vía intrínseca es la familia de proteínas Bcl2 , que, como la familia de las caspasas, se ha conservado en la evolución desde los gusanos a los seres humanos; una proteína humana Bcl2 por ejemplo, puede suprimir la apoptosis cuando se expresa en el gusano Caenorhabditis elegans. Las proteínas de la familia de mamíferos Bcl2 regulan la vía vía o intrínseca de la apoptosis principalmente por el control de la liberación de citocromo c y otras proteínas mitocondriales intermembrana en el citosol. Algunas proteínas proteínas de la familia Bcl2 son proteínas pro-apoptóticas o y promueven la apoptosis al aumentar la liberación, mientras que otros son antiapoptótica e inhiben la apoptosis mediante el bloqueo de la liberación. Las proteínas proteínas pro-apoptóticas y las proteínas anti-apoptóticas se o pueden unir entre sí en varias combinaciones para formar heterodímeros en la que las dos proteínas inhiben la función de la otra. o El equilibrio equilibrio entre las actividades actividades de estas dos clases funcionales de proteínas de la familia Bcl2 determina en gran medida si una célula de mamífero vive o muere por la vía intrínseca de la apoptosis.

62


Las tres clases de proteínas de la familia Bcl2. Tener en cuenta que el dominio BH3 es el único dominio BH compartida por todos los miembros de la familia Bcl2; que media las interacciones directas entre los miembros de la familia proapoptóticas y miembros de la familia anti-apoptóticas. (Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Sixth Edition, 2015)

4. Indaga sobre la la necroptosis. ¿En qué consiste? ¿Cuáles serían sus funciones? •

•

•

•

Durante muchos años la apoptosis fue considerada como la única forma de muerte celular regulada (RCD), mientras que la necrosis fue vista como un proceso de muerte celular accidental no regulada (ACD). La evidencia genética, bioquímica y funcional, y el descubrimiento de inhibidores químicos específicos de necrosis han redefinido este proceso como una forma regulada molecularmente controlada de muerte celular. La necrosis regulada incluye incluye varias modalidades de de muerte celular, tales como: o necroptosis, o partanatos o ferroptosis o oxitosis necrosis dependiente de la transición o de permeabilidad mitocondrial (MPT) o piroptosis o pironecrosis o ETosis, muerte celular o NETosis asociada con la liberación de (neutrófilos) trampas extracelulares La piroptosis y la necroptosis son las mejores formas caracterizadas de necrosis regulada.

63


•

•

•

•

•

•

La piroptosis es una forma inflamatoria de muerte celular inducida por la activación del inflamasoma y tiene funciones importantes en la defensa del huésped y la inflamación. La necroptosis, mediada por el receptor de interacción de la proteína quinasa-3 (RIPK3) y su sustrato de linaje mixto semejante a quinasa (MLKL), es la forma mejor caracterizada de necrosis regulada. La apoptosis se considera generalmente generalmente como no inmunogénica, basado en el concepto de que el desarrollo la muerte celular programada, tales como durante la selección de timocitos en el timo, no debe desencadenar inflamación. Sin embargo, la muerte celular apoptótica en que no está programada su desarrollo indica lesión del tejido y debe ser detectada por el sistema inmune para asegurar la regeneración eficaz de tejidos y la defensa del huésped. Varios estudios recientes apoyan un papel proinflamatorio de de la la apoptosis. La apoptosis de las células cancerosas en respuesta a algunos agentes quimioterapéuticos ha demostrado ser altamente inmunogénica, contribuyendo con la respuesta a la terapia. Sin embargo, la muerte celular apoptótica en que no está programada su desarrollo indica lesión del tejido y debe ser detectada por el sistema inmune para asegurar la regeneración eficaz de tejidos y la defensa del huésped. Varios estudios recientes apoyan un papel proinflamatorio de la apoptosis. La apoptosis de las células cancerosas en respuesta a algunos agentes quimioterapéuticos ha demostrado ser altamente inmunogénica, contribuyendo con la respuesta a la terapia. (Necroptosis and its role in inflammation, Manolis Pasparakis et. al. 15 JANUARY 2015 | VOL 517 | NATURE | 317)

CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS DE LA APOPTOSIS Y LA NECROPTOSIS

64


Las células que mueren por apoptosis exhiben condensación de la cromatina y se desmontan en fragmentos envueltos con membrana que se eliminan rápidamente por células fagocíticas. En las células que mueren por rotura de bida necroptosis, se piensa que liberan contenidos intracelulares que pueden provocar una respuesta inmune innata de las células como los macrófagos, fibroblastos y células endoteliales.

• •

•

• •

•

En contraste con la apoptosis y piroptosis, necroptosis es una muerte programada independiente de caspasas. Necroptosis es una forma regulada de necrosis, con la ruptura de la célula que muere y la liberación de componentes intracelulares que pueden desencadenar una respuesta inmune innata. Los agonistas de los receptores Toll-like 3 y 4, el factor de necrosis tumoral, ciertas infecciones virales o el receptor de célula T pueden activar la necroptosis si se compromete la actividad de la proteasa caspasa-8. La señalización señalización la la necroptosis es modulada por la quinasa RIPK1 RIPK1 y requiere la quinasa RIPK3 y la pseudokinase MLKL. Cualquier deficiencia de RIPK3 o la inhibición RIPK1 RIPK1 confiere resistencia en varios modelos de enfermedad en animales lo que sugiere que la inflamación causada por necroptosis contribuye co ntribuye al daño del tejido y que los inhibidores de estas quinasas podrían tener un potencial terapéutico. Los estudios recientes revelan una inesperada complejidad complejidad en la regulación de programas de muerte celular por RIPK1 y RIPK3 con la posibilidad de que necroptosis no es sino un mecanismo por el que estas quinasas promueven la inflamación. (Annu. Rev. Biochem. 2016. 85:4.1 –4.21)

•

El proceso de necrosis regulada ahora se conoce como necroptosis o necrosis programada.

65


Death-receptor control of regulated cell death. (Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2014. 30:20.1 –20.20)

5. Observe bien en las micrografías electrónicas que se muestran. Describa las DIFERENCIAS entre la célula que murió por necrosis y la que murió por apoptosis. ¿Cómo las imágenes confirman las diferencias entre los dos procesos? Explique su respuesta.

NEURONA NECRÓTICA •

• •

La membrana plasmática de la la célula que murió por necrosis se rompe; varias interrupciones claras son visibles, por ejemplo, a las 8, 9 y 12 horas. El contenido de la célula, en su su mayoría membranosa y con restos del citoesqueleto, se observa derramada en el entorno. Se observan manchas suaves en el citosol, debido a que la mayoría de los componentes solubles se han perdido antes de la fijación celular.

NEURONA APOPTÓTICA •

•

Una membrana intacta rodea la célula que sufrió apoptosis, el citosol está densamente teñido, lo que indica una concentración normal de los componentes celulares. El interior de la célula célula es notablemente diferente a una célula normal. 66


•

•

Particularmente característico característico son las gotas grandes las cuales extruyen o se vierten del núcleo, probablemente como resultado de la ruptura de la lámina nuclear. El citosol también contiene muchas vesículas grandes, rodeadas de membrana de origen desconocido que normalmente no se ven en las células sanas. Las imágenes confirman visualmente la noción de que la necrosis implica la lisis celular, mientras que las células sometidas a la apoptosis permanecen relativamente intactas hasta que son fagocitadas y digeridas en el interior de una célula normal. (Molecular biology of the cell, 5th edition. A problems approach/John Wilson & Tim Hunt. -- 5th ed.2008)

67


(Iatreia vol.23 N° 2 Medellín Apr./June 2010)

68

SEMANA 9 SEMINARIO II-1 TRANSPOR TRANSPORTE TE INTRACELU I NTRACELULAR LAR

1. Describa los pasos que se producen entre el momento en que un ribosoma se une a un ARN mensajero que codifica una proteína de secreción y el momento en que una proteína abandona el Retículo Endoplásmico Rugoso (RER). Todas las proteínas de secreción son sintetizadas por ribosomas citosólicos, el tráfico diverge en dos ramales principales. En cada una de las estaciones intermedias por las que pasa la proteína hasta su destino final, se realiza una decisión de sí la proteína se queda retenida en ese compartimento o sigue hasta su destino final. En la mayoría de las ocasiones se necesita una señal determinada, pero también hay señales por defecto (en ausencia de señal).

La hipótesis de la señal. Una proteína se dirige al Retículo Endoplasmático (RE) mediante una secuencia de señal, un tramo corto de aminoácidos que, por lo general está en su amino terminal. (Células. Lewin. 2da Edición. 2011)

Una visión simplificada de la translocación de proteínas a través de la membrana del RE, como originalmente se propuso. Cuando la secuencia señal de RE emerge del ribosoma, el ribosoma es dirigido a un translocador sobre la membrana de RE que forma un poro en la membrana a través del cual se transloca el polipéptido. Una peptidasa de señal está estrechamente asociada con el translocador y realiza un recorte fuera de la secuencia de señal durante la traducción, la proteína madura se libera en el lumen del RE inmediatamente después de que se complete su síntesis. El translocador está cerrado hasta que el ribosoma se una, de manera que la


barrera de permeabilidad de la membrana del RE es mantenida en todo momento. (Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Sixth Edition, 2015)

Las proteínas destinadas a ser secretadas (exocitosis) o a incorporarse en el RE, aparato de Golgi, lisosomas, o membrana plasmática son dirigidas inicialmente al RER. Dos tipos de proteínas se transfieren t ransfieren desde el citosol al RER: a) Las proteínas hidrosolubles son translocadas a través de la membrana del RE y son liberados en el lumen del RE. Las proteínas hidrosolubles se destinan a la secreción (liberadas por exocitosis en la superficie celular) o para el lumen de una organela del sistema de endomembranas. En las células de los mamíferos, la mayoría de las proteínas son transferidas al RER mientras están siendo traducidas tr aducidas por los ribosomas unidos a la membrana.

La síntes s íntes is del polipéptido polipéptido empieza en un ribos oma libre. Cuando la secuencia señal (que se muestra en rojo) emerge del ribosoma, se une a la Partícula de R econocimiento S eñal (SRP) (paso 1), que detiene la traducción hasta que el complejo SRPribosomacadena naciente pueda hacer contacto con la membrana del RE. El complejo ribosoma-SRP se une con a un receptor de SRP situada dentro de la membrana del RE (pa (pass o 2). La fijación de este complejo con el receptor de SRP es seguido por la liberación de la SRP y la asociación del ribosoma con un translocon trans locon de la membrana membrana del R E (pa E (pass o 3). Estos últimos eventos están acompañados por la hidrólisis recíproca de las moléculas de GTP (no mostradas) asociadas a SRP y su receptor. En el modelo representado aquí, el péptido señal señal se une une entonces en el interior interior del translocon, desplazan desplazando do el interruptor interruptor del canal y permitiendo que el resto del polipéptido se transloque a través de la membrana cotraduccionalmente (pa (pass o 4). Posterior al paso del polipéptido naciente hacia el lumen del RE, el péptido s eñal se escinde mediante una proteína de membrana (peptidasa de señal, no mostrada), y la proteína es plegada plegada con la ayuda ayuda de chaperonas chaperonas del RE, tales tales como Bip. (Cell and Molecular Biology. Concepts and Experiments Experiments / Gerald Karp 7 th Edition 2013)

70


b) Las potenciales proteínas transmembrana sólo se translocan parcialmente a través de la membrana del RER y se insertan en la membrana del RER.

¿Cómo una proteína transmembrana de paso único con una secuencia señal de RE escindido está integrado en la membrana del RE?. En esta proteína, el proceso de translocación co-traduccional se inicia por una secuencia de señal de RE N-terminal (rojo) que funciona como una señal de inicio de transferencia, abriendo el translocador como se muestra en la figura. Además de esta secuencia de transferencia de inicio, la proteína también contiene una secuencia de detención de transferencia (naranja); cuando esta secuencia entra en el translocador e interactúa con un sitio de unión dentro del poro, el translocador se abre en la costura y se descarga la proteína lateralmente en la bicapa lipídica, donde la secuencia de parada de transferencia permanece para anclar la proteína en la membrana. (En esta figura los ribosomas se han omitido para mayor claridad.) (Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Sixth Edition, 2015)

71


2. ¿Cómo logra una proteína integral recién sintetizada insertarse en una membrana? membrana? •

•

Todas estas proteínas se dirigen inicialmente al RE por una secuencia señal de RE, un segmento de ocho o más aminoácidos hidrófobos, que también está implicada en el proceso de translocación a través de la membrana. No todas todas las proteínas producidas por los ribosomas unidos al RE se liberan liberan en la luz del RE. Algunas permanecen incrustadas en la membrana del RE como proteínas transmembrana. El proceso de translocación de estas proteínas es más complicado de lo que es para las proteínas solubles, debido a que algunas partes de la cadena del polipéptido deben ser trasladadas por completo a través de la bicapa lipídica, mientras que otras partes permanecen fijas en la membrana. En el caso más simple, la de una proteína transmembrana transmembrana con un solo o segmento que abarca la membrana, la secuencia señal N-terminal inicia la translocación como lo hace para una proteína soluble. o Pero el proceso de transferencia se detiene por una secuencia adicional de aminoácidos hidrofóbicos, una secuencia de detención de transferencia, localizado a lo largo de la cadena polipeptídica. o En este punto, punto, el canal de translocación libera libera la cadena polipeptídica en crecimiento hacia los lados en la bicapa lipídica. o La secuencia señal N-terminal se escinde, escinde, mientras que que la secuencia secuencia de detención de transferencia permanece en la bicapa, atraviesa la membrana mediante un s egmento α-helicoidal que ancla la proteína en la membrana. Como resultado, la proteína termina como una proteína transmembrana de o paso único insertado en la membrana con una orientación de la N-terminal definido en el lado luminal de la bicapa lipídica y el C-terminal en el lado citosólico. o Una vez insertada en la membrana, membrana, una proteína transmembrana transmembrana no no cambia su orientación, que se conserva a lo largo de cualquier evento posterior de gemación y fusión.

72


Una proteína transmembrana de paso único se mantiene en la bicapa lipídica.

Una proteína transmembrana de paso doble tiene una secuencia señal de ER interna.

(Essential cell biology / Bruce Alberts [and seven others]. -- Fourth edition. 2014).

73


3. Describa algunas de las maneras en que las organelas membranosas membranosas pueden pueden mantener sus composiciones únicas a pesar del continuo tráfico de membranas y materiales que se desplazan a través de ellas. Los estudios sugieren que las proteínas se mantienen en una organela por una combinación de dos mecanismos: RETENCIÓN DE MOLÉCULAS RESIDENTES que están excluidas de las vesículas de transporte. principalmente en las propiedades propiedades físicas de la • La retención puede basarse principalmente proteína Por ejemplo, las proteínas solubles que forman parte de grandes complejos o proteínas de membrana con dominios transmembrana cortos no son propensos a entrar en una vesícula de transporte. • Muchas proteínas son selectivamente retenidas en los compartimentos en donde funcionan proteínas residentes residentes de la membrana membrana del RE, contienen contienen señales señales que se unen • Las proteínas directamente a las cubiertas COPI y por lo tanto están empaquetadas en vesículas de transporte COPI recubiertos para la vía retrógrada al RE. recuperación mejor caracterizado caracterizado de este tipo consta consta de dos lisinas, lisinas, • La señal de recuperación seguido por cualesquiera otros dos aminoácidos, en el extremo C-terminal extrema de la proteína de membrana del ER. mecanismo de retención sugerido sugerido es que las proteínas del RE se unen unen entre • Un mecanismo sí, formando así complejos que son demasiado grandes para entrar en vesículas de transporte eficiente. Debido a que las proteínas residentes RE están presentes en el RE a concentraciones muy altas (la estimación es concentración milimolar), 74


•

interacciones relativamente de baja afinidad serían suficientes para retener la mayor parte de las proteínas en tales complejos. La agregación de proteínas que funcionan en el mismo compartimiento es un mecanismo general que los compartimentos utilizan para organizar y conservar sus proteínas residentes. Las enzimas enzimas del Golgi que funcionan funcionan juntas, juntas, por ejemplo, ejemplo, también se unen a uno al otro y están por lo tanto impedidas de entrar en vesículas de transporte que salen del aparato de Golgi. (Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Sixth Edition, 2015)

RECUPERACIÓN DE LAS MOLÉCULAS "ESCAPADAS" de "ESCAPADAS" de vuelta al compartimento en el que residen habitualmente. habitualmente. • •

La vía de Recuperación de RE utiliza señales de clasificación. Se llama una secuencia secuencia KKXX, basada en el código de aminoácidos de una una sola letra. CÓDIGO DE AMINOÁCIDOS DE UNA SOLA LETRA Código (1 letra) Código (3 letras) Aminoácido A Ala Alanina R Arg Arginina N Asn Asparagina D Asp Aspartato C Cys Cisteína Q Gln Glutamina E Glu Ácido glutámico G Gly Glicina H His Histidina I Ile Isoleucina L Leu Leucina K Lys Lisina M Met Metionina F Phe Fenilalanina P Pro Prolina S Ser Serina T Thr Treonina W Trp Triptófano Y Tyr Tirosina V Val Valina

75


76

US MP FMH S eminario de B iolog ía Celular Celular y Molecula Molecularr 2016 2016 S olucionario

•

•

•

Las proteínas residentes de RE solubles, tales como BiP, también contienen una breve señal de recuperación de RE en su extremo C-terminal, pero es diferente: se compone de una Lys-Asp-Glu-Leu o una secuencia similar. Si esta señal (llamada la secuencia KDEL) se elimina de BiP por ingeniería genética, la proteína es secretada lentamente de la célula. Si la señal se transfiere a una proteína que normalmente se secreta, la proteína será devuelta ahora de manera eficiente al RE donde se acumulará. La vía de la recuperación recuperación KDEL explica sólo sólo en parte parte cómo se mantienen mantienen las proteínas residentes del RE en el RE. Como se mencionó, las células que expresan las proteínas residentes modificadas genéticamente del RE, donde la secuencia KDEL se ha eliminado experimentalmente, secretan estas proteínas. Pero la tasa de secreción es mucho más lenta que para una proteína secretora normal. Parece que que un mecanismo que es independiente de la señal KDEL normalmente normalmente retiene las proteínas residentes RE y que sólo las proteínas residentes que escapan a este mecanismo de retención son capturadas y se devuelve a través del receptor KDEL. La vía vía de recuperación para regresar regresar proteínas proteínas escapadas escapadas de nuevo nuevo al RE depende de las señales de recuperación de RE. Las proteínas de membrana RE residentes, por ejemplo, contienen señales que se unen directamente a cubiertas COPI y por lo tanto se empaquetan en vesículas de transporte COPI recubiertos para la entrega retrógrada de RE. La señal de recuperación mejor caracterizada de este tipo consta de dos lisinas, seguido de cualquier otros dos aminoácidos, en el extremo Cterminal de la proteína de membrana del RE. (Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Sixth Edition, 2015)

4. ¿Cómo son dirigidas dirigidas las proteínas recién recién sintetizadas a determinados determinados compartimentos subcelulares específicos? Averigüe: ¿cómo una proteína después de su síntesis en los polirribosomas llega al interior de la matriz mitocondrial.? La señal de selección en una proteína es un tramo continuo de secuencia de aminoácidos, típicamente de 15-60 aminoácidos de longitud. Esta secuencia señal es a menudo (pero no siempre) retirada de la proteína sintetizada una vez que ha sido clasificada.

77


Las secuencias señal son necesarias y suficientes para dirigir una proteína a un determinado destino.

Las proteínas precursoras mitocondriales se despliegan durante la importación (A) Una mitocondria tiene una membrana exterior e interior, ambas deben ser cruzadas por una proteína precursora mitocondrial mitocondrial para entrar en la organela organela (B) Para iniciar el transporte, transporte, la secuencia de señal mitocondrial en una proteína precursora mitocondrial es reconocida por un receptor en la membrana mitocondrial externa. Este receptor se asocia con una proteína translocadora. El complejo receptor, proteína precursora, y translocador difunde lateralmente en la membrana externa hasta que encuentre una segunda proteína translocadora en la membrana interna Los dos traslocadores transportan la proteína a través de ambas membranas (exterior e interior), la proteína es deplegada en el proceso. La secuencia señal se escinde finalmente por una peptidasa señal en la matriz mitocondrial. Las proteínas son importadas en cloroplastos por un mecanismo similar. Las proteínas chaperonas ayudan a tirar de la proteína a través de las membranas y ayudan a que se repliegue y no es mostrada en el gráfico. (Essential cell biology / Bruce Alberts [and seven others]. -- Fourth edition. 2014).

5. ¿Qué determina la especificidad especificidad de la interacción interacción entre una vesícula vesícula de transporte y el compartimento de la membrana con la que se va a fundir? ¿Cómo son las proteínas SNARE involucrados en el proceso de fusión de membranas? 78


•

•

• •

•

•

• •

Una vez vez que que una vesícula de transporte transporte ha alcanzado su objetivo, objetivo, debe debe reconocer reconocer y acoplarse con su organela específica. Sólo entonces puede fusionarse la membrana de la vesícula con la membrana diana y efectuar la descarga vesicular. La impresionante impresionante especificidad del transporte transporte vesicular sugiere sugiere que que cada tipo de vesícula de transporte en la célula muestra marcadores moleculares en la superficie que identifican la vesícula según su origen y la carga. Estos marcadores deben ser reconocidos por los receptores complementarios en la membrana memb rana diana apropiada, incluyendo la membrana plasmática. El proceso de identificación identificación depende de una diversa familia de GTPasas GTPasas monoméricas llamadas proteínas Rab. Las proteínas Rab específicas específicas sobre la superficie superficie de cada tipo de vesícula vesícula son reconocidas por las correspondientes proteínas de anclaje en la superficie citosólica de la membrana diana. Cada organela organela y cada tipo de vesícula de transporte transporte lleva lleva una combinación única de proteínas Rab, que sirven como marcadores moleculares para cada tipo de membrana. El sistema de codificación Rab y la inmovilización de las proteínas ayudan a garantizar que las vesículas de transporte se fusionen sólo con la membrana correcta. El reconocimiento reconocimiento adicional es proporcionado proporcionado por una familia de proteínas proteínas transmembrana llamadas SNAREs Una vez que la proteína de anclaje ha capturado una vesícula tomando su proteína Rab, SNAREs en la vesícula ((llamado llamado vSNARE) interactuan con SNAREs complementarias en la membrana diana (llamado tSNARE), acoplando firmemente la vesícula en su lugar. Una vez vez que que una vesícula de transporte transporte se se ha fijado a su membrana membrana destino, libera libera su carga después de la fusión de membranas. La fusión de membranas membranas requiere atraer atraer las bicapas a menos menos de 1,5 nanómetros, nanómetros, una al lado de la otra, para que puedan fusionarse. Cuando las membranas están en tan estrecha aposición, los lípidos pueden fluir desde una bicapa a la otra. (Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Sixth Edition, 2015)

79


80

SEMANA 10 SEMINARIO II-2 MOLÉCULAS DE RELACIÓN CELULAR

1. Señala las funciones de cada una de las estructuras mencionadas en la siguiente tabla relacionando las características estructurales de la molécula y la función que cumplen: Unión celular Tight junction (unión

estrecha, zonulae occludens )

Estructura molecular

(señale la organización de los componentes)

• •

•

•

•

•

•

Principales proteínas transmembrana: claudinas. Las claudinas son esenciales para la formación y función de las uniones estrechas. La claudina, es la más importante para el montaje y la estructura de las cadenas de cierre. La ocludina es una proteína relacionada que tiene el papel menos crítico para determinar la permeabilidad de las Tight junction (TJ) Ocludina y claudina están presentes juntas dentro las fibrillas lineales de un TJ Los extremos amino y carboxilo de estas proteínas están en el lado citoplásmico de la membrana, donde interactúan con grandes proteínas de andamiaje que organizan los filamentos de sellado y enlazan la unión estrecha con el citoesqueleto de actina. Al menos 24 claudinas diferentes han sido identificados, y las diferencias en la distribución de estas proteínas pueden explicar las diferencias selectivas en la permeabilidad de las TJ.

Función / ej. tejido Las uniones estrechas (TJ) se encuentran en el extremo apical del complejo de unión entre las células epiteliales adyacentes. Mantiene las células estrechamente untas cerca de la membrana apical, sellando el espacio entre las células y previniendo así el escape de moléculas a través del epitelio. Las uniones estrechas también están presentes entre las células endoteliales que recubren las paredes de los capilares. Estas uniones son particularmente evidentes en el cerebro donde ayudan a formar la barrera hematoencefálica, que impide el paso de sustancias desde el torrente sanguíneo al cerebro.


Un modelo de una unión estrecha (tight junction). (A) Filamentos que mantienen el sellado de membranas plasmáticas adyacentes. Los hilos están compuestos de proteínas transmembrana que hacen contacto a través del espacio intercelular y crean un sello. (B) La composición molecular de una cadena de sellado. Los principales componentes extracelulares de la unión estrecha son miembros de una familia de proteínas con cuatro dominios transmembrana. Una de estas proteínas, claudina, claudina, es el más importante para el m ontaje y la estructura de las hebras de sellado, mientras que la proteína relacionada ocludina ocludina tiene el papel menos crítico de la determinación de permeabilidad de las uniones. Los dos extremos de estas proteínas están en el lado citoplasmático de la membrana, donde interactúan con grandes proteínas de andamiaje que organizan las hebras de sellado y enlazan la unión estrecha con el citoesqueleto de actina. (Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Sixth Edition, 2015)

Unión celular



Función / ej. tejido

82


Conexinas Proteínas de las uniones de • hendidura predominantes en los (unión de vertebrados, con 21 isoformas hendidura, unión en humanos. comunicante) Proteínas transmembrana de • cuatro pasos, seis de las cuales se ensamblan para formar una hemicanal o conexón.

Gap junction

Conexón • Cuando los conexones en las membranas plasmáticas de dos células en contacto están alineadas, forman un canal acuoso continuo que conecta los dos interiores celulares. • Una unión comunicante se compone de muchos pares de dichos conexones en paralelo, formando una especie de tamiz molecular. • Gap junctions en diferentes tejidos pueden tener diferentes propiedades, ya que se forman a partir de diferentes combinaciones de conexinas, creando canales que difieren en la permeabilidad y la regulación. La mayoría de los tipos celulares expresan más de un tipo de conexina, y dos proteínas conexinas diferentes pueden ensamblar en una conexón heteromérico, con sus propias propiedades distintas. Además, las células adyacentes que expresan diferentes conexinas pueden formar canales intercelulares en el que los dos hemiconexones alineados son diferentes

Cerca del extremo basal de las células están las uniones que forman canales, que crean conductos que unen los citoplasmas de las células adyacentes. Permite el paso de pequeñas moléculas solubles en agua de célula a célula. Las Gap junctions tienen un poro de aproximadamente 1,4 m, lo que permite el intercambio de iones inorgánicos y otras moléculas pequeñas solubles en agua, pero no de macromoléculas tales como proteínas o ácidos nucleicos. El cierre del canal está probablemente provocado principalmente por la fosforilación de las subunidades de conexina. El cierre también puede ser provocado por cambios en el de voltaje a través de la unión o por concentraciones anormalmente alta de Ca+2 citosólicos. Este acoplamiento eléctrico a través de las uniones comunicantes tiene un propósito evidente en los tejidos que contienen células eléctricamente excitables: los potenciales de acción pueden propagarse rápidamente de una célula a otra, sin el retraso que se produce en las sinapsis químicas. En los vertebrados, el acoplamiento eléctrico a través de uniones comunicantes sincroniza las contracciones de células musculares del corazón, así como los de las células musculares lisas responsables de los movimientos peristálticos del intestino.

83


Uniones gap. (A) Un dibujo de las membranas plasmáticas de interacción de dos células adyacentes conectadas por uniones comunicantes. Cada bicapa lipídica se muestra como un par de láminas rojas. Proteínas de ensamblaje denominadas conexones (verde), cada uno de los cuales está formado por seis subunidades de conexinas, que penetran en las bicapas lipídicas yuxtapuestas. Dos conexones se unen a través del espacio intercelular para formar un canal acuoso continuo que conecta l as dos células. (B) La organización de conexinas en conexones y de los conexones en canales intercelulares. Los conexones pueden ser canales homoméricos o heteroméricos, y los canales intercelulares puede ser homotipicos o heterotıpicos.

(C) La estructura de alta resolución de un canal de hendidura homomérico, determinado por cristalografía de rayos X de la conexina humana. En esta vista, estamos mirando hacia abajo en el por o, formado a partir de seis subunidades de conexina. La estructura ilustra las características generales del ca nal y sugiere un tamaño de poro de aproximadamente 1,4 m, como se predijo a partir de estudios de permeabilidad GAPunión con moléculas de varios tamaños. (Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Sixth Edition, 2015)

84


Unión celular




85


Desmosoma Es una unión de anclaje célula a célula

•

•

•

•

Proteína de adhesión transmembrana: cadherinas no clásicas (desmogleina, desmocollina) Ligando extracelular: Desmogleina y desmocolina en la célula cercana Acoplamiento al citoesqueleto intracelular: filamentos intermedios Proteínas adaptadoras intracelulares: Plakoglobina (γ-catenina), plakofilina, desmoplakina

Desmosomas son estructuralmente similares a las uniones adherentes, pero contienen cadherinas especializadas que enlazan con filamentos intermedios en lugar de los filamentos de actina. Su función principal es proporcionar resistencia mecánica. Conecta filamentos intermedios en una célula a los de la siguiente célula. Están presentes en los epitelios de los vertebrados maduros y son particularmente abundantes en los tejidos que están sujetos a altos niveles de estrés mecánico, tales como músculo cardíaco y la epidermis, el epitelio que forma la capa externa de la piel. Funcionan como estructuras adhesivas y como complejos Ancla filamentos intermedios de una célula a la matriz de transducción de señal. extracelular de

Unión celular




86


Hemidesmosoma

•

Es una unión de anclaje célula a matriz extracelular

•

•

•

Proteína de adhesión: α6β4 Integrina, colágeno tipo XVII Ligando extracelular: proteínas de la matriz extracelular. Acoplamiento al citoesqueleto intracelular: filamentos intermedios Proteínas adaptadoras intracelulares: Plectin, BP230

Ancla filamentos intermedios de una célula a la matriz extracelular. Proporcionan estabilidad estructural a los epitelios. Se encuentran en la superficie basal de células epiteliales, donde se enlazan la matriz extracelular a la red de filamentos intermedios por medio de receptores transmembrana.

Los hemidesmosomas se conectan con la membrana basal, que consta de la lámina basal y una red de fibras de colágeno. (Lewin’s cells. — 3rd — 3rd ed. 2015)

Unión celular




87


Adherens junction (unión adherente) Es una unión de anclaje célula a célula

•

•

•

•

Proteína de adhesión transmembrana: cadherinas clásicas Ligando extracelular: cadherina clásica en célula cercana Acoplamiento al citoesqueleto intracelular: microfilamentos Proteínas adaptadoras intracelulares: α-catenin,

Conecta haz de filamentos de actina en una célula con la siguiente célula Desempeñan una función importante durante el desarrollo al controlar la fuerza de adhesión célula a célula y al proporcionar un mecanismo para el reconocimiento célula a célula específico.

βcatenin, plakoglobin

(γcatenin), p120-catenin, vinculin

88


89


2. Se requiere una fuerza de unos 20 piconewtons (pN) para tirar de una proteína transmembrana como P-selectina de una bicapa lipídica pura. Para tirar de una molécula de P-selectina fuera de la membrana plasmática se requiere más de 110 pN. ¿Por qué crees que se necesita mucha más fuerza para tirar de P-selectina fuera de la membrana plasmática que fuera de una bicapa lipídica? CONSIDERACIONES PREVIAS:

90


• Las selectinas comprenden una familia de glicoproteínas integrales de membrana

•

•

que reconocen y se unen a una disposición particular de azúcares en los oligosacáridos que se proyectan desde las superficies de otras células. El nombre de esta clase de receptores de la superficie celular se deriva deriva de la palabra "lectina", un término general para un compuesto que se une a los grupos de hidratos de carbono específicos. Las selectinas selectinas poseen poseen un pequeño pequeño dominio citoplasmático, un solo solo dominio dominio que abarca la membrana, y un segmento extracelular grande que consta de un número de módulos separados, incluyendo un dominio más externo que actúa como la lectina.

Existen tres selectinas conocidas: • E-selectina, presente en las células endoteliales activadas; • P-selectina, presente en las plaquetas y células endoteliales que se han activado localmente por una respuesta inflamatoria; • L-selectina, presente en los leucocitos. •

• •

Las tres selectinas reconocen reconocen una agrupación agrupación particular de azúcares azúcares que se encuentran en los extremos de las cadenas de carbohidratos de algunas glicoproteínas complejas. La unión unión de selectinas selectinas a sus ligandos de carbohidratos requiere calcio. La fuerza adicional requerida requerida para remover remover la P-selectina de la membrana membrana plasmática refleja su adhesión a otras proteínas en el lado citoplásmico de la membrana.

¿POR QUÉ CREES QUE SE NECESITA MUCHA MÁS FUERZA PARA TIRAR DE PSELECTINA FUERA DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA QUE FUERA DE UNA BICAPA LIPÍDICA? • •

Para eliminar la P-selectina de una una bicapa se requiere solamente superar superar las interacciones hidrofóbicas con los lípidos de la bicapa. Para removerla removerla de la membrana membrana plasmática plasmática se se requiere, requiere, además, además, que todos todos los enlaces en el lado citoplasmáticos sean rotos. (En caso que se pregunte: se necesita una fuerza de 10.000 pN para romper r omper un enlace carbono-carbono.)

91


En general, todas las proteínas transmembrana interactúan mediante su dominio citosólico con moléculas localizadas en el citosol, especialmente con proteínas del citoesqueleto. Esta interacción incrementa incremen ta la unión de la proteína transmembrana t ransmembrana a la membrana celular de tal modo que su extracción requerirá el ejercer una mayor fuerza. En el caso específico de la selectina P, el extremo carboxiloterminal de la proteína interactúa con proteínas de anclaje a filamentos de actina.

92


Una ilustración de la detención rodante de las selectinas. Recuadro: un modelo de organización estructural de selectinas y unión de un ligando de leucocito. (Lewin’s cells. — 3rd — 3rd ed. 2015)

3. Contraste los papeles del colágeno y proteoglicanos en e l espacio extracelular. COLÁGENO colágenos comprenden comprenden una familia de glicoproteínas fibrosas que están • Los colágenos presentes sólo en las matrices extracelulares. colágenos se encuentran encuentran en todo el el reino animal y se caracterizan caracterizan por su alta alta • Los colágenos resistencia a la tracción, es decir, su resistencia a las fuerzas de tracción. Se estima que una fibra de colágeno de 1 mm de diámetro es capaz de suspender un peso de 10 kg (22 libras) sin romperse. colágeno es la proteína más abundante abundante en el cuerpo humano (que (que constituye constituye • El colágeno más de 25 por ciento de todas las proteínas). colágeno es producido principalmente por los fibroblastos, las células que se • El colágeno encuentran en varios tipos de tejidos conectivos, y también por células de músculo liso y células epiteliales. colágeno humano. humano. Cada tipo de • Se han identificado 27 tipos diferentes de colágeno colágeno está restringido a determinados lugares dentro del cuerpo, pero dos o más tipos diferentes a menudo están presentes juntos en la misma matriz extracelular. colágeno son son trímeros trímeros compuestos compuestos por tres cadenas cadenas de • Todas las moléculas de colágeno polipéptidos, denominadas α-cadenas. longitud, las tres cadenas cadenas de polipéptidos polipéptidos de una molécula molécula de • En una parte de su longitud, colágeno se enrollan uno alrededor del otro formando una única estructura triple hélice. cadenas de las moléculas moléculas de colágeno contienen grandes grandes cantidades cantidades de de • Las cadenas prolina, y muchos de los residuos de prolina (y lisina) son hidroxilados después de la síntesis del polipéptido. Los aminoácidos hidroxilados son importantes en el mantenimiento de la estabilidad de la triple hélice mediante la formación de enlaces de hidrógeno entre las cadenas componentes. 93


PROTEOGLICANOS • Las membranas basales y otras matrices extracelulares suelen contener grandes cantidades de un tipo distintivo de complejo proteína-polisacárido llamado proteoglicano. proteoglicano consiste consiste en una molécula molécula de proteína núcleo núcleo a la que las • Un proteoglicano cadenas de glicosaminoglicanos (GAGs) se unen covalentemente. Cada cadena de glicosaminoglicano se compone de un disacárido de repetición; es decir, que tiene la estructura -ABABA-, donde A y B representan dos azúcares diferentes. Los GAGs son muy ácidos debido a la presencia de ambos grupos sulfato y carboxilo unidos a los anillos de azúcar. negativas presentes en los GAGs sulfatados, sulfatados, los • Debido a las cargas negativas proteoglicanos se unen un gran número de cationes, que a su vez se unen un gran número de moléculas de agua. resultado, los proteoglicanos forman un gel poroso, poroso, hidratado hidratado que llena el • Como resultado, espacio extracelular como material de embalaje y resistente a las fuerzas de aplastamiento (compresión). propiedad complementa complementa la la de las moléculas moléculas de colágeno colágeno adyacentes, adyacentes, que • Esta propiedad resisten fuerzas de tracción y proporcionan un andamio para los proteoglicanos. Juntos, colágenos y proteoglicanos ofrecen al cartílago y a otras matrices extracelulares fuerza y resistencia a la deformación. hueso además se compone de colágeno colágeno y • La matriz extracelular del hueso proteoglicanos, pero se endurece mediante impregnación con sales de fosfato de calcio.

Resumen de estructuras de proteoglucano. proteoglucano. Todos los proteoglucanos proteoglucanos tienen cadenas GAG fijas a una proteína central. Los proteoglucanos son secretados o están fijos a membranas celulares mediante un dominio central que abarca la membrana o por medio de un ancla glucosilfosfatidilinositol glucosilfosfatidilinositol fija a la proteína central. (Lewin’s cells. — 3rd — 3rd ed. 2015)

94


Los GAG se clasifican de acuerdo con el tipo de disacárido repetitivo que contienen. Los grupos sulfato están añadidos en las posiciones puestas de relieve en los disacáridos. (Lewin’s cells. — 3rd — 3rd ed. 2015)

95


¿CÓMO LA FIBRONECTINA EMBRIONARIO? • •

Y

LAMININA

CONTRIBUYEN

AL

DESARROLLO

El desarrollo se caracteriza caracteriza por las olas de migración migración celular durante la cual diferentes células siguen diferentes rutas de una parte del embrión a otro. La migración de células células es guiada por proteínas, tales como la fibronectina, contenidas dentro del paisaje molecular a través de la cual pasan. o Por ejemplo, las células de la cresta neural, que migran fuera del sistema nervioso en desarrollo a prácticamente todas las partes del embrión, atraviesan vías ricas en fibrillas compuestas de moléculas de fibronectina fib ronectina interconectadas. 96


•

•

•

• •

Las lamininas lamininas son son una familia de glicoproteínas extracelulares que constan de tres tres cadenas polipeptídicas diferentes unidos por enlaces disulfuro y organizados en una molécula semejante a una cruz con tres tr es brazos cortos y un brazo largo. o Al menos 15 diferentes lamininas han sido identificadas. Al igual igual que que la fibronectina, la laminina laminina extracelular extracelular puede influenciar gran medida el potencial de una célula para la migración, mi gración, el crecimiento y la diferenciación. Por ejemplo, las lamininas desempeñan un papel fundamental en la migración de células germinales primordiales. Estas células se encuentran en el saco vitelino, vitelino, que se encuentra encuentra fuera fuera del propio embrión, y luego migran a través del torrente sanguíneo de los tejidos y embriones a la gónada en desarrollo, donde finalmente dan lugar a los espermatozoides o los óvulos. Durante su migración, las células germinales primordiales atraviesan superficies que son particularmente ricas en laminina. Los estudios indican que las células germinales primordiales poseen una proteína de la superficie celular que se adhiere fuertemente a una de las subunidades de la molécula de laminina

97


98


Fibronectina

Un modelo del andamio de la membrana basal. Las membranas basales contienen dos moléculas formando una red, de colágeno IV (rosa), y laminina (verde), que está indicado por las moléculas en forma de cruz engrosadas. Las redes de colágeno y lamininas están conectadas por moléculas de entactina (púrpura)

4. Explique qué sucede a nivel molecular cuando un leucocito migra desde el interior de un vaso sanguíneo hacia el espacio intercelular. •

•

•

Los leucocitos dejan el espacio vascular a través través de los siguientes eventos: eventos: o Marginación y rodamiento o Adhesión y transmigración transmigración o Quimiotaxis y activación Las citocinas citocinas liberadas liberadas por lesión activan activan las células endoteliales endoteliales de las vénulas e inducen la expresión superficial de P-selectina, la cual interactúa con glicoproteínas leucocitarias (PSGL-1 ++). Como resultado resultado de dicha interacción los leucocitos leucocitos ruedan a lo largo del endotelio endotelio formando uniones en el frente de avance y rompiéndolas en la retaguardia. 99


•

La L-selectina expresada en la superficie de los leucocitos y la E-selectina expresada por las células endoteliales activadas participan también en el proceso de rodamiento a través de la l a interacción con otros ligandos glicosilados.

100


101

SEMANA 12 SEMINARIO II-3 RECEPCIÓN CELULAR. MECANISMOS MOLECULARES.

1. Las células se comunican de maneras que se se asemejan a la comunicación humana. Decida cuál de las siguientes formas de comunicación humana son análogas a la comunicación autocrina, paracrina, endocrina, y la señalización sináptica de las células, explique: a. Una conversación telefónica. b. Hablar con personas durante una fiesta. c. Un anuncio en la radio. d. Hablar consigo mismo Las células pueden detectar señales tanto químicas como físicas. Las señales físicas por lo general se convierten en señales químicas a nivel del receptor Comunicación

Autocrina

Comunicación humana Hablar consigo mismo

Paracrina

Hablar con personas durante una fiesta

Endocrina

Un anuncio en la radio

Señalización Una conversación sináptica telefónica

Explicación La célula que produce el mensaje expresa receptores en su superficie capaces de responder a ese mensajero. En algunos casos, las células pueden responder a los mediadores locales que ellas mismos producen. En consecuencia, las células que liberan el m ensaje se estimularán (o inhibirán) a sí mismas Las moléculas mensajeras viajan sólo distancias cortas a través del espacio extracelular a las células cé lulas que se encuentran en las proximidades de la célula que genera el mensaje. En lugar de entrar en el torrente sanguíneo, las moléculas de señal difunden localmente a través del fluido extracelular, que queda en la vecindad de la célula que la secreta. Actúan como mediadores locales en las células cercanas. Muchas de las moléculas señal que regulan la inflamación en el sitio de una infección o el control de la proliferación celular en la curación de heridas funcionan de esta manera. Las moléculas mensajeras paracrinas generalmente están limitadas en su capacidad para viajar por todo el cuerpo, ya que son inherentemente inestables, o son degradados por las enzimas, o se unen a la matriz extracelular. Las moléculas mensajeras alcanzan sus células diana por medio del paso a través del torrente sanguíneo. Los mensajeros endocrinos también se denominan hormonas, y por lo general actúan sobre sob re las células diana localizadas en sitios distantes en el cuerpo Las moléculas de señalización extracelular utilizadas de esta manera se denominan hormonas, y, en los animales, las células que producen hormonas se llaman células endocrinas. En los organismos multicelulares, el estilo más "público" de la comunicación de célula a célula implica im plica transmitir la señal a lo largo de todo el cuerpo mediante la secreción en el torrente sanguíneo de un animal o la savia de la planta. Al igual que las células endocrinas, las células nerviosas (neuronas) pueden transmitir mensajes a través de largas distancias.

US MP FMH S eminari eminari o de B iolog ía Celular Celular y Molecula Molecularr 2016 2016 S olucionario

En el caso de la señalización neuronal, un mensaje no se difunde ampliamente, pero en su lugar se entrega rápida y específicamente a las células diana individuales a través de líneas privadas (nervios). Para conseguir una mayor rapidez de propagación el axón está envuelto por una capa “aislante”, la vaina de mielina, mielina, que facilita que la velocidad del impulso nervioso alcance los 120 m/s. En el extremo del axón neuronal la vaina desaparece y el sinapsis, una hendidura impulso eléctrico se encuentra con la sinapsis, que debe salvar para pasar o no a la siguiente célula. Al llegar el impulso eléctrico al final del axón, estimula la liberación a la hendidura sináptica de las sustancias químicas elaboradas en el interior de la neurona, llamadas neurotransmisores, neurotransmisores , que son las que contienen la “información” que trasmite la neurona. Existen diferentes tipos de neurotransmisores y cada neurona está especializada en sintetizar un determinado tipo. (Essential cell biology / Bruce Alberts [and seven others]. -- Fourth edition. 2014). (Células. Lewin. 2da edición.2012) (Cell and Molecular Biology. Concepts and Experiments. Experiments. Gerald Karp. 7th edition. 2013) (https://neuropediatra.org/20 (https://neuropediatra.org/2014/06/04/sinapsis14/06/04/sinapsisneuronal/)

(Cell and Molecular Molecular Biology Concepts and Experiments Experiments Gerald Karp 7th edition, 2013). 2013).


103


2. ¿Qué entiende por transducción transducción de la señal? Señale ejemplos. ejemplos. Transducción de señal celular: blancos • Proceso de detectar estímulos externos y transmitir la información inherente a blancos intracelulares. información transportada por moléculas moléculas mensajeras mensajeras • El proceso global en el que la información extracelulares se traduce en cambios que ocurren dentro de una célula se conoce como la transducción de señales. •

Las señales señales transmitidas transmitidas a lo largo de las vías de señalización en última instancia llegan a proteínas diana que participan en procesos celulares básicos.

•

Dependiendo del tipo de célula y el mensaje, la respuesta iniciada por por la proteína diana puede implicar un cambio en la expresión génica, una alteración de la actividad de las enzimas metabólicas, una reconfiguración del citoesqueleto, un aumento o disminución en la movilidad celular, un cambio en permeabilidad a los iones, la activación de la síntesis de ADN, o incluso la muerte de la célula. Prácticamente todas todas las actividades donde participa una célula está regulado regulado por señales que se originan en la superficie celular.

•

•

Ejemplos: Receptores acoplados a proteínas G (GPCR) o Una gran familia de receptores que contienen siete α-hélices transmembrana. o Promueven la activación de proteínas de unión a GRTP heterotriméricas llamadas proteínas G, que se asocian con la cara interna de la membrana plasmática y transmiten señales hacia múltiples proteínas intracelulares.

(http://1.bp.blogspot.com/-PK7YlKuJEoA/Un5ZLygSjrI/AAAAAAAAHhc/gh4DfstAndc/s1600/%25C3%259Cbersicht+GPCR+Liganden.png

)

104


(http://4.bp http://4.bp.blogspot.co .blogspot.com/-zfuM9lBDo4Y/ m/-zfuM9lBDo4Y/UHLVdZ7mSgI UHLVdZ7mSgI/AAAAAAAA /AAAAAAAAC5Y/7RP7gs C5Y/7RP7gsvuDgs/s1600/% vuDgs/s1600/%C3%9Cbersicht+Eff C3%9Cbersicht+Effekt+G%C2%B ekt+G%C2%B4Proteine.jpg 4Proteine.jpg )

http://www.nature.com/nrc/journal/v7/n2/images/nrc2069-f1.jpg

105




106


•

Receptor de proteínas tirosina quinasas (RTK) o Representan una segunda clase de receptores que han evolucionado para traducir la presencia de moléculas mensajeras extracelulares en cambios en el interior de la célula. o Usualmente son dímeros dímeros de proteínas que que abarcan abarcan la membrana una una sola vez, que fosforilan sus sustratos intracelulares y, así, cambian la forma de las proteínas blanco y la función de las mismas. Las proteína cinasas a menudo contienen contienen dominios dominios de interacción interacción con o proteína que organizan complejos de proteínas emisoras de señales sobre la monocapa citosólica de la membrana celular.


(http://www.vi.cl/gepe/12-05.jpg)

107




108



•

• •

Otras enzimas enzimas que que atraviesan atraviesan una sola vez la membrana, como la guanil guanil ciclasa, ciclasa, tienen una estructura general similar a las proteína cinasas receptoras pero diferentes actividades enzimáticas. La adenil ciclasa cataliza cataliza la conversión de ATP en 3´:5´-AMT cíclico, cíclico, que se usa usa para propagar la señal. La guanil guanil ciclasa ciclasa cataliza cataliza la conversión de GTP en 3´:5´-GMT cíclico, que se se usa usa para propagar la señal.

109


•

Fosfoproteína fosfatasas o Revierten el efecto de las proteína cinasas al eliminar los grupos fosforilo añadidos por estas últimas.

110


•

Canales activados por ligando o Representan una tercera clase de receptores de superficie celular que se unen a ligandos extracelulares. o Las subunidades cambian su conformación y su orientación relativa para permitir el flujo iónico a través de un poro central.

•

Receptores de hormonas esteroides o Funcionan como factores de transcripción regulados por ligando. Las hormonas hormonas esteroides esteroides difunden a través de la membrana plasmática plasmática y se o unen a sus receptores, que están presentes en el citoplasma. o La unión de la hormona produce un cambio conformacional que hace que el complejo hormona-receptor se mueva hacia el núcleo y se una a los elementos presentes en los promotores o potenciadores de genes sensibles a hormonas. Esta interacción da lugar a un aumento aumento o disminución en la tasa de o transcripción del gen.

111


Existe una serie de otros tipos de receptores que actúan por mecanismos únicos. Algunos de estos receptores, por ejemplo, los receptores de célula célula B o T que están implicadas en la respuesta a antígenos extraños, se asocian con moléculas de señalización conocidas como las proteína-tirosina quinasas citoplasmáticas. 3. ¿Cómo el uso de una cascada cascada de reacción resulta resulta en la amplificación de una señal? señal? ¿Cómo aumenta las posibilidades de regulación metabólica?

112


• • •

•

Los receptores rara vez vez actúan de manera directa directa sobre los procesos procesos intracelulares que finalmente regulan. Los receptores receptores inician inician una secuencia de eventos eventos reguladores reguladores que comprenden proteínas intermediarias y moléculas pequeñas. El uso de vías de emisión de señales señales de múltiples pasos pasos permite a las células amplificar señales, ajustar la cinética de emisión de señales, insertar puntos de control, integrar señales múltiples, y mandar señales a distintos efectores. Las vías vías ramificadas otorgan a las células la capacidad capacidad para para integrar múltiples señales entrantes, y dirigir información hacia los puntos de control correctos. La ramificación puede ser convergente, con regulación de puntos terminales comunes por señales múltiples, o divergente, con ramificación de una vía única para controlar más de un proceso.

(Células. Lewin. 2da edición.2012)

•

•

Las moléculas señalizadoras intracelulares de gran gran tamaño son son proteínas señalizadoras intracelulares, que participan en la liberación de la señal dentro de la célula generando pequeños mediadores intracelulares o activando la proteína señalizadora o efectora siguiente de la vía. Estas proteínas proteínas forman forman una red funcional funcional en la que cada proteína proteína colabora colabora en el procesamiento de la señal de una u otra de las siguientes maneras, de forma que difunden la influencia de la señal por toda la célula.


113


114


•

• • • • •

•

•

•

Las entradas entradas de estas estas redes son son los receptores que captan las señales señales del exterior exterior y que suelen tener un dominio extracelular, un dominio transmembrana y un dominio intracelular. Estos receptores pueden unir moléculas moléculas específicas llamadas ligandos solubles o interactuar con otros receptores de membrana de otras células. Muchos receptores al unir su ligando cambian cambian la conformación de su porción intracelular que se activa. Esta activación activación puede realizar un cambio cambio químico específico específico (frecuentemente fosforilación) sobre alguna proteína intracelular. Una vez vez fosforilada la la proteína, proteína, ésta ésta tiene capacidad para modificar (fosforilar) a otras proteínas que a su vez modifican a otras y así sucesivamente. Estas cascadas cascadas de señalización señalización se entrecruzan entrecruzan unas con con otras dibujando unas complejas redes que son capaces de integrar la información de los estímulos y estados externos e internos. En estas cascadas de señalización señalización se suele suele producir un proceso proceso de de amplificación amplificación de la señal ya que cada elemento activa a más de uno, y según avanzamos de nivel puede haber más elementos involucrados. Para limitar en el tiempo la acción de la señal señal y preparar la red para detectar nuevos estímulos se necesita que actúen las fosfatasas que retiran el fósforo de las quinasas inactivándolas. Un fino equilibrio entre entre la acción de de quinasas y fosfatasas fosfatasas es clave en las redes de fosforilación. ( http://medmol.es/temas/70/ ) )

•

•

•

Las células diana pueden utilizar una gran gran variedad de mecanismos intracelulares, incluyendo los circuitos de retroalimentación, para ajustar la forma en la que responden a señales extracelulares. Los circuitos circuitos de retroalimentación positiva pueden ayudar a la célula a responder responder de forma todo o nada a un incremento gradual en la concentración de una señal extracelular o a convertir una señal de corta duración en una respuesta de larga duración o incluso irreversible. La retroalimentación retroalimentación negativa retrasada permite a la célula desensibilizarse desensibilizarse a una molécula señal, señal, lo cual cual posibilita responder responder a pequeñas variaciones de la concentración de la molécula señal en un amplio rango de concentraciones. (Molecular Biology Biology of the Cell / Bruce Alberts Alberts [et al.].-- 5th ed. 2008).

4. ¿Cuál es el mecanismo de la formación del segundo segundo mensajero Inositol tri-fosfato (IP 3)? ¿Cuál es la relación entre la formación de IP3 y una elevación de calcio intracelular? ¿Cómo es que la concentración calcio iónico (Ca +2) del citosol se mantiene a un nivel tan bajo? ¿Cómo afecta el cambio de concentración calcio iónico en respuesta a los estímulos? pequeñas moléculas mensajeras se producen cuando un fosfolípido inositol de • Dos pequeñas membrana es hidrolizado por la fosfolipasa C activada. inositol 1,4,5-trifosfato 1,4,5-trifosfato (IP3) difunde a través través del citosol y desencadena la liberación liberación • El inositol +2 +2 de Ca desde el RE mediante la unión y la apertura de canales de Ca especiales en la membrana del RE.

115


• •

•

El gran gradiente electroquímico para Ca+2 a través de esta membrana hace que el Ca+2 salga precipitadamente del RE hacia el citosol. El diacilglicerol diacilglicerol permanece en la membrana plasmática y, junto con con Ca+2, ayuda a activar la enzima proteína quinasa C (PKC), que es reclutada desde el citosol a la cara citosólica de la membrana plasmática. La PKC PKC fosforila su propio conjunto de proteínas intracelulares, propagando aún más la señal. Al comienzo de la vía, tanto la subunidad α y la subunidad βγ de la proteína

Gq T están implicados en la activación de la fosfolipasa C.



116


•

•

•

El Ca+2 tiene un papel muy importante y generalizado como un mensajero intracelular. Un aumento de la concentración citosólica de Ca +2 libre es provocada por muchos tipos de estímulos celulares, no sólo las que actúan a través de los GPCRs (Receptores acoplados a Proteína G). Cuando un espermatozoide espermatozoide fecunda fecunda un un óvulo, óvulo, por ejemplo, se abren canales de Ca +2, y el consiguiente aumento de Ca +2 citosólico activa al óvulo para empezar el desarrollo; para las células musculares, una señal nerviosa provoca un aumento de Ca+2 citosólico que inicia la contracción muscular; y en muchas células secretoras, incluyendo las células nerviosas, el Ca +2 desencadena la secreción. El Ca+2 estimula todas estas respuestas al unirse e influir en la actividad de diversas proteínas que responden al Ca +2 . (Essential cell biology / Bruce Alberts [and seven others]. -- Fourth edition. 2014).

117


(Cell and Molecular Biology Concepts and Experiments Experiments Gerald Karp Karp 7th edition, 2013).

(Cell and Molecular Biology Concepts and Experiments Experiments Gerald Karp Karp 7th edition, 2013).

118

US MP FMH S eminario eminario de B iolog ía Celular Celular y Molecula Molecularr 2016 2016 S olucionario

5. Los receptores nucleares nucleares tienen un sitio de unión para una una molécula señal y para una secuencia de ADN. ¿Cómo es posible que receptores nucleares idénticos en diferentes células puedan activar genes diferentes cuando se unen a una misma molécula señal? •

• •

•

•

Varias moléculas moléculas pequeñas e hidrofóbicas hidrofóbicas difunden difunden de forma directa directa a través de la membrana plasmática de las células diana y se unen a proteínas receptoras intracelulares que son proteínas reguladoras de genes. Estas moléculas señal incluyen las hormonas esteroideas, las hormonas tiroideas, los retinoides y la vitamina A. Las respuestas a las hormonas hormonas esteroideas esteroideas y tiroideas, tiroideas, a la vitamina vitamina D y a los retinoides están determinadas tanto por la naturaleza de la célula diana como por la naturaleza de la molécula señal. A pesar pesar de de que que diferentes diferentes tipos celulares tengan receptores intracelulares idénticos, el conjunto de genes que regula el receptor es diferente en cada tipo celular. Ello es debido a que generalmente, para que se active la transcripción de cada gen eucariota, es necesaria la unión de más de un tipo de proteína reguladora. Por ello, un receptor intracelular puede activar activar un gen gen sólo si se produce la combinación adecuada de otras proteínas reguladoras de la expresión génica, siendo algunas de ellas específicas del tipo celular. (Molecular Biology Biology of the Cell / Bruce Alberts [et al.].-- 5th ed. 2008).

•

•

•

•

Varias pequeñas, moléculas hidrofóbicas de señalización se difunden difunden directamente directamente a través de la membrana plasmática de las células diana y se unen a receptores intracelulares que son reguladores de la transcripción. Estas moléculas señal incluyen hormonas esteroideas, hormonas tiroideas, los retinoides, y vitamina D. Aunque difieren mucho entre sí, tanto en su estructura química y la función, todos actúan por un mecanismo similar. Se unen a sus sus respectivas respectivas proteínas receptoras receptoras intracelulares y alteran alteran la capacidad de estas proteínas para controlar la transcripción de genes específicos. Por lo tanto, estas proteínas sirven como receptores intracelulares y como efectores intracelulares para la señal. Todos los receptores están estructuralmente relacionados con la gran superfamilia de receptores nucleares. Muchos miembros de la familia han sido identificados por secuenciación del ADN solamente, y su ligando aún no se conoce; por lo tanto, se denominan como los receptores nucleares huérfanos, y constituyen grandes fracciones de los receptores nucleares codificados en los genomas de los seres humanos, Drosophila, y el nematodo C. elegans. Algunos receptores nucleares de mamíferos están regulados por metabolitos intracelulares más que por moléculas de señalización secretadas; los receptores de proliferación de peroxisoma activados (PPARs), por ejemplo, se unen a metabolitos de lípidos intracelulares y regulan la transcripción de genes implicados en el metabolismo de los lípidos y la diferenciación dif erenciación de células adipososas. Es probable que los receptores nucleares de hormonas evolucionaron a partir de tales receptores de metabolitos intracelulares, lo que ayudaría a explicar su localización intracelular. Todos los receptores nucleares se unen a secuencias secuencias específicas de ADN adyacentes a los genes que el ligando regula. Algunos de los receptores, tales como los de cortisol, se localizan principalmente en el citosol y entrar en el núcleo sólo después de la unión al ligando; otros, tales como los receptores tiroideos y los receptores de retinoides, se unen al ADN en el núcleo, incluso en ausencia de ligando. En cualquier 119


•

caso, los receptores inactivos están generalmente ligados a complejos de proteínas inhibidoras. La unión del ligando altera la conformación de la proteína del receptor, haciendo que el complejo inhibidor se disocie, mientras que también hace que el receptor se una a las proteínas coactivadoras que estimulan la transcripción de genes. En otros casos, casos, sin embargo, la unión del ligando al receptor nuclear nuclear inhibe la transcripción: algunos receptores de hormonas tiroideas, por ejemplo, actúan como activadores transcripcionales en ausencia de la hormona y se convierten en su represores transcripcionales cuando se une la hormona. (Molecular Biology of The Cell. Bruce Alberts. Sixth Edition, 2015)

120



121

US MP FMH S eminario eminario de B iolog ía Celular Celular y Molecula Molecularr 2016 2016 S olucionario

122

BIOLOGÍA SEMINARIO - USMP ( Semana 1-12) - 2018

Recommend Documents