Biologia Celular

BIOLOGIA CELULAR GRADO EN MEDICINA

ZHAO HUI CHEN MARTA MEDIERO LAURA VERDE GRUPO 1A

LECCIÓN 2: MEMBRANAS CELULARES DEFINICIÓN Las membranas celulares son cruciales para la vida. Una membrana biológica es un complejo molecular organizado que delimita una unidad estructural y funcional. Por ello, la primera función de las membranas biológicas es delimitar células y compartimentos intracelulares. La más importante es la membrana plasmática.

MEMBRANA PLASMÁTICA La membrana plasmática es una bicapa lipídica que envuelve la célula, definiendo sus límites y manteniendo las diferencias esenciales entre su contenido y el entorno. Dentro de la célula eucariota, las membranas del retículo endoplasmático, del aparato de Golgi, de las mitocondrias, y de otros orgánulos delimitados por membrana, mantienen las diferencias características entre el contenido de cada orgánulo y el citosol. Sin embargo, gracias a los gradientes iónicos que se establecen a través de las membranas, generadas por la actividad de proteínas de membrana especializadas, pueden ser utilizadas para diversas funciones.

1. COMPOSICIÓN QUÍMICA

2. FUNCIONES

1

1.1.

FOSFOLÍPIDOS

Constituyen el 50% de la masa de la mayoría de las membranas. 1.1.1. ESTRUCTURA MOLECULAR

Todas las moléculas lipídicas de las membranas son anfipáticas (anfifílicas), es decir, un extremo hidrofílico (atraído por el agua) o polar y un extremo hidrofóbico (huye del agua) o apolar. Tienen una cabeza polar y dos colas hidrocarbonadas hidrofóbicas. Las colas suelen ser ácidos grasos. Suelen presentar uno o más dobles enlaces cis (insaturados) y otra suele ser saturada. Los dobles enlaces cis provocan curvatura en la cadena. Las diferencias de longitud y el grado de saturación afectan al empaquetamiento de los fosfolípidos y, por tanto, a la fluidez de la membrana. 1.1.2. TIPOS

Los principales son los fosfoglicéridos. Tienen como esqueleto el glicerol (tiene tres átomos de carbono). Dos ácidos grasos están unidos por enlaces éster a dos átomos adyacentes del glicerol; el tercer átomo está unido a un grupo fosfato. El glicerol con dos ácidos grasos y el grupo fosfato se llama ácido fosfatídico. El fosfato está unido a uno de los tres tipos de cabeza de aminoalcohol: serina, colina o etanolamina; o polialcohol: glicerol o inositol.

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De los esfingolípidos que forman parte de la membrana los más importantes son las esfingomielinas. Están formados a partir de esfingosina en lugar de glicerol. La esfingosina es una larga cadena acilo con un grupo amino ( y dos grupos hidroxilo (OH) en un extremo de la molécula. El ácido graso se une al grupo amino y se forma la ceramida. En la esfingomielina, un grupo fosfocolina se une a un grupo OH, quedando libre el grupo OH unido al átomo de carbono con la larga cadena. 1.1.3. FORMACIÓN MICELAS, AUTOSELLADO Y AUTOENSAMBLAJE

La forma y la naturaleza anfipática de las moléculas de fosfolípido hace que formen espontáneamente bicapas lipídicas en un entorno acuoso. Además, esta bicapa lipídica se dispone como una micela si se produce de manera natural, en caso de ser artificial se llama liposoma. Las regiones hidrofóbicas e hidrofílicas de las moléculas lipídicas tienen un comportamiento especial. Los lípidos se agregan de manera que sus colas hidrofóbicas se escandan en el interior y sus cabezas hidrófilas quedan expuestas al agua. La estructura cerrada es estable porque evita que la exposición al agua de las colas hidrofóbicas, que podría ser energéticamente desfavorable. Las moléculas lipídicas tienen la propiedad de autosellado. Cuando se crea una pequeña rotura de la bicapa queda un extremo libre en contacto con el agua; los lípidos tienden a reorganizarse de forma espontánea y eliminan este extremo libre energéticamente desfavorable. De manera que reocupan ese agujero. El autoensamblaje deriva de ello, de manera que la micela de bicapa lipídica se forma espontáneamente por las propiedades de los lípidos. 1.1.4. MOVILIDAD

 Flip-flop: cuando un fosfolípido pasa o migra de un lado a otro de la bicapa ( 1 vez/ mes). Es un movimiento energéticamente desfavorable y necesita de la proteína flipasa.  Difusión lateral: cuando un fosfolípido intercambia su lugar con el de una molécula vecina dentro de la misma capa o lado.  Rotación: las moléculas lipídicas pueden girar alrededor de sus ejes longitudinales.  Flexión: las cadenas hidrocarbonadas son flexibles.

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1.1.5. ASIMETRÍA DE LA MEMBRANA

Los principales fosfoglicéridos de membrana son:

El principal esfingolípido es la esfingomielina que es neutro. Una de las principales características de los fosfolípidos es su localización que da lugar a una asimetría de la membrana porque debido al carácter ácido o neutro se colocan mayoritariamente en la cara interna o externa: Excepto la fosfatidilserina que sólo es interna, ya que si presenta también en la cara externa, sería señal de muerte celular (por ejemplo).

1.2.

COLESTEROL

El colesterol es un esterol. Es un lípido esteroide. Su estructura básica es el esterano o ciclopentanoperhidrofenantreno (anillo esteroideo). En la molécula de colesterol se puede distinguir una cabeza polar constituida por el grupo hidroxilo y una cola apolar formada por el carbociclo y los sustituyentes alifáticos. POLARIDAD

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Se encuentra en pequeña cantidad en las membranas, regulando su fluidez. Es un componente celular que proporciona estabilidad a la membrana, pero un exceso puede provocar una menor fluidez. 1.3.

GLICOLÍPIDOS

Sólo se presentan en la cara externa de la membrana celular. Es un componente fundamental del glicocálix. El glicolípido más importante glicosilfosfatidinositol (GPI).

de

la

membrana

es

el

Existen dos tipos de glicolípidos: -Cerebrósidos: el glúcido unido al lípido es un monosacárido. -Gangliósidos: el glúcido unido es un oligosacárido. Los glicolípidos/glucolípidos son moléculas que interaccionan con el entorno. Como normalmente, el entorno externo es acuoso son capaces de establecer puentes o interacciones de hidrógeno, no son puentes de hidrógeno en sí, pero semejantes. En realidad, son asociaciones –H-H-. 1.4.

FLUIDEZ DE MEMBRANA

La temperatura de transición es la temperatura a la cual se produce la transición entre un estado de gel y un estado fluido. La fluidez de la membrana depende:  Saturación y longitud de ácidos grasos. Una menor longitud de las cadenas reduce la tendencia de las colas a interaccionar entre sí y los dobles enlaces cis (insaturación) producen pliegues que dificultan su empaquetamiento. Cuanto más largos y saturados, menos fluidez.  Cantidad de colesterol. El colesterol estabiliza la estructura. Por lo que, generalmente, a mayor cantidad de colesterol, mayor cantidad de estabilidad y menor será la fluidez.  Ambiente iónico. Niveles iónicos altos ( ) disminuyen la fluidez.  Temperatura. A mayor temperatura, mayor fluidez. 1.4.1. MODELOS DE MEMBRANA

 1902 OVERTON. Planteó que la membrana estaba formada por una delgada capa lipídica, basándose en las observaciones indirectas que determinaban que los compuestos liposolubles pasaban fácilmente a través de ella. 5

 1925 GORTER Y GRENDEL. Propusieron que las membranas de las células están formadas por una capa doble de fosfolípidos. Experimento: aislaron los fosfolípidos de una cantidad conocida de glóbulos rojos y los colocaron sobre la superficie del agua, de manera que formaron una capa y midieron el área. Encontraron que el área era el doble del de las células. Por ello, llegaran a la conclusión de bicapa.  1935 DAWSON Y DANIELLI. Propusieron que la bicapa lipídica estaba rodeada de una capa de proteínas. Para que se produjeran los intercambios, explicaron la existencia de poros.  1959 ROBERTSON. Formuló el concepto de unidad de membrana, que sugiere que todas las membranas son iguales, tanto las plasmáticas como las citoplasmáticas. Sin embargo, hay componentes singulares n las diferentes membranas.  1962 STOCKENIUS. Comprobó que todas las membranas celulares tienen una estructura trilaminar.  1965 BANGHAN. Estudió la membrana por ultramicroscopía y por criofractura.  1972 SINGER Y NICOLSON. Propusieron el modelo del mosaico fluido, el aceptado actualmente. La estructura estudiada se basa en este modelo. 1.5.

PROTEÍNAS

La proporción de las proteínas con los lípidos es de

de 100.

1.5.1. CLASIFICACIÓN

A) Proteínas periféricas: están unidas por enlaces no covalentes con otras proteínas de membrana. Se liberan fácilmente de su unión. B) Proteínas transmembrana: son aquellas que atraviesan la bicapa. Son anfipáticas, ya que tienen regiones hidrofóbicas que se sitúan en el interior y se relacionan con las colas hidrofóbicas y regiones hidrofílicas que se hallan expuestas al medio acuoso de ambos lados de la membrana. C) Proteínas que interaccionan con la bicapa mediante uniones covalentes con los lípidos:  Unión mediante glicosilfosfatidinositol (GPI). Sólo presente en la cara externa.  Unión mediante ácido graso. Sólo presente en la cara interna.  Unión mediante grupos prenilo. Sólo presente en la cara interna. D) Proteínas que penetran parcialmente en la bicapa lipídica. Porque presentan regiones hidrofílicas que se asocian a una d las caras, externa o interna.

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B) Las proteínas transmembranales pueden atravesar la membrana en forma de una sola hélice α (paso único), como varias hélices (de paso múltiple) o como una lámina β enrollada (paso único).

1.5.2. UNIONES PROTEICAS (PROTEÍNAS-PRODUCTO DE PASO)

 Poros de membrana: pueden disponerse como una hélice α.  Enlace covalente: paso lento.  Enlace iónico: paso rápido. 1.5.3. MOVIMIENTOS

 No experimentan flip-flop.  Difusión rotacional: hay proteínas que pueden rotar alrededor de un eje perpendicular a la membrana.  Difusión lateral: cuando las proteínas se trasladan lateralmente.  Ligandos multivalentes: son las sustancias que van a ser transportadas y que tienen más de una zona de unión.  Formación de caperuzas: una vez formados los agregados en la superficie de una célula capaz de moverse, son trasladados activamente a uno de los polos celulares, formando una caperuza.  Formación de patch/patching/agrupamientos: cuando los ligandos multivalentes se unen a proteínas específicas de la superficie celular, las proteínas tienden a agregarse, mediante enlaces cruzados, formando grandes grupos o patches, lo cual indica que las proteínas son capaces de desplazarse lateralmente por la bicapa.  La velocidad de difusión varía según la proteína pero generalmente es de una décima o céntima parte de la velocidad que alcanzan los fosfolípidos. 1.5.4. FUNCIONES

Transportadores: participan en el transporte de sustancias entre la cara externa e interna de la membrana. Receptores de señales. Endocitosis: proceso celular por el que la célula introduce moléculas grandes o partículas y lo hace invaginando la membrana plasmática. En las vesículas de endocitosis pueden verse en ocasiones una serie de proteínas (clatrinas). De adhesión. Facilitan la unión entre células y de células a tejidos. 7

1.5.5. DISTRIBUCIÓN DIFERENTE

La membrana plasmática presenta una asimetría y es muy importante para su funcionalidad. Esta asimetría se debe a: Composición lipídica específica de cada hemimembrana. Glicosilación de los lípidos y proteínas de la cara externa. Orientación específica de dominios de las proteínas transmembrana. Proteínas localizadas específicamente en una de las dos caras de la membrana. 1.5.6. DOMINIOS

Los dominios celulares son zonas de la célula como, por ejemplo, el dominio apical se refiere al extremo superior de la célula. Los dominios presentes en la membrana son:  Dominios de alto rango: un dominio de gran tamaño especializado en una función.  Microdominios: son pequeños dominios: ♥ Dominios especializados en una función. ♥ Bolsas lipídicas: regiones con alta proporción de lípidos que restringen el movimiento de lípidos y proteínas. ♥ Multímeros de moléculas receptoras: muchas moléculas receptoras en una zona para recibir multitud de señales. Aumenta la respuesta. 1.6. SÍNTESIS DE LÍPIDOS Y PROTEÍNAS ♂ REL (Retículo endoplasmático liso): síntesis de lípidos.

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♂ RER (Retículo endoplasmático rugoso): síntesis

de lípidos y proteínas. En el RER, hay translocasas que son proteínas integrales que forman un canal para que las proteínas en formación entren en la cisterna del RER. ♂ Aparato de Golgi: maduración de lípidos y proteínas. ♂ Todo este proceso tiene lugar por la vía de la secreción constitutiva: las moléculas se secretan en forma automática, la producción de proteínas es continuada y el producto se descarga apenas es elaborado. 1.7.

GLICOCÁLIX

El glicocálix es un conjunto de cadenas de carbohidratos (glúcidos) unidos a las proteínas y lípidos de la cara externa membranal, por uniones covalentes. Estas cadenas pueden ser: ♀ Glucoproteínas y proteoglicanos secretados al exterior y colocados periféricamente; ♀ Proteoglicanos integrales de membrana anclados por fosfatidinositol. ♀ Lectinas proteínas que se unen a carbohidratos exteriores. El glicocálix es la matriz extracelular formado por glucoproteínas y glucolípidos. 

FUNCIONES:  Protectora:

protege a la célula.  Reconocimiento: participa en el reconocimiento entre células.  Adhesión célula-célula (selectinas). Actúan como pegamento de unión entre las células.

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LECCIÓN 3: TRANSPORTE DE MEMBRANA

BARRERA  Eléctrica Polarización La membrana permite que se acumulen sustancias con diferentes cargas a un lado u otro de ella. Por lo que, al final, las cargas positivas se acumulan en la cara externa y las negativas en la cara interna. Por eso, se dice, que las células presentan polarización.  Mecánica Resistencia, elasticidad La membrana es una barrera que proporciona propiedades mecánicas tales como la resistencia y la elasticidad. Resistencia: capacidad para soportar tensiones sin alterar su estructura interna o romperse. Elasticidad: capacidad de recuperar la forma original tras desaparecer las fuerzas que lo deformaban.  Química Aislamiento de medios La membrana es una barrera física que aísla algunas sustancias, de forma que se encuentre la totalidad o casi la totalidad de dicha sustancia en un lado u otro de la membrana.

PERMEABILIDAD SELECTIVA (RELACIÓN) La membrana plasmática es una membrana semipermeable que permite el paso preferencial de ciertas sustancias presentes en una disolución frente a otras. GRADIENTE ELECTROQUÍMICO

El concepto de gradiente electroquímico es una suma de los conceptos de potencial eléctrico y potencial químico o de concentración. Básicamente indica cuál es la dirección en la que cambia más rápidamente la concentración y potencial eléctrico de una solución no homogénea; esto es que una sustancia se desplazará en la dirección de la más concentrada a la menos concentrada y desde donde hay mayor potencial eléctrico a menor potencial eléctrico.

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MECANISMO D TRANSPORTE  DIFUSIÓN SIMPLE O PASIVA

Es el paso de moléculas pequeñas hidrofóbicas apolares a través de la membrana a favor del gradiente de concentración, por lo que no comporta un gasto de energía. En este caso, las moléculas son capaces de atravesar la membrana sin necesidad de intermediarios.  DIFUSIÓN FACILITADA O ACTIVA Es el paso de pequeñas moléculas polares a través de la membrana a favor del gradiente electroquímico sin gasto de energía. En este caso, el tránsito es mediado por proteínas transportadoras: canales iónicos o permeasas.  Canales

iónicos.

Permiten un transporte rápido y selectivo ( ), a favor del gradiente de concentración. La apertura y cierre de estos canales está regulada por: -Voltaje (tensión eléctrica o diferencia de potencial). -Ligandos intracelulares o extracelulares. -Estimulación mecánica.

En las neuronas, la polarización y despolarización ocurre:

Existen otros tipos de canales como las porinas o las acuaporinas.  Permeasas. Son proteínas que transportan de forma altamente selectiva. Experimentan cambios conformacionales. Cuando transportan una sola sustancia a favor de gradiente electroquímico, se llama uniporte. Cuando se transportan dos sustancias se llama

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co-transporte, que puede ser simporte (cuando s transportan en el mismo sentido) o antiporte (cuando se transportan en sentidos apuestos).

 TRANSPORTE ACTIVO Consiste en el transporte de moléculas o sustancias a través de la membrana plasmática en contra de gradiente de concentración o electroquímico, por lo que supone un gasto de energía en forma de ATP. Tipos de transporte activo: -Directo: la proteína transportadora tiene acoplada una ATPasa, por lo que el aporte de energía se hace directamente. -Indirecto: en la entrada de una sustancia a favor de gradiente se acopla la entrada o salida de otra en contra de gradiente. Normalmente, estos dos transportes se complementan. Por transporte activo directo, se expulsa una molécula en contra de gradiente gastando ATP. Al ir en contra de gradiente, esta molécula tiende a volver al interior celular por otra proteína transportadora. En su entrada se acopla la entrada o salida de otra molécula en contra de gradiente y así continuamente. Además, existen bombas de proteínas que realicen el transporte activo.  Bombas tipo P (E1E2): transportan . Aparecen en la membrana plasmática y retículo endoplasmático (RE).

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 Bombas tipo V (ATPasas V0V1): transportan . Aparecen en el interior de orgánulos citoplasmáticos y en la membrana de osteclastos.  Bombas tipo F (ATPasas F0F1): Transportan . Aparecen a nivel de la membrana mitocondrial interna.  Transportadores ABC: transportan diferentes moléculas. Aparecen a nivel de membrana plasmática y retículo endoplasmático (RE).

El transporte de sustancias en la membrana tiene unas funciones a nivel celular y otras a nivel fisiológico general:

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LECCIÓN 4: COMUNICACIÓN Y ADAPTACIÓN CELULAR

1. COMUNICACIÓN CELULAR La comunicación celular consiste en que la célula sea capaz de reconocer el entorno, recibiendo señales del entorno o de otras células, y de ser capaz de producir respuestas a dichas señales. La comunicación celular asegura la adaptación de la célula que es importante para su supervivencia.

1.1.

UNICELULAR

Las células unicelulares necesitan de esta comunicación celular para: localizar nutrientes, diferenciar luz-oscuridad, detectar y eliminar tóxicos o depredadores y comunicarse con otras células.

1.2.

PLURICELULAR

La comunicación en las células pluricelulares es mucho más compleja y, por ello, necesita ser coordinadas. Porque son muchos los diferentes tipos de moléculas que transmiten información entre las células de los organismos pluricelulares. La comunicación participa en el desarrollo embriológico, permitiendo la posición correcta de las células, determinar la vida o muerte, influir en la determinación-diferenciación en las distintas células específicas y en la división. También influye en el crecimiento del organismo por regulación fisiológica y regulación dl comportamiento celular.

2. GENERALIDADES DE LAS SEÑALES CELULARES En la comunicación celular, normalmente una molécula de señalización, la señal, es secretada por una célula. Esta molécula se une a la célula diana por una proteína presente en su membrana, llamado receptor. Esto genera una cascada de señales hasta que la célula produce una respuesta.

En el proceso de comunicación celular, podemos diferenciar: o Puntos críticos: puntos o zonas en los que se produce el cambio en la forma de transmisión. 14

o Transducción de señal: se refiere al proceso de transformación. En la señalización celular se producen los siguientes procesos:   

Emisión de una señal por secreción. Recepción de señal. Transducción d señal.

3. MECANISMO BÁSICO DE SEÑALIZACIÓN (TRANSDUCCIÓN DE LA SEÑAL) Cuando las moléculas de señalización (ligandos) se unen a los receptores transmembranales (son proteínas transmembrana) de la célula diana, se produce la transducción de la señal. Esto activa una proteína, una serie de cambios y activación de genes. La activación de las proteínas puede dar lugar a dos consecuencias: 1. Se producen cambios en la fisiología celular y en la expresión genética. 2. Activa una cascada de señalización que amplifica la señal. Este proceso se puede ver favorecido por 2º mensajeros que se generan al producirse la unión ligando-receptor. Esta cascada genera también cambios en la fisiología celular y en la expresión génica. Entre los cambios en la fisiología celular, podemos mencionar: metabolismo, movimiento y forma, proliferación, supervivencia y diferenciación de la célula.

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4. TIPOS DE SEÑALIZACIÓN CÉLULA-CÉLULA 4.1.

SEÑALIZACIÓN ENDOCRINA Este tipo de señalización la realizan las células endocrinas que son un tipo de células especializadas en la señalización que controlan el comportamiento del organismo. Estas células secretan sus moléculas de señalización, las hormonas, al torrente sanguíneo, que transporta la señal hasta la célula diana. Por lo que, su acción es a distancia y puede actuar sobre una o varias poblaciones celulares.

4.2.

SEÑALIZACIÓN PARACRINA

Este tipo de señalización actúa localmente. Las células paracrinas secretan sus moléculas de señalización, mediadores locales variados, que actúan sobre células del ambiente inmediato a la célula señal. Estos mediadores locales actúan por difusión extracelular local. Su acción es variada (inflamación o cicatrización). Para que las señales paracrinas afecten solos a sus células dianas, es necesario que las moléculas señal secretadas no puedan difundir muy lejos; por esta razón generalmente son captadas rápidamente por las células diana vecinas, son destruidas por enzimas extracelulares o son inmovilizadas por la matriz extracelular.

4.3.

SEÑALIZACIÓN NEURONAL

Las neuronas tienen largas prolongaciones (axones) que entran en contacto con células diana alejadas. Cuando se activa por señales del ambiente o de otras células nerviosas, la neurona envía impulsos eléctricos rápidamente a lo largo de su axón; cuando uno de estos impulsos llega al extremo del axón, hace que las terminales nerviosas localizadas allí secreten una señal química denominado neurotransmisor. Estas señales se secretan en uniones celulares especializadas denominadas sinapsis químicas, las cuales están diseñadas de forma que aseguran que el neurotransmisor es liberado específicamente sobre la membrana postsináptica de la célula diana. Esta es la señalización sináptica.

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Lo que hay que destacar es que hay una comunicación rápida a grandes distancias, con línea privada. Las moléculas de señalización son neurotransmisores. Su acción es sobre células individuales.

4.4.

SEÑALIZACIÓN DE CONTACTO Esta señalización se produce por contacto directo entre moléculas de dos células contiguas. Esto es porque las moléculas señal permanecen unidas a la superficie de la célula señalizadora, influyendo sólo en las células con las que entran en contacto. Las moléculas de señal son proteínas transmembrana. Esta señalización dependiente de contacto es importante especialmente durante el desarrollo y respuestas inmunes. Su acción es sobre células adyacentes.

4.5.

SEÑALIZACIÓN AUTOCRINA

Las células también pueden enviar señales a otras células del mismo tipo, así como a ellas mismas. Esta es la señalización autocrina, una célula secreta moléculas señal que pueden unirse a receptores de la propia célula. Esto permite una autorregulación. La señalización autocrina es más efectiva cuando se lleva a cabo simultáneamente por varias células vecinas, por lo que se puede utilizar para estimular a grupos de células idénticas que tomen las mismas decisiones de desarrollo.

5. NATURALEZA DE LAS MOLÉCULAS DE SEÑALIZACIÓN 5.1.

HIDROFÓBICAS

Las moléculas hidrofóbicas son capaces de difundirse a través de la membrana plasmática. Interaccionan con sus receptores en el citosol o núcleo celular. El citosol, llamado hialoplasma, es el medio acuoso del citoplasma en el que se encuentran inmersos los orgánulos celulares. Afectan principalmente a la transcripción de genes específicos. Dentro de estas moléculas se incluyen: -

Hormonas esteroideas (cortisol, progesterona, estradiol y testosterona). Se sintetizan a partir de colesterol. Ácido retinoico. Tiroxina.

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Las moléculas hidrofóbicas, por lo general, tienden a mediar respuestas más duraderas ya que suelen persistir durante horas e incluso días en la sangre. Mientras que las hidrosolubles (hidrofílicas) intervienen en respuestas cortas porque se eliminan y/o degradan rápidamente en la sangre. Las moléculas hidrofóbicas se unen a proteínas intracelulares. Estos receptores tienen estructuras relacionadas entre sí y constituyen la superfamilia de receptores nucleares.

5.2.

HIDROFÍLICAS

Las moléculas hidrofílicas no pueden atravesar la membrana plasmática, por lo que se unen a receptores de superficie. Dentro de estas incluimos: -

Hormonas peptídicas (insulina, factores de crecimiento y glucagón). Pequeñas moléculas cargadas (epinefrina e histamina hormonas o neurotransmisores).

5.3.

LIPOFÍLICAS

Muchos tipos de lípidos sirven como moléculas señalizadoras y se unen a receptores de superficie celular. En este grupo incluimos a las prostaglandinas que son lípidos eicosanoides. Los eicosanoides se hidrolizan rápidamente, por lo que actúan localmente en vías de señalización autocrinas o paracrinas.

6. TIPOS DE MOLÉCULAS SEÑAL 6.1.

PARA RECEPTORES DE MEMBRANA

Las moléculas de señalización para receptores de membrana son las más numerosas. Estas moléculas son moléculas grandes hidrofílicas que no atraviesan las membranas. Al unirse a los receptores de membrana, es el receptor el que se encarga de transmitir el mensaje al interior a través de la membrana. Su mecanismo de acción puede ser lento o rápido.

6.2.

PARA RECEPTORES EN EL CITOPLASMA Las moléculas de señalización para receptores citoplasmáticos son menos numerosas. Estas moléculas son moléculas pequeñas hidrofóbicas que son capaces de atravesar la membrana. Su mecanismo de acción puede ser rápido o lento.

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6.3.

MECANISMO DE ACCIÓN

6.3.1. MECANISMO DE ACCIÓN LENTO

El mecanismo de acción lento puede llegar a durar minutos u horas. Moléculas que actúan por mecanismo lento son: hormonas esteroideas (cortisol, testosterona y estradiol) y hormonas tiroideas (tiroxina). Este mecanismo de acción suele ser utilizado para regular la expresión génica. Lo que ocurre es que la molécula señal atraviesa la membrana y se une al receptor proteico que cambia su forma secundaria. El receptor en el citoplasma sin estar unido a la señal no expone algunas secuencias de aminoácidos, pero al activarse muestra esas secuencias y entonces es capaz de migrar al núcleo por los poros nucleares. 6.3.2. MECANISMO DE ACCIÓN RÁPIDO

El mecanismo de acción rápido puede llegar a actuar en apenas unos segundos. Las moléculas que actúan por este mecanismo son: pequeñas moléculas no polares, hormonas peptídicas (insulina, factores de crecimiento y glucagón) y pequeñas moléculas cargadas (epinefrina e histamina). Este mecanismo de actuación suele provocar cambios en la forma y/o cambios en el trabajo celular. Por ejemplo, las células endotelias reciben señales de las terminaciones nerviosas, la proteína receptora hace que la célula produzca un producto que se difunde rápidamente y actúa provocando un cambio en el músculo. El mecanismo de acción rápido es aquel que provoca la respuesta sin necesidad de pasar al núcleo y de activas o desactivar la expresión de algunos genes. Mientras que el mecanismo de acción lento es aquel que provoca la respuesta pasando por el núcleo y activando o desactivando la expresión de algunos genes.

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7. TIPOS DE RECEPTORES TRANSMEMBRANA 7.1.

RECEPTORES ASOCIADOS A CANALES IÓNICOS

Los receptores asociados a canales iónicos participan principalmente en la rápida señalización sináptica entre células excitables eléctricamente. Este tipo de señalización está mediada por un pequeño número de neurotransmisores que abren o cierran transitoriamente un canal iónico formado por una proteína a la cual están unidos, alterando así brevemente la permeabilidad iónica de la membrana plasmática y modificando la excitabilidad de la célula postsináptica. Son homólogos entre sí.

7.2.

RECEPTORES ASOCIADOS A PROTEÍNAS G

Los receptores asociados a proteínas G actúan indirectamente regulando la actividad de una proteína diana ligada a la membrana plasmática, que puede ser una enzima o un canal iónico, y que está separada del receptor. La interacción entre el receptor y la proteína diana está mediada por una tercera proteína, llamada proteína trimérica de unión a GTP (proteína G). La activación de la proteína diana altera la concentración de uno o más mediadores intracelulare s o la permeabilida d iónica de la membrana.

7.3.

RECEPTORES ASOCIADOS A ENZIMAS

Cuando son activados por su ligando, los receptores asociados a enzimas actúan directamente como enzimas o están asociadas a enzimas. La mayoría de ellos son proteínas cuya estructura presenta un solo dominio transmembrana, con el lugar de unión al ligando en el exterior de la célula y el lugar catalítico en el interior.

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8. ¿CÓMO SE PUEDE REGULAR LA ACTIVACIÓN DE UNA PROTEÍNA?

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9. CARACTERÍSTICAS DE LA RELACIÓN SEÑAL-RECEPTOR 1.- La célula limita el número de señales que es capaz de recibir, fabricando un número limitado de receptores. Esto es necesario para evitar que la célula se sature. 2.- Distintos tipos celulares pueden presentar distintos receptores. 3.- Un mismo receptor puede aparecer en distintos tipos celulares. Diferentes células pueden responder de forma distinta a la misma molécula señal extracelular. 4.- Distintos complejos receptor-ligando pueden disparar la misma cascada de señalización. 5.- Una sola señal-receptor es capaz de desencadenar una cascada de transmisión intracelular una o múltiples respuestas. En consecuencia, se puede producir un cambio de forma, movimiento, metabolismo o expresión génica.

6.- Una misma señal puede interactuar con receptores diferentes originando respuestas diferentes. Por ejemplo, la acetilcolina puede actuar sobre una célula muscular cardíaca, célula salivar o célula muscular esquelética.

7.- La respuesta a una señal puede ser una nueva señal extracelular que actúe sobre otra población celular.

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8.- Varias señales externas pueden actuar juntas sobre una sola célula. La respuesta celular es diferente a la esperada como suma de respuestas a cada señal. Se produce una interacción de señales de transmisión intracelular y la célula se encarga de modular las respuestas. Por ejemplo, en una célula embrionaria puede:

9.- Un número pequeño de señales puede ser utilizado en combinaciones diferentes para controlar de manera compleja el comportamiento celular.

10.

ELABORACIÓN DE LA RESPUESTA

1. Primero se tiene que reconocer la señal por el receptor. Se producirá la primera

transducción que generará una señal intracelular. 2. Se producirá una o varias transducciones múltiples en las que se generan moléculas señalizadoras intracelulares. 3. Finalmente, al producirse la última transducción se generará la respuesta.

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11. FUNCIONS DE LAS MOLÉCULAS DE TRANSDUCCIÓN INTRACELULAR 1. Transferencia física de la señal. 2. Transformación molecular de la señal. La proteína transductora convierte la señal en una forma diferente. 3. Amplificación de la señal recibida. 4. Distribución de la señal recibida.  Paralelo: una señal genera diferentes señales que llevan a provocar la misma respuesta.  Divergente: una señal genera diferentes señales que provoca distintas respuestas. 5. Modulación: la propia modulación forma parte del título.

12.

SEÑALIZACIÓN INTRACELULAR

Las señales son recibidas por los receptores, tanto los asociados a las proteínas G como los asociados a enzimas. Estos receptores pueden activar dos tipos de moléculas:  Moléculas de pequeño tamaño (GMPc, AMPc y ).  Moléculas de gran tamaño (proteínas). Estas pueden actuar como interruptores químicos o bien como mensajeros. Los interruptores químicos pueden:  Depender de fosforilación: En este caso, la proteína se activa fosforilándola con un fósforo del ATP (este pasa a ser ADP), pero no se une al ATP. Así una vez activado, se produce la salida de la señal, desfosforilándose la proteína (es decir, perdiendo el fósforo del ATP que lo cedió) y así vuelve a su forma inactiva.  Depender d proteínas de unión a GTP: Ente caso, la proteína inactiva está unido a un GDP. Para activarla, el GDP se separa y se une un GTP a la proteína. De esta forma se activa la proteína. Una vez se produce la salida de señal, se desfosforila el GTP convirtiéndose en GDP e inactivándose la proteína. Generalmente, estas proteínas causan la fosforilación de otras proteínas, generando una cascada de fosforilaciones.

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13.

RECEPTORES INTRACELULARES

Los receptores intracelulares son capaces de detectar las siguientes señales hidrofóbicas: glucocorticoides, mineralocorticoides, esteroides sexuales, hormonas tiroideas, derivados del retinol y la vitamina D.

14.

FENÓMENO DE ADAPTACIÓN

Normalmente, cuando las células y los organismos responden a algún estímulo, pueden detectar el mismo porcentaje de variación de la señal en una gama muy amplia de intensidades de estímulo. A nivel celular, esto requiere que las células diana sufran un proceso de adaptación o de sensibilización, mediante el cual su respuesta va disminuyendo cuando se halla expuesta a un estímulo durante un período prolongado de tiempo. A) A menudo, después de que una hormona o factor de crecimiento se haya unido a su receptor, son ingeridos por la célula por endocitosis mediada por receptor y liberados a los endosomas. La mayoría de los receptores descargan su ligando en el ambiente ácido de los endosomas y se reciclan de nuevo hacia la membrana, mientras que el ligando es transferido a los lisosomas y es degradado. B) En ocasiones, las proteínas receptoras no se liberan de su ligando y acaban en los lisosomas, donde son degradados con el ligando. Estos mecanismos se conocen como regulación por disminución del número de receptores (receptor down-regulation).

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C) Frecuentemente en la adaptación de la célula diana participa, además de la lenta regulación por disminución del número de receptores, una rápida fosforilación del receptor inducida por el ligando. D) Se conocen casos en los que la adaptación de la célula diana se produce por modificación de una proteína G trimérica. Esto hace que se inhiban otras acciones subsecuentes disminuyendo la actividad. E) En ocasiones la desensibilización se puede provocar por la producción de un inhibidor que bloquea el proceso de transmisión.

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LECCIÓN 5: ENDOCITOSIS

La endocitosis es un proceso de captación e incorporación intracelular de sustancias o partículas extracelulares. En este proceso, la membrana plasmática se invagina, luego se estrangula formándose así la vesícula endocítica que contiene el material o partículas ingeridas. Existen dos tipos de endocitosis: pinocitosis, implica la ingestión de fluidos y de solutos vía pequeñas vesículas (es decir, “la acción celular de beber”); fagocitosis (“la acción celular de comer”) es la ingestión de grandes partículas mediante grandes vesículas llamadas fagosomas.

1. VÍAS ENDOCÍTICAS O RUTAS ENDOSOMALES Las vesículas endocíticas pueden tener destinos diferentes:

1) Reciclaje. 2) Degradación para la digestión o utilización de sus materiales. 3) Transcitosis, que es el proceso de transporte de sustancias de un dominio a otro de la célula.

Para explicar las vías endocíticas, vamos a describir el proceso general: Primero se tiene que producir el reconocimiento de los ligandos que se incorporan al citoplasma por vesículas endocíticas. Estas vesículas se dirigen hacia los endosomas tempranos. Los endosomas tempranos forman un compartimento que actúa como la estación principal de clasificación en la ruta endocítica. En el ambiente ácido del endosoma primario, muchos receptores internalizados cambian su conformación y liberan su ligando. Después, los receptores serán reciclados, es decir, volverán a la membrana plasmática por vesículas de reciclado. Algunos científicos consideran que existe un endosoma de reciclado aparte del endosoma temprano.

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El endosoma temprano clasifica los productos según su función y los envía a sus correspondientes destinos. Además, en los endosomas tempranos se producen vesículas de transporte que contienen sustancias que se transportarán a un dominio celular (es decir, el proceso de transcitosis). Aparte, del endosoma temprano también se producen cuerpos multivesiculares que contienen las sustancias que serán degradadas. Los cuerpos multivesiculares se desplazan por el citoplasma por las proteínas de microtúbulos para llegar finalmente al endosoma tardío. El endosoma tardío es un conjunto de cisternas a las que llegan productos para el estudio o la degradación. De la red transgolgi (aparato d Golgi) se envían vesículas al endosoma tardío con las enzimas inactivas. Así una vez, los materiales endocitados que llegan a los endosomas tardíos se mezclan con hidrolasas lisosómicas. Así los endosomas tardíos se convierten en lisosomas secundarios o fagolisosomas. Estos lisosomas se encargan de llevar a cabo la digestión celular. Del endosoma tardío salen otras vesículas hacia el aparato de Golgi, de forma que se renuevan proteínas. Una vez producida la digestión celular, el lisosoma secundario forma un lisosoma terciario conocido como cuerpo residual, en el que quedan los restos metabólicos que la célula no puede utilizar. Estos cuerpos residuales se pueden exocitar y en otros no. Un ejemplo, es que al no exocitarse pueden aparecer los llamados gránulos de lipofucsina que aparecen en las neuronas. Los exoxomas son vesículas que se expulsan al exterior. Los cuerpos residuales pueden indicar el nivel de salud y edad del individuo. Los cuerpos residuales ocupan sitio y ello puede provocar menor movilidad muscular. A

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mayor cantidad de gránulos de lipofucsina (cuerpos residuales), más viejas son las neuronas.

2. SEÑALIZACIÓN ENTRE MEMBRANAS ENDOSOMALES Para asegurar la llegada de las vesículas de endocitosis a sus correspondientes zonas, en este caso, primero a los endosomas tempranos también debe producirse una comunicación intracelular y de reconocimiento. Para ello, la vesícula de endocitosis presenta en su membrana dos tipos de proteínas: proteínas Rab (se encuentra unida a la membrana por el exterior) y las proteínas vSNARE (están en contacto con el interior de la membrana del vesículo de endocitosis, atraviesa la membrana y en contacto con el citosol). Por otro lado, los endosomas tempranos presentan unas proteínas capaces de reconocer estas proteínas. Primero se reconocen las proteínas Rab y luego la proteína v-SNARE es reconocida por una proteína t-SNARE. Las proteínas v-SNARE y t-SNARE tiran de la v-SNARE hasta que la vesícula se fusiona con el endosoma temprano.

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Una vez producida la fusión, como el endosoma temprano presenta un medio más ácido se libera el ligando y la proteína receptora se localiza en una zona donde se acumula. Una vez acumulados, los receptores vuelven a la membrana plasmática. En el endosoma tardío no se produce el reconocimiento de las proteínas Rab y las proteínas v-SNARE y esto es porque no posee estas proteínas de reconocimiento. Así se evita que las vesículas de endocitosis se fusionen con el endosoma tardío antes de pasar por el endosoma temprano.

3. TIPOS DE ENDOCITOSIS Existen dos tipos de endocitosis:

3.1.

PINOCITOSIS

Es la ingestión de fluidos y moléculas de diferentes tamaños por pequeñas vesículas pinocíticas que son vesículas pinocíticas. A su vez, hay varios tipos de pinocitosis:    

Pinocitosis dependiente de clatrina (100-150nm) Pinocitosis mediada por caveolinas Potocitosis (50-90nm) Pinocitosis independiente de clatrina y caveolas ( Macropinocitosis (0,5-5nm)

3.2.

FAGOCITOSIS

Es la ingestión de partículas de gran tamaño formándose vesículas de gran tamaño, las vesículas de fagocitosis se llaman fagosomas.

4. FUNCIONES DE LA ENDOCITOSIS

30

-

Además, participa en los fenómenos de adaptación celular ya que participa en procesos de secuestro de receptores para desensibilizar a la célula.

5. TIPOS DE PINOCITOSIS 5.1.

ENDOCITOSIS DE VESÍCULAS REVESTIDAS DE CLATRINA

Una vez que se reconoce el ligando, esto actúa como una señal que moviliza a la clatrina hacia la zona del receptor. A su vez, cuando se acerca la clatrina se produce también una localización de los receptores en esa zona mayor. Esto permite aumentar la eficacia. Así se va formando una vesícula endosómica. La vesícula se separa de la membrana porque la proteína dinamina estrangula la zona de unión. Esta vesícula interioriza en el citosol y pierde el revestimiento de clatrina. Las vesículas de endocitosis que se forman así se llaman vesículas revestidas de clatrina. Cerca de la membrana hay una mayor concentración de calcio y eso genera una afinidad por el ligando. Sin embargo, cerca o mejor dicho más interior del citosol, la concentración de calcio es menor eso hace que las clatrinas pierdan su afinidad y se separen de la vesícula.

5.2.

ENDOCITOSIS DE VESÍCULAS REVESTIDAS DE CAVEOLINA

Además de las vesículas de clatrina, existe un mecanismo mediante los cuales las células pueden formar vesículas de pinocitosis. Una de estas vías se inicia en la caveolas, reconocidas originalmente por su capacidad para transportar moléculas a través de las células endoteliales, que forman la superficie interna de los vasos sanguíneos. La proteína estructural mayoritaria es la caveolina, una proteína integral de membrana de paso múltiple de una familia heterogénea de proteínas. Las caveolas son capaces de invaginarse y concentrar proteínas de transporte gracias a la composición lipídica de la membrana caveolar.

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Este tipo de endocitosis se llama potocitosis. La potocitosis suele generarse en las balsas lipídicas por acción de las caveolinas. Las balsas se invaginan como si fuera por gemación de la membrana. Además, las caveolinas evitan la fusión prematura, es decir, mantienen a la vesícula unida a la membrana para evitar su fusión prematura con los endosomas tempranos. El desplazamiento de las vesículas se produce por interacción con los microtúbulos. Sigue siendo un misterio cómo el material endocitado mediante vesículas derivadas de caveolas puede alcanzar tantos destinos diferentes en el interior de la célula. Por potocitosis se incorporan componentes de membrana, colesterol, ácido fílico, albúmina, toxinas y virus. Además, se puede producir la Transcitosis.

5.3.

PINOCITOSIS INDEPENDIENTE DE CLATRINA Y CAVEOLINA

Es una endocitosis persistente con bloqueo de clatrina y caveolina. Es un tipo de endocitosis indiscriminada de distintos componentes de membrana plasmática. Este tipo de endocitosis es para la compensación de tasa, es decir, equilibra las cantidades de moléculas de la membrana para la realización de cada función. Además, es una forma de controlar la relación entre el volumen y la superficie celular. Se desconoce cuál es el mecanismo de selección de moléculas. Tampoco se conoce si se trata de un proceso regulado o no. Estas vesículas que se forman se dirigen a los endosomas tempranos.

5.4.

MACROPINOCITOSIS

Consiste en la incorporación de grandes cantidades de fluido extracelular. Se produce una evaginación de la superficie celular a modo de ola, formándose así macropinosomas. Para la evaginación de la superficie participan filamentos de actina y miosina. La macropinocitosis permite una renovación de la membrana plasmática y, además, constituye un mecanismo de defensa de bacterias.

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6. RECICLAJE VS DEGRADACIÓN EN LA ENDOCITOSIS MEDIADA POR RECEPTOR 6.1.

RECEPTOR RECICLADO Y LIGANDO DEGRADADO

La mayor parte del colesterol se transporta en la sangre unido a proteínas, formando unas partículas conocidas como lipoproteínas de baja densidad (LDL). Cuando la célula necesita colesterol para la síntesis de membranas, produce proteínas receptoras de LDL y las inserta en su membrana plasmática. Una vez en la membrana, los receptores de LDL se difunden hasta asociarse con depresiones revestidas de clatrina que se hallan en proceso de formación. Dado que las depresiones revestidas se separan constantemente de la membrana formando vesículas revestidas, cualquier partícula de LDL que se halle unida a los receptores en las depresiones revestidas es rápidamente internalizada. Después de desprenderse de su cubierta de clatrina, las vesículas de endocitosis liberan su contenido en los endosomas tempranos. Una vez dentro, los receptores se separan del LDL. Los receptores se reciclan retornando a la membrana, mientras que los LDL son hidrolizados dando lugar a colesterol libre.

6.2.

RECEPTOR Y LIGANDOS RECICLADOS

El receptor de transferrina sigue una ruta de reciclaje y también su ligando. La transferrina es una proteína soluble que transporta el hierro en la sangre. El receptor de la transferrina de la superficie descarga la transferrina, con el hierro unido, en los endosomas tempranos en procesos de endocitosis mediada por receptor. La transferrina libera el hierro en los endosomas tempranos. Las transferrinas libres de hierro (apotransferrinas) permanecen unidas a su receptor. El complejo receptorapotransferrina es reciclado.

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6.3.

RECEPTOR Y LIGANDO DEGRADADOS

El EGF (factor de crecimiento epidérmico) es una proteína de señalización extracelular pequeña que estimula la división de las células de la epidermis y de otros tipos celulares. A diferencia de los receptores LDL, estos receptores únicamente se acumulan en depresiones revestidas después de haber unido EGF y la mayoría no se reciclan sino que son degradados en los lisosomas junto con el EGF captado.

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6.4.

TRANSCITOSIS

7. FAGOCITOSIS La fagocitosis es una forma especial de endocitosis en la que se ingieren grandes partículas, tales como microrganismos y células muertas, a través de grandes vesículas d endocitosis llamados fagosomas.

7.1.

QUIMIOTAXIS

La quimiotaxis es la propiedad de desplazamiento celular en una dirección determinada, siguiendo un gradiente de concentración química. Los factores quimiotácticos (que producen la quimiotaxis) son: péptidos (en humanos, el complemento C5, en bacterias péptidos formilados), citotoxinas bacterianas, mediadores de la inflamación (leucocitos, células tumorales y células infectadas por virus) y proteínas desnaturalizadas (albúmina, inmunoglobulina G, surfactante pulmonar). Los inhibidores de la quimiotaxis son: -

Bacterianos Humanos Químicos

proteasas (ASLO) MIF (factor inhibidor de la migración) Hidrocortisona y ácido acetilsalicílico 35

7.2.

OPSONIZACIÓN

La opsonización es la unión de la membrana a la partícula para englobarla con pseudópodos. Para ello, se utilizan receptores móviles en fase fluida. Existen dos tipos de receptores:  Inmunológicos (Receptores Fe-Ig, receptores linfocinas y receptores -IFN).  No inmunológicos (Receptores hormonas y receptores proteínas (transferrina, CGF y lipoproteínas)). La opsonización se puede inhibir debido a la falta de ligando a por poca movilidad de receptores.

7.3.

INTERIORIZACIÓN Consiste en el cierre de pseudópodos sobre la partícula por mecanismo de cremallera, para ello recibe una señal para la puesta en marcha de:

 Contracción de filamentos de actina y miosina (inhibición con citocalasina B).  Síntesis rápida de proteínas de membrana en el sistema vacuolar.  Reciclaje rápido de receptores (inhibición con cloroquina).  Estallido respiratorio de la fagocitosis: o Consumo de una cantidad importante de ATP por transporte. o Mecanismo oxidativos.

7.4.

DIGESTIÓN

Es la degradación del material endocitado en la zona de endosomas tardíos. Para ello se produce el transporte de vesículas por microtúbulos hasta la zona perinuclear en los endosomas tardíos. Se fusionan los lisosomas primarios y los endosomas tardíos. Se produce la degradación por enzimas 36

hidrolíticas que supone un gran consumo de energía por mitocondrias y peroxisomas. La velocidad e intensidad de la digestión depende de la naturaleza del material ingerido y de la actividad y especificidad de hidrolasas. La digestión puede ser de dos tipos: ♥ Completa Se generan sustancias de bajo peso molecular que la célula puede incorporar al citosol. ♥ Incompleta Se forman cuerpos residuales. Estos cuerpos pueden tener dos destinos:  Permanecer en el citoplasma a lo largo del envejecimiento celular.  Formar exoxomas que serán expulsados al exterior celular.

8. EXOCITOSIS Es un proceso inverso a la endocitosis en el que se transportan sustancias del interior celular al exterior de la célula. Las diferentes sustancias transportadas por exocitosis son: materiales reducidos a cuerpos densos, inertes, de variada composición y rodeados de membrana. Existe un caso especial en el que las células presentadoras de Ag.

9. PARASITACIÓN Existen microrganismos patógenos que son capaces de aprovechar la endocitosis para invadir células de un organismo. En este caso, el microrganismo ataca a la célula provocando que la reconozca. Invade a la célula y penetra (invadiendo) en forma de vesículas de endocitosis hasta que llega a los endosomas tempranos. Ahí, el microrganismo se replica hasta que se liberan. En este caso, el microrganismo patógeno invade la célula formando vesículas de endocitosis. Esas vesículas pueden tener tres destinos: 1) El microrganismo rompe la membrana de la vesícula y escapa o se libera. 2) Previene la fusión del endosoma con los lisosomas y se reproduce. 3) Se unen los lisosomas a los endosomas tardíos, formándose un fagolisosoma y los microrganismo patógenos son capaces de sobrevivir en ellos. 37

38

LECCIÓN 5: FUNCIONES DE LA MEMBRANA II: UNIONES DE MEMBRANA Como ya hemos visto, la membrana lleva a cabo las siguientes funciones:  Actúa como barrera: eléctrica, mecánica o química  Lleva a cabo funciones de relación: • Permeabilidad selectiva: ∙ Gradiente electroquímico ∙ Mecanismos de transporte ∙ Endo-exocitosis • Anclaje externo ∙ Célula-matriz extracelular • Anclaje interno ∙ Movimiento ∙ Posiciones • Receptor transmisor En esta lección nos vamos a centrar en los 2 tipos de anclaje arriba indicados. Introducción Las células necesitan a sus congéneres a lo largo de toda su existencia para realizar sus funciones y, así, sobrevivir en organismos pluricelulares. Para ello tiene que reconocer el ambiente que la rodea y establecer una relación con las células adyacentes por medio de puentes de unión, lo cual depende de una serie de proteínas transmembrana + proteínas intermediarias de unión al citoesqueleto, que van a ser las encargadas de llevar a cabo la adhesión, dándose luego una transmisión de información entre células. Es decir, el reconocimiento entre células da lugar a la adhesión (proceso selectivo) y con ello a la comunicación celular. La capacidad de asociación entre células se puede dar por medio de uniones transitorias o permanentes. Es esta capacidad de asociación celular lo que confiere integridad al organismo.

1) Moléculas de adhesión célula‐célula y/o célula‐matriz extracelular  Clasificación - Cadherinas - Selectinas - Superfamilia de las Inmunoglobulinas - Integrinas  Interacción - Unión con uno o varios ligandos - Homotípica (homofílica) → cadherinas, superfamilia Igs (se unen solo a moléculas de su mismo grupo) - Heterotípica → selectinas, integrinas, superfamilia Igs (se unen a grupos que son diferentes) - Dependientes de Ca2+ → cadherinas, selectinas, integrinas - Interacción con componentes del citoesqueleto → cadherinas e integrinas - Capacidad para activar rutas de señalización intracelular 39

 Expresión - Diferencial en células - Constitutiva o inducida - Actividad regulada 2) Uniones celulares - Uniones estrechas (uniones íntimas o de oclusión) - Uniones adherentes o de anclaje célula‐célula - Uniones de comunicación - Uniones adherentes o de anclaje célula‐matriz extracelular

1) MOLÉCULAS DE ADHESIÓN 1.1. CADHERINAS: Son proteínas transmembrana que relacionan el citoesqueleto de dos células contiguas.

1.1.1. Características: • La mayor parte de las cadherinas son glucoproteínas con un solo dominio transmembrana. Se asocian en la membrana constituyendo dímeros o grandes oligómeros. Es decir, son glicoproteínas con subunidades similares repetidas en serie en el dominio extracelular. Entre cada par de repeticiones se localizan sitios de unión para el Ca2+. Presenta una porción interna con el C-terminal intracitoplasmático y un extremo N-terminal para unirse a otras moléculas. Para funcionar tienen que ir unidos dos dímeros. • Presentan uniones homofílicas muy estables, dependientes de Ca2+. • Las cadherinas constituyen las principales moléculas de adhesión que mantienen las células embrionarias (células L) unidas entre sí durante los primeros estadios embrionarios. 1.1.2. Clasificación Las cadherinas se clasifican en clásicas y no clásicas. El conjunto de estos dos tipos de cadherinas constituye la superfamilia de las cadherinas. Las cadherinas clásicas fueron denominadas en función de los principales tejidos en que se localizaron: así, la Ecadherina se hallaba en muchos tipos de células epiteliales; la N-cadherina en neuronas, en fibras musculares y en el cristalino (principalmente en neuronas); la P-cadherina en células placentarias; y la VE-cadherina en el endotelio; aunque cualquiera de ellas puede encontrarse en otro tejido. Presentan cierta homología en sus dominios extra e intracelulares. Las cadherinas no clásicas agrupan proteínas con capacidad adhesiva reconocida, como las cadherinas desmosómicas (encargadas de las uniones llamadas desmosomas) con localización principal en la piel, que se subdividen, a su vez, en desmogleínas y desmocolinas; o las protocadherinas, localizadas en las neuronas, llevando a cabo sinapsis químicas. Las protocadherinas se están estudiando en la actualidad ya que nos podrían dar información acerca del grado de madurez de una neurona, puesto que las cadherinas se presentan en una de sus fases, hasta que la neurona pasa a una fase más evolucionada. 1.1.3. Tipos de unión • Uniones adherentes (Zonula adherens): formadas por cadherinas clásicas (aunque éstas, también trabajan en las no adherentes). Las uniones adherentes comunican los haces de actina de una célula con haces similares de células vecinas. • Desmosomas (Macula adherens): formadas por cadherinas no clásicas. Los desmosomas conectan los filamentos intermedios de una célula con los de las vecinas. 40

1.1.4. Proteínas de unión En una unión adherente participan: los filamentos de actina que se unen de célula a célula mediante cadherinas. Forman homodímeros en las membranas plasmáticas de las células que interactúan con sus dominios extracelulares interaccionando con los homólogos de un dímero idéntico expresado en la célula adyacente. Las colas intracelulares de las cadherinas se unen a proteínas de anclaje (α‐catenina y β‐catenina) que las conectan a los filamentos de actina.

En un desmosoma: sobre la superficie citoplasmática de las membranas que interactúan se organiza una placa densa compuesta por un conjunto de proteínas intracelulares de adhesión (placoglobina, placofilina y desmoplaquina). Un haz de filamentos intermedios se ancla a cada placa. La desmocolina y desmogleina se unen a las placas e interaccionan mediante sus dominios extracelulares manteniendo unidas las células a través de un mecanismo dependiente de Ca2+. 1.2. SELECTINAS: Las selectinas son proteínas de membrana especializadas en el reconocimiento de carbohidratos, que median adhesiones intercelulares, de carácter temporal y dependientes de Ca2+, que tienen lugar en el compartimento vascular.

1.2.1. Clasificación Se conocen 3 tipos: la L-selectina, expresada por leucocitos; la P-selectina, expresada por plaquetas y células endoteliales tras su activación en una respuesta inflamatoria; y la Eselectina, que también es expresada por células endoteliales activadas. Todas ellas comprenden proteínas transmembrana que disponen de un dominio lectina muy conservado que es el que reconoce y se une a oligosacáridos específicos expresados por otra célula 1.2.2. Estructura Poseen dominios extracelulares (CCP) homólogos a los observados en las proteínas de control del complemento. La región extracelular también posee un dominio EGF-R relacionado con el receptor del factor de crecimiento epidérmico, así como un dominio N terminal con propiedades tipo lectina, es decir, que se une a residuos carbohidratados.

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1.2.3. Acción Las selectinas desempeñan un importante papel en los procesos inflamatorios y en la adhesión de los leucocitos a las células endoteliales de los vasos sanguíneos, facilitando la migración hacia los tejidos circundantes. Las selectinas actúan en colaboración con las integrinas, las cuales favorecen la adhesión de las células al endotelio, una adhesión heterofílica ya que las selectinas se unen a oligosacáridos específicos de glucoproteínas y glucolípidos, y las integrinas a proteínas específicas. En primer lugar, las selectinas median una adhesión laxa dado que la unión del dominio lectina con el ligando glucídico es de baja afinidad, lo que permite a los leucocitos unirse reversiblemente al endotelio, rodando por su superficie a favor del flujo sanguíneo. Esto se mantiene hasta que el leucocito activa sus integrinas, lo que posibilita la adhesión fuerte a la superficie del endotelio y su emigración fuera de la sangre a través de dos células adyacentes. 1.3. SUPERFAMILIA DE LAS INMUNOGLOBULINAS: Son las moléculas responsables de la adhesión intercelular independiente de Ca2+. Las inmunoglobulinas son glicoproteínas que actúan como anticuerpos. Pueden encontrarse circulando en sangre, en las secreciones o unidas a la superficie de las membranas de los linfocitos B.

1.3.1. Estructura Estas proteínas tienen uno o más dominios del tipo Ig, los cuales son característicos de las moléculas anticuerpo. Es decir, son moléculas bien organizadas con dominios en forma de lazos, unidos por puentes disulfuro. Presentan un extremo COOH y un extremo NH2. Aparte de su acción como moléculas de adhesión, actúan también como anticuerpos, entendiendo como tal a una molécula compuesta de 4 cadenas polipeptídicas del tipo de las inmunoglobulinas: 2 cadenas más largas, llamadas cadenas pesadas o cadenas H y 2 cadenas ligeras o cadenas L. las 4 cadenas se disponen adoptando una forma de Y con una región bisagra que tiene cierta movilidad para adaptarse al Ag (antígeno), las cadenas están unidas entre sí por puentes disulfuro. Las cadenas pesadas presentan una fracción glucídica. En un Ac hay 2 regiones diferentes: una región constante 42

cuyos extremos coinciden con los extremos COOH de la cadena peptídica y una región variable que coinciden con los extremos NH2 de las cadenas peptídicas. 1.3.2. Clasificación Las Inmunoglobulinas se clasifican en CAMs e ICAMs. Las CAM son moléculas de adhesión celular; el ejemplo mejor estudiado es la molécula de adhesión de células neurales (N-CAM), la cual se expresa en varios tipos celulares incluyendo muchas células nerviosas; las N-CAM se unen las células entre sí mediante una interacción homofílica. Las ICAM son moléculas de adhesión intercelular, expresadas por células endoteliales una vez activadas, que utilizan un mecanismo de unión heterofílico: se unen a las integrinas expresadas en la superficie de los leucocitos facilitando su migración fuera del torrente sanguíneo. 1.3.3. Acción Las N-CAM dan lugar a una unión hemofílica, es decir, que se unen únicamente con otras N-CAM. Actúan como señalizadores neuronales. Actúan como señalizadores neuronales: regulan las interacciones adhesivas en el crecimiento y las agrupaciones. Las ICAM presentan uniones heterofílicas, es decir, que se unen a distintas moléculas, en concreto a las integrinas, interviniendo así en la migración de leucocitos. 1.4. INTEGRINAS: Son proteínas transmembrana que constituyen una gran familia de receptores vinculada a la adhesión célula matriz, actuando como receptores de la matriz y conectando la matriz con el citoesqueleto celular. Difieren de otros receptores de superficie celular y de otras moléculas de señalización en que suelen unirse a sus ligandos con una afinidad inferior y se expresan en la superficie celular a concentraciones que son del orden de entre 10 y 100 veces superiores. Si la unión fuera demasiado fuerte, las células probablemente podrían llegar a pegarse irreversiblemente a la matriz sin poder desplazarse. También activan vías de señalización intracelular que informan a la célula de las características de la matriz extracelular a la que está unida. Presentan diferentes tamaños y diferente especificidad de unión.

1.4.1. Estructura Una molécula de integrina está constituida por dos subunidades transmembrana glucoproteicas unidas entre sí de forma no covalente, denominadas subunidades α y β. 1.4.2. Clasificación Depende del tipo de subunidades α y β que se unan. Destacamos la VLA-5 (α5β1), VLA-6 (α6β1), LFA-1 (Ag función linfocitaria), Mac-1 (Ag macrófago)…

1.4.3. Acción Las integrinas son heterodímeros transmembrana. Unión a la matriz: La unión de las integrinas a sus ligandos depende de cationes divalentes extracelulares (Ca2+ o Mg2+), lo cual refleja la presencia de dominios de unión a estos cationes en la región extracelular de las subunidades α y β. El tipo de catión influye tanto en la afinidad como en la especificidad de la unión de una integrina a sus ligandos. Unión al citoesqueleto: La mayoría de las integrinas se asocian con haces filamentosos de actina. Tras la unión de una integrina a su ligando de la matriz, la cola citoplasmática de la subunidad β se une a diversas proteínas de anclaje intracelular, como talina, la α-actinina y 43

la filamina. Estas se unen directamente a la actina o a otras proteínas de anclaje, como la vinculina y paxilina, y estas son las que interaccionan con el citoesqueleto cortical de actina. La interacción con el citoesqueleto conduce al reclutamiento de integrinas y la formación de adhesiones focales entre la célula y la matriz extracelular. 1.4.4. Funciones • Actúan como conectores transmembrana entre las moléculas de la matriz extracelular y los filamentos de actina cortical, regulando la forma, orientación y movimientos celulares • Transmisión de tensión matriz-citoesqueleto. - Reacción a tensión - Reacción a señales químicas • Mantiene o interrumpe la adhesión → desplazamiento o fijación • La agrupación de las integrinas en los puntos de contacto con la matriz (u otras células) también activa vías de señalización celular. Activación (Receptor) → cambio conformacional → transmisión de señales → activación de cascadas intracelulares • Cuando, por ejemplo, las células son cultivadas no pueden crecer o proliferar en respuesta a los factores de crecimiento extracelulares a menos que estén adheridas a la matriz extracelular mediante integrinas. De modo que al perder el contacto con la matriz, inician el proceso de muerte celular programada o apoptosis. Cuadro resumen: Moléculas de adhesión

2) UNIONES CELULARES Son regiones de contacto especializadas, observables mediante microscopía electrónica, donde la/s membrana/s implicada/s, el citoplasma subyacente y el espacio intercelular, están altamente especializados. Tipos de uniones celulares:

a) Según su extensión • Zónula: unión cuya superficie rodea prácticamente a la célula • Fascia: unión puntual más grande e irregular que la mácula • Mácula: unión puntual b) Según su función • Uniones estrechas, herméticas, de colusión, impermeables, íntimas o estancas: proporcionan un sellado de la región situada entre las células epiteliales, el cual limita el trasiego incluso de pequeñas moléculas entre las dos caras del epitelio. 44

• Uniones adherentes o de anclaje: las cuales unen mecánicamente las células (y sus citoesqueletos) a sus vecinas o a la matriz extracelular. • Uniones de comunicación, nexo o en hendidura (gap): que median el paso de señales químicas o eléctricas entre las células adyacentes c) Según si son: • Unión célula‐célula – Ocluyentes: unión íntima → membranas casi unidas, 2nm. – Adherentes célula‐célula: de 20 a 25nm. – Comunicantes • Unión célula‐matriz – Contacto focal – Adherentes célula‐matriz 2.1. UNIONES CÉLULA-CÉLULA 2.1.2. UNIONES CELULARES OCLUYENTES (íntimas o de oclusión): ZONULA OCCLUDENS Son uniones que no dejan espacio intercelular y, por tanto, no permiten el paso de sustancias a través de las capas celulares. Al observarse estas uniones por microscopio electrónico, éstas parecen estar compuestas por una red de cordones selladores que rodea por completo la zona apical de cada célula epitelial. Cada cordón sellador de la unión estrecha está compuesto por una larga hilera de proteínas transmembrana adhesivas (claudinas y ocludinas) que se sitúan en cada una de las membranas plasmáticas adyacentes. Los dominios extracelulares de estas proteínas interaccionan entre sí directamente, con lo que se produce la oclusión del espacio intercelular. Las proteínas transmembrana del tipo claudina y ocludina se disponen en una unión estrecha. Claudinas y ocludinas se asocian con las proteínas periféricas de membrana denominadas proteínas ZO, las cuales anclan los complejos transmembrana al citoesqueleto de actina. Mientras que las claudinas son el principal componente de los cordones selladores, la función de las ocludinas es, por el momento, incierta. Estas uniones están reforzadas por proteínas filamentosas intracelulares. Los cordones selladores mantienen unidas las membranas plasmáticas adyacentes. Este tipo de unión: 1) actúa como barrera del intercambio de nutrientes entre la célula y el líquido extracelular y 2) constituye un sistema de sellado entre las células vecinas. Se encuentran, por ejemplo, en las células epiteliales del intestino. Existen algunos ejemplos como la barrera hematoencefálica y la barrera hematotesticular que, como sus nombre lo indican "separan" al encéfalo (cerebro) y tejido testicular del torrente sanguíneo respectivamente, con lo cual permite el paso "selectivo" de ciertas sustancias (moléculas como nutrientes u hormonas por ejemplo o gases disueltos como dióxido de carbono u oxígeno) y asegura así una correcta función de estos tejidos

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2.1.2. UNIONES CELULARES ADHERENTES: Zonula adhaerens

En la mayoría de los casos, forman pequeños anclajes puntiformes o alargados que conectan los filamentos corticales de actina situados en la proximidad de las membranas plasmáticas de las células adyacentes. Sin embargo, los mejores ejemplos de uniones adherentes se encuentran en los epitelios, donde forman una banda de adhesión continua (o zonula adhaerens), justo por debajo de las uniones estrechas, rodeando cada una de las células adyacentes. En células epiteliales adyacente, las bandas de adhesión se encuentran en aposición, siendo las cadherinas, en su condición de proteínas transmembrana de adhesión, las moléculas que mantienen unidas las membranas. En cualquier célula puede observarse un haz contráctil de filamentos de actina, que se encuentra adyacente a la banda de adhesión y corre paralelo a la membrana plasmática. La conexión entre la actina y la membrana se realiza mediante un grupo de proteínas de anclaje que incluye cateninas (β-catenina y α-catenina), vinculina y α-actinina. De esta manera, los haces de actina se encuentran interconectados a través de cadherinas y de proteínas de unión, formando una extensa red transcelular. La contracción de esta red depende de proteínas motoras de tipo miosina.

Localización Epitelios – de revestimiento y glandulares (cinturón continuo) Músculo cardiaco Neuronas (sinapsis)

Funciones - Estabilización de la forma celular y arquitectura tisular - Papel morfogenético: formación de tubos En primer lugar se produce una invaginación de la lámina epitelial por el estrechamiento de las zonas apicales de las células epiteliales, lo cual viene determinado por un tipo de cadherina. A continuación se activará otro tipo de cadherina que hará que las bandas de adhesión se aproximen y se unan. Finalmente, y una vez formado el tubo, se activa otro tipo de cadherina que se sitúa a 46

ambos lados de la región central del tubo y favorece la proliferación celular en las bandas de adhesión. Un ejemplo de ello es la formación del tubo neural. - Señalización intracelular Las moléculas asociadas al dominio intracelular de las moléculas de adhesión pueden viajar al interior del núcleo donde afectan a la expresión génica. Esta localización depende de la cantidad y estado de unión de las moléculas de adhesión. - Infecciones → vía de entrada de Listeria monocytogenes • Internalina A – E‐cadherina 2.1.2.1. Macula adhaerens (Desmosomas) Los desmosomas son contactos intercelulares puntiformes que mantienen unidas las células entre sí. En el interior de las células actúan como lugares de anclaje para los filamentos intermedios filiformes, los cuales forman una red estructural que absorbe las fuerzas de tracción. Mediante los desmosomas, los filamentos intermedios de las células adyacentes están conectados formando una red continua del citoesqueleto (tonofilamentos) que se extiende a numerosas células del tejido. La estructura general del desmosoma es la siguiente: consta de una placa citoplasmática densa, compuesta por un complejo proteico de anclaje intracelular (placoglobina, placofilina y desmoplaquina) que es el responsable de la unión de los elementos citoesqueléticos a las proteínas transmembrana de adhesión. Al igual que en las membranas de adhesión, las proteínas transmembrana (desmogleína y desmocolina), las cuales pertenecen a la familia de las cadherinas, interactúan a través de sus dominios extracelulares manteniendo unidas las membranas adyacentes.

Localización principal - Piel - Músculo cardiaco - Cuello uterino Enfermedades acantolíticas - Dermatosis ampollosa: Ac. Desmoplaquinas Se caracterizan por la alteración en la cohesión entre las estructuras cutáneas subepidérmicas. - Pénfigos Caracterizadas por la formación de ampollas intraepidérmicas debidas a una pérdida de unión entre las células intraepidérmicas (acantolisis). Los individuos afectados producen anticuerpos contra sus propias cadherinas desmosómicas estos anticuerpos se unen a los desmosomas que mantienen unidas las células epidérmicas (queratinocitos), causando su desorganización, lo que provoca la formación de abundantes ampollas en la piel y la fuga de fluidos corporales hacia un epitelio ahora poco cohesionado. • Pénfigo foliáceo: Ac. Desmogleína 1 (afecta a la piel) • Penfigo vulgar: Ac. Desmogleína 3 (afecta a la piel y las mucosas) 2.1.3. UNIONES CELULARES DE COMUNICACIÓN

Con la excepción de algunas de las células que se encuentran diferenciadas terminalmente, como fibras musculares esqueléticas y células sanguíneas, las células que constituyen tejidos se comunican con sus vecinas a través de uniones de tipo gap. Mediante microscopía electrónica se observan regiones en las que las membranas de dos células adyacentes están separadas por un espacio uniforme de unos 2 a 4 nm de amplitud. Este espacio es generado 47

y mantenido por proteínas (conexinas) que forman canales llamados conexones, los cuales permiten el paso de iones inorgánicos y de otras pequeñas moléculas hidrosolubles entre los respectivos citoplasmas, acoplando las células tanto eléctrica como metabólicamente, permitiendo el paso de señales químicas y eléctricas. Las conexinas son proteínas que contienen 4 hélices transmembrana, que se ensamblan de 6 en 6 formando un canal, el conexón. Cuando los conexones situados en las membranas plasmáticas de dos células adyacentes están alineados, forman un canal acuoso continuo que conecta ambos citoplasmas. Los conexones mantienen separadas las membranas plasmáticas a una distancia fija, de aquí su denominación “gap” (separación o hueco) Los canales de las uniones de tipo gap no están siempre abiertos sino que alternan entre estados abierto y cerrado. Además, la permeabilidad de estas uniones puede disminuir muy deprisa y de forma reversible. Así, los canales de estas uniones son estructuras dinámicas, de manera que, mediante un cambio conformacional reversible, se cierran en respuesta a determinados cambio celulares. La comunicación mediante uniones de tipo gap también puede ser regulada por señales extracelulares.

Localización - Todos los tejidos Funciones - Paso de moléculas - Sinapsis eléctricas ∙ Tejido muscular → cardiaco ∙ Tejido nervioso →cerebelo 2.2. UNIONES MATRIZ-CÉLULA

Algunas uniones de anclaje unen las células a la matriz extracelular en vez de hacerlo a otras células. Las proteínas transmembrana de adhesión que intervienen en estas uniones célula-matriz son las integrinas. 2.2.1. HEMIDESMOSOMAS

Los hemidesmosomas se asemejan a los desmosomas por su morfología, por su capacidad para conectar filamentos intermedios y, como ellos, por actuar como elementos que distribuyen las fuerzas de tracción o de cizalla en el conjunto del epitelio. En lugar de unir las membranas de las células adyacentes, unen el dominio basal de las células a la lámina basal. Los dominios extracelulares de las integrinas (α6β4) y BPAG2 (bullons pemphigoid Ag) 48

que median la adhesión se unen a la laminina de la lámina basal, mientras que los dominios intracelulares se unen a los filamentos de queratina a través de una proteína de anclaje (plectina). Por otra parte, aunque los filamentos de queratina asociados a los desmosomas establecen contactos laterales con las placas desmosómicas (plaquinas: Plectina y BPAG1), la mayoría de los filamentos relacionados con los hemidesmosomas tienen sus regiones terminales ancladas a la placa. Se pueden producir: Epidermólisis ampollosas: mutaciones en β4 O BPAG2 - Penfigoides: ∙ Penfigoide ampolloso: Ac BPAG2 2.2.2. MEMBRANA BASAL Constituye una relación directa de anclaje y paso de moléculas de unas células a otras. Es una cadena de proteínas que relaciona cada tejido con la matriz conjuntiva. Se forman mallas que se conocen como estrato lúcido. El colágeno que aparece en la membrana basal es de tipo 7.

Las zonas, estratos o capas de la membrana basal en orden desde el tejido epitelial hacia el conectivo son: Lamina Lúcida, Lamina Densa y Lamina Reticular; el conjunto de las dos primeras se conoce también como lámina basal. Lamina Lúcida: Producida enteramente por las células epiteliales, está compuesta por complejos glicoprotéicos de laminina. La laminina une a las proteínas integrales de membrana que tienen y expresan las células epiteliales; estas proteínas llamadas integrinas son las que participan en los complejos de unión llamados hemidesmosomas. Lámina Densa: está compuesta por colágeno tipo IV y proteínas libres como entactinas quienes establecen puentes estructurales entre el colágeno tipo IV y la laminina. Lámina Reticular: constituida por fibras colágenas tipo VII asociadas a glicoproteínas llamadas fibronectinas, las cuales tienen lugares de unión al colágeno, proteoglicanos y moléculas de adhesión celular como las integrinas. 2.2.3. CONTACTO FOCAL

Unión transitoria de células a la matriz extracelular Permiten a las células permanecer unidas a la matriz extracelular a través de las integrinas, las cuales actúan como puntos de anclaje intracelular de los filamentos de actina. Los dominios extracelulares de las integrinas (α5β1) se unen a un componente proteico de la matriz extracelular (fibronectina), mientras que sus dominios intracelulares se unen indirectamente a los haces de filamentos de actina a través de proteínas de anclaje intracelulares como talina, α-actinina, praxilina y vinculina. En la fijación y el desplazamiento están implicados los fibroblastos. 2.2.4. COMPLEJOS DE UNIÓN En la zona más apical de las células epiteliales, las posiciones relativas de los distintos tipos de 49

unión, son las mismas en casi todos los tipos de epitelio. Así, en las regiones más apicales se sitúan las uniones estrechas, seguidas de las bandas de adhesión y, finalmente, existe una hilera de desmosomas situada en paralelo con las anteriores, y que está seguida de uniones tipo gap.

* INTERDIGITACIONES: Cuando las membranas de células adyacentes forman una especie de S y se mantienen paralelas. Se trata de un mecanismo ligero para estabilizar y limitar el movimiento celular.

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LECCIÓN 7: El núcleo celular Generalidades El núcleo es el lugar de almacenamiento y utilización de la información genética. Fue descrito por primera vez en 1700 por Leewenhoek, pero fue Robert Brown, en 1831 quien lo consideró un componente habitual en las células. Antes de conocer la función del DNA se estableció que el núcleo era indispensable para la vida celular, que regía su diferenciación y conservaba la potencialidad de las células indiferenciadas. Esto ocurre así porque el núcleo alberga el 99% del DNA celular y es éste el que codifica toda la síntesis proteica de la célula. Al duplicarse permite la formación de dos células idénticas. Hay que destacar el hecho de que sólo podemos hablar de núcleo en interfase ya que en división desaparece como tal. Funciones del núcleo 1. 2. 3. 4. 5.

Replicación del DNA Regulación de la expresión génica. Transcripción y procesamiento del mRNA Transcripción de tRNA y rRNA Ensamblaje de unidades ribosómicas

Características del núcleo 

Forma: generalmente, el núcleo tiende a ser esférico, pero se adapta a la forma de las células así como a sus necesidades. En células planas es esférico y pequeño en relación con el citoplasma, en células glandulares de un epitelio cilíndrico simple tiende a ser más ovoideo. Los polimorfonucleares tienen el núcleo lobulado, los fibroblastos lo tienen alargado y las células musculares lisas, fusiforme. Algunas células, además tienen el núcleo irregular, como los megacariocitos.



Posición: según el tipo de célula, el núcleo puede situarse en una zona u otra de la misma. Por ejemplo, las células de la zona fasciculada de la corteza suprarrenal tienen un núcleo central, las musculares, periférico, las glandulares secretoras tienen el núcleo basal y los adipocitos blancos, completamente excéntrico.



Número: generalmente las células son mononucleadas, pero también hay variaciones en este aspecto. Los hepatocitos y las células del epitelio urinario presenta binucleaciones frecuentemente, los macrófagos, osteoclastos y células gigantes multinucleadas suelen presentar varios núcleos; los eritrocitos, sin embargo, son anucleados. Cuando las células tienen varios núcleos, puede deberse a una fusión de citoplasmas celulares formando un sincitio, o bien, que el núcleo se divide pero el citoplasma no, entonces forman un plasmodio. 51



Tamaño : el tamaño nuclear también depende del tipo de célula y de su actividad. Oscila entre 5 y 25 micras de diámetro. Está relacionado con el tamaño del citoplasma, cada población celular cumple una relación entre ambos tamaños ( RNP: relación nucleoplasmática o relación de Hertwig), esta relación no varía con la especie, sino con la población celular.

Composición general del núcleo interfásico: 

Envoltura nuclear o carioteca. Se compone de dos membranas, una interna y otra externa que dejan entre ambas un espacio perinuclear. Además posee la denominada lámina nuclear interna, constituida por el citoesqueleto interno, que se va a relacionar con el citoesqueleto externo o citoplasmático. La envoltura nuclear permite la comunicación entre el interior del núcleo y el resto de la célula a través de los poros nucleares.



Contenido nuclear. Se compone del nucleoplasma, constituido por una matriz fundamental formada en su mayor parte por agua, pero que además contiene proteínas, RNA y citoesqueleto interno, y por cromatina, es decir, DNA asociado a proteínas. El nucléolo es una región del núcleo que carece de membrana y contiene RNA, DNA y proteínas. Constituye una zona fácilmente identificable al microscopio óptico.

Envoltura nuclear. Es un complejo formado por dos membranas entre las que hay un espacio que permite el intercambio selectivo de sustancias entre el citoplasma y el propio núcleo y que además separa el material genético del citoplasma. Importancia de la envoltura nuclear: 

La envoltura nuclear separa el contenido del núcleo del citoplasma y le sirve de protección respecto a los filamentos del citoesqueleto citosolico.



Actúa como una barrera selectiva que limita el paso de sustancias entre el citoplasma y el núcleo, creando dos compartimentos metabólicamente distintos. Este hecho tiene una importante repercusión en la regulación génica, ya que, para la síntesis de proteínas es necesario el intercambio de sustancias entre ambos espacios.

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Además, la regulación génica también está relacionada con la localización de la cromatina y de los factores de transcripción. 

Por último, al separar físicamente la transcripción de la traducción, permite el procesamiento y la maduración con mayor eficiencia del mRNA.

Estructura de la envuelta. 

Doble capa de unidad de membrana.

Como cualquier otra membrana, la nuclear es una bicapa fosfolipídica que sólo permite el paso de pequeñas moléculas apolares. Sin embargo, como veremos más adelante, también está permitido el paso de otro tipo de moléculas a través de los poros nucleares. En ella podemos distinguir dos partes: o

Membrana externa: se encuentra en continuidad con la del retículo, lo que hace que el espacio intermembrana se continúe con ER lumen. En su composición es similar a la del retículo rugoso incluyendo la presencia de ribosomas, de dos citrocromos encargados de la detoxicación y de ATPasas encargadas de bombear Ca2+ hacia el espacio perinuclear. Por otro lado, como elemento diferenciador podemos destacar la presencia de una serie de proteínas específicas, las proteínas ABDs, entre ellas las nesprinas, encargadas de posicionar el núcleo en la célula.

o

Membrana interna: en esta membrana, aunque de composición similar a la anterior, aparecen proteínas específicas, que se sintetizan en el ER y se desplazan por esta membrana, giran en la pared del poro, hasta colocarse en la membrana interna para que interaccionar con las láminas nucleares y la cromatina o con ambas, permitiendo su anclaje. Además, el grupo amino terminal de estas proteínas se sitúa generalmente hacia el interior del núcleo (aunque en ocasiones lo hace hacia ER lumen). Los tipos de proteínas son principalmente: 

LAP I: son proteínas asociadas con las láminas tipo A/B y B que no tienen relación con la cromatina.



LAP II: proteínas asociadas a las láminas tipo B y con relación con la cromatina.



LBR: receptor de las láminas de tipo B.

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

Emerina: asociada a las láminas A y B y se relaciona indirectamente con la cromatina (permitiendo la unión del VIH al núcleo y favoreciendo su incorporación en el genoma).



Nesprina: se asocia a las láminas de tipo A y está presente en ambas capas de la membrana.



MAN I: asociada a láminas de tipo A.



SUN: asociadas a láminas tipo A y BB, se relaciona con las proteínas KASH de la membrana nuclear externa (ONM), permiten el contacto entre la lámina nuclear y el citoesqueleto citoplasmático. Estas proteínas tienen su origen en el RER, y a través del los poros nucleares, llegan a la membrana, donde desarrollan su función.

La función principal de la membrana es la de actuar como barrera y regular el tránsito de sustancias a través de ella, además de posicionar el núcleo y sus componentes en la célula..



Lámina nuclear interna.

Es una red fibrosa que sirve de soporte estructural al núcleo. Se sitúa en la cara nucleoplasmática, asociada a la membrana interna a la cual tapiza en toda su extensión, exceptuando los puntos donde se encuentran los poros. Está compuesta por filamentos intermedios de 10 a 20 nm denominados también láminas y por proteínas asociadas. La unión de dos monómeros de láminas forman dímeros que a su vez, para ser funcionales deben asociarse formando tetrámeros. Existen distinos tipos de láminas, codificadas por distintos genes y que cumplen funciones concretas: o o

Láminas de tipo A. Están codificadas por el gen LMNA y engloban las láminas A, A10, C1 y C2. Láminas de tipo B. Están codificadas por los genes LMNB. El LMNB1 para la lámina B1 y el LMNB2 para las B2 y B3.

Formación de la lámina nuclear. Las láminas tipo A (A1 y A10) y las B son capaces de unirse por su extremo carboxi-terminal con grupos lipídicos, concretamente el prenilo. 1. Las láminas tipo B con sus grupos prenilo forman monómeros. A continuación forman dímeros entre ellas, entonces comienza la formación de la lámina nuclear.

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2. Los dímeros se sitúan paralelos a la membrana interna y se unen a ellas gracias a las proteínas LAPα (por su extremo N-terminal) y LBR (por el extremo carboxi-terminal). 3. Una vez formado el primer dímero se unen otro, de la misma forma pero en posición invertida, formando un tetrámero. 4.

Los tetrámeros se unen entre sí por interacciones cabeza-cola, en este punto se unen las láminas tipo A, gracias a la emerina, que primero se une a la membrana y después al tetrámero. Se dice entonces que se forma el protofilamento.

5.

8 protofilamentos se unen constituyendo un filamento de forma cilíndrica.

6.

Los filamentos se entrecruzan formando un retículo que constituye la lámina nuclear.

Funciones de la lámina: 1. Protección: actúa como un armazón periférico del núcleo. 2. Control del paso de sustancias a través de los poros (a los cuales, además organiza, evitando que se concentren todos en una zona). 3. Organización de la heterocromatina, la cual se sitúa en la periferia por la interacción de las láminas con las proteínas como la HPA. 4.

Participa en la replicación del DNA, sirviendo de anclaje para enzimas que participan en el proceso como la DNA polimerasa.

5. Contribuye a la regulación génica por interacción con proteínas como la HA95. 6. Constituye uno de los primeros eventos de la apoptosis, ya que al degradarse favorece la separación de la cromatina facilitando su degradación. 7. Ensamblaje de la envuelta nuclear y su reensamblaje tras la mitosis: Cuando los cromosomas se condensan y se separan de la membrana nuclear, la lámina se va disgregando por fosforilación de la serina, fraccionando también las membranas adosadas a ellas. Los extremos N y Carboxi-terminales, permiten la formación de vesículas que se reparten también entre las células hijas adosadas a los cromosomas. Con el proceso inverso se van uniendo conformando de nuevo la envoltura nuclear. Los complejos del poro quedan como reservorio en el RE.

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LECCIÓN 7: COMPLEJO DEL PORO NUCLEAR Laura Fernández, Cristina Ferrero, Laura Alonso-Gamo

Son complejos multiproteícos formados por alrededor de 30 proteínas llamadas nucleoporinas. Son perforaciones de la membrana plasmática cuya función es el transporte selectivo. Estructuralmente, los poros nucleares tienen un diámetro de 120 nm y un peso molecular de 125.106 D. Tienen un tamaño aproximadamente 30 veces mayor que un ribosoma. Se localizan en los puntos donde las dos membranas nucleares se unen para así poder crear un canal de comunicación entre la externa y la interna.

Son complejos muy dinámicos: desaparecen durante la mitosis, y aumentan su actividad cuando la célula está en fase G1 porque necesita muchas proteínas ya que a través de ellos pasa, por ejemplo, el ARN mensajero hacia el citoplasma.

Si se visualiza el poro nuclear bajo el microscopio electrónico se observa que son estructuras formadas por ocho subunidades organizadas alrededor de un canal central.

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A mayor resolución se aprecia que la estructura está formada por tres anillos:

1. ANILLO CITOSÓLICO O CITOPLASMÁTICO

Es la parte/componente del complejo del poro nuclear que reposa sobre la membrana nuclear externa. Es el componente que está en contacto con el citoplasma, conectado con él. A su vez, consta de varias partes: el anillo estrella, que es el más interno; el anillo delgado y las subunidades citoplásmicas en las que están organizados ocho filamentos citoplásmicos que se adentran en el citoplasma (son variables en longitud y pueden estar ramificados o no).

2. COMPLEJO RADIAL O ANILLO RADIAL Es el componente intermedio, el que está incluido entre las membranas nucleares, concretamente, en el punto de unión de las dos membranas. Según un corte transversal, se observan tres componentes, dos de los cuales son anillos radiales [uno interno y otro externo]. En el externo aparecen generalmente ocho lazos con diferentes receptores que delimitan ocho canales, que son los canales laterales. Según un corte longitudinal, los canales laterales están totalmente incluidos en la membrana nuclear. Son los puntos por los cuales pasaban las 57

proteínas desde la membrana nuclear externa hasta la interna. El tercer componente principal de los complejos de los poros nucleares es el transportador central, que tiene una estructura más o menos cilíndrica y se dispone dentro del anillo radial. 3. ANILLO NUCLEAR O CIRCUNFERENCIAL INTERNO Es el componente expuesto al nucleoplasma, en el interior del núcleo. Está constituido por un anillo, que también se llama anillo nucleoplásmico, del cual surgen ocho filamentos que convergen en una zona común formando una estructura en forma de cesta que recibe el nombre de cesta nuclear.

MECANISMO DE TRANSPORTE A TRAVÉS DEL PORO

- Importación nuclear- las señales NLS (Nuclear Localization Signal )se encuentran en las proteínas que van a ser importadas. Para ello necesitan ser detectadas y fijadas por las IMPORTINAS (receptores de importación)

Ejemplo de moléculas que se transportan desde el citoplasma hasta el núcleo: RNA polimerasa, DNA polimerasa, histonas, proteínas ribosomales, telomerasa.

-Exportación nuclear- las señales NES llamadas (Nuclear Export Signal) están presentes en las moléculas que deben ser exportadas. Para ello necesitan ser identificadas y fijadas por las EXPORTINAS (receptores de exportación).

Ejemplo de moléculas que se transportan desde el núcleo hasta el citoplasma: RNA (RNAm, RNAt, RNAsn) y subunidades ribosomales (40S, 60S en humanos), y SRP (partícula de reconocimiento de la secuencia señal).

- Transición en ambos sentidos- La señal de transporte es este caso son las repeticiones FG(Fenilalanina + Glicina). Están en distintas nucleoporinas y sirven como sitios de interacción con los receptores de importación / exportación (p.ej. importinas y exportinas). Esta interacción guía el movimiento del complejo receptor-cargo a través del complejo del poro nuclear. Ejemplo de moléculas que transitan continuamente en ambos sentidos: Factores de transcripción, proteínas que median el transporte de otras macromoléculas -Difusión pasiva-Existen moléculas de bajo peso molecular que son capaces de moverse a través del poro por difusión pasiva (a través de los canales acuosos abiertos en él).

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IMPORTANTE: Las proteínas que se transportan a través del poro lo hacen en su conformación plegada.

Control del movimiento de macromoléculas a través del poro

El movimiento de macromoléculas se controla por una proteína denominada Ran. Es una de las proteínas de bajo peso molecular que se cuya conformación y actividad está regulada por la unión y la hidrólisis de GTP a GDP. Las enzimas que estimulan la hidrólisis de GTP a GDP se localizan en la cara citoplásmica de la envuelta nuclear, mientras que las enzimas que estímulan el paso de GDP a GTP están en la cara nuclear. Por lo tanto, hay una concentración desigual de Ran /GTP en el poro, presentando en el compartimento nuclear una concentración más alta. Esto determina la direccionalidad del transporte nuclear. Cuando un complejo importina-Ran/GTP se exporta a través del poro nuclear, en el citoplasma el GTP es hidrolizado a GDP. Esto libera la importina para que se pueda unir a una nueva proteína transportadora (NTF2) que la lleve al interior nuclear, donde el Ran/GTP es regenerado.

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LECCIÓN 9: ORGANIZACIÓN DEL NÚCLEO INTERFÁSICO 1.TIPOS DE CROMATINA Existen dos tipos de cromatina: -Eucromatina: es aquella que está desespirilizada en forma de hebra de 10nm. De esta forma, las proteínas transcriptoras pueden acceder a ella. Además, presenta muchos genes para transcribir. -Heterocromatina: es aquella zona de genes que está muy condensada con un alto grado de compactación. La mayoría de las de las secuencias que contiene no son genes. Existen dos tipos de heterocromatina: 1.Heterocromatina constitutiva: este tipo de heterocromatina siempre está condensada y se presenta en todas las células. Representa entre un 10-20% de las secuencias de aminoácidos de la heterocromatina. Suele estar formada por secuencias muy repetitivas que actúan como centrómeros o telómeros. 2.Heterocromatina facultativa: corresponde con secuencias de aminoácidos de genes que han sido silenciados. No está presente en todas las células. Ejemplos de este tipo de genes son aquellos que participan en la diferenciación celular o la inactivación de unos los cromosomas X en las mujeres (formándose el corpúsculo de Barr, esto es para evitar la expresión doble del cromosoma X). Fenómeno del ARN interferente (es una molécula de ARN que suprime la expresión de genes específicos). Si un gen que normalmente se expresa en la eucromatina es desplazado de forma experimental a una región de la heterocromatina, dejará de expresarse. Por lo que se dice, que el gen ha sido silenciado. 1.1.DIFERENCIAS ENTRE LOS TIPOS DE CROMATINA CARACTERÍSTICA

EUCROMATINA

GRADO DE EMPAQUETAMIENTO EN INTERFASE SECUENCIAS DE ADN

DISPERSADO

HETEROCROMATINA CONSTITUTIVA CONDENSADO

PREDOMINANTE ÚNICAS (POCO REPETITIVAS) ABUNDANTES FRECUENCIA NORMAL

PREDOMINANTEMENTE MUY REPETIDAS ESCASOS ESCASA FRECUENCIA

DURANTE FASE S

AL FINAL DE LA FASE S

ACCESIBLE

POCO ACCESIBLE

PRESENCIA DE GENES RECOMBINACIÓN EN LA MEIOSIS MOMENTO DE REPLICACIÓN ACCESIBILIDAD

2.HETEROCROMATIZACIÓN

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La heterocromatización depende de la proteína HP1. Las cadenas de ADN en sus complejos nucleosomales se metilan y esto permite que las proteínas HP1 se unan a ellas. Una vez se han formado varias cadenas metiladas con HP1, están se acercan entre ellas por acción de la proteína HP1. Por lo que, se forman zonas más densas que formarían la heterocromatina. 2.1.HETEROCROMATINA CENTROMÉRICA En muchos organismos complejos, incluidos los humanos, cada centrómero está embebido en un tramo central de heterocromatina que persiste durante toda la interfase, a pesar de que el desplazamiento del ADN mediado por el centrómero sólo se produce durante la mitosis. Esta cromatina contiene una variante de la histona H3 específica del centrómero, conocida como CENP-A, acompañada de proteínas adicionales que empaquetan los nucleosomas en una organización especialmente densa que forma el cinetocoro, la estructura especial necesaria para el anclaje del huso mitótico. 2.2.HETEROCROMATIMA TELOMÉRICA La telomerasa es una enzima que se encarga de alargar los telómeros de los cromosomas para evitar la muerte de la célula por acortamiento. Mientras está condensada la hebra de cromatina, está metilada para que no se transcriba. Sin embargo, cuando la célula se va a dividir, esta metilación desaparece para la replicación. Al terminar la división, las secuencias telomérica se han acortado. Por lo que se acetilan para que la telomerasa puede actuar sobre ellas para alargarlas. Después, se condensan y vuelven a ser heterocromatina.

3.DOMINIOS NUCLEARES

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En 1885, Rabl elaboró una teoría sobre la organización de los dominios nucleares. Según esta, había una distribución aleatoria. Más tarde, en 1984 Mathog desmostró esta teoría. Proponen que el núcleo está organizado en dominios cromosómicos e inter cromosómicos. Los dominios cromosómicos corresponden con que los cromosomas ocupan una posición específica en un territorio determinado. Los cromosomas están unidos a la envoltura nuclear por múltiples puntos. Encontramos a los telómeros y a los centrómeros en polos opuestos. Los cromosomas más grandes se encuentran en la zona nuclear más externa mientras que los más pequeños están más internos. Los dominios intercromosómicos son los espacios que quedan entre los cromosomas en las que encontramos proteínas, secuencias aisladas de ADN y por donde se produce el transporte del ARN. Además, constituye una red de canales que comunican a los cromosomas y por el que circulan moléculas. 3.1.DOMINIOS CROMOSÓMICOS Existe una organización no aleatoria del territorio cromosómico en interfase. Como hemos comentado, los cromosomas de mayor tamaño se sitúan hacia el exterior mientras que los más pequeño se sitúan hacia el interior. Una analogía similar podríamos establecer con los genes, la zona interna es rica en genes mientras que la externa es pobre en genes. Esto es una forma de aumentar la protección de los genes. Respecto a los dominios cromosómicos existen algunas preguntas sin responder: -¿Existe una organización exacta y muy regulada de los cromosomas entre sí? -¿Existe una organización asociada a posición concreta entre cromosomas no homólogos? -Se está experimentando en especies y poblaciones celulares diferentes. -Se investiga en los cromosomas implicados en translocaciones recíprocas.

3.1.1.ORGANIZACIÓN FUNCIONAL DE LA CROMATINA EN INTERFASE 62

La forma de regular la transcripción de los genes es mediante la modificación de accesibilidad. De forma, que mientras no se transcriben están unidos a la membrana por diferentes puntos y en un estado denso, por lo que se impide el acceso de las proteínas de transcripción. Cuando, hay que transcribirlos, los cromosomas se separan o desligan de su unión a la membrana, de forma que los genes queden en los espacios intercromosómicos donde se acumulan las proteínas transcriptoras y donde los genes se vuelven activos. Aunque también pueden formar como bucles de ADN después de separarse de membrana y que el cromosoma entero se dirija hacia el centro.

Genes activos en los espacios intercromosómicos

Bucles de ADN

Los genes que se localizan en cromosomas diferentes, pero que participan en la misma vía metabólica se transcriben a la vez. 3.1.2.INFORMACIÓN EPIGENÉTICA La epigenética hace referencia a los mecanismos de regulación genética sin modificación de la secuencia de ADN. Vamos a ver que se puede hacer una inactivación sencilla de los genes modificando su posición. Por ejemplo, en la imagen anterior cuando los genes activos están en los espacios intercromosómicos y no queremos que se transcriban lo que se hace es que se desplacen hacia la envoltura nuclear y se unan a ella inactivándose. Existen probabilidades de alteraciones por radiación. La posición relativa de los dominios cromosómicos se transmite a las células hijas. Por lo que, en ellas la posición relativa de sus cromosomas será igual a la célula madre o padre.

3.2. ESPACIOS INTERCROMOSÓMICOS 63

Existen dos modelos: -Modelo de red intercromosómica: según este modelo, los espacios intercromosómicos son zonas de asociación de fibras de cromatina de diferentes cromosomas. El 40% de estos espacios está mezclado con los espacios vecinos. Esto indica una menor compactación. Por lo que habría una mayor actividad de transcripción y de asociación. En estos espacios se comparte toda la maquinaria de transcripción. Con este modelo, se pueden explicar las translocaciones. -Modelo de dominios intercromatídicos o intercromosómicos: según este modelo, los espacios intercromosómicos son zonas donde no se encuentra la cromatina, son zonas por las que circulan moléculas. Corresponden a una red de canales que se distribuyen desde los poros. En los espacios intercromosómicos se acumulan las proteínas y los diferentes tipos de ARN. En estos espacios, se produce el procesamiento y maduración de los ARNm, por lo que encontraemos en ellos la maquinaria de splicing. 4.CLASIFICACIÓN DE DOMINIOS INTERCROMOSÓMICOS -Nucleolo -Cuerpos de Cajal (rojo) -Áreas de factores de “splicing” (verde) -Fibrillas pericromatínicas (rosa) -Cuerpos nucleares PML (naranja) -Clastosomas (gris) 4.1.NUCLEOLO El nucléolo fue descrito por Fontana en 1781. Se define como una zona electrodensa constante en el interior del núcleo. Existen diferentes regiones dependiendo de su grado de densidad: -Centro fibrilar: es la región con menor densidad. Está formada por una red de fibrillas. Pueden aparecer fibrillas de ADN y algo de ARN. En esta región se encuentra el ADN de los organizadores 64

nucleolares (regiones NOR) y algunas proteínas (como ARN polimerasa I) y enzimas que intervienen en la transcripción (factores de transcripción). -Componente fibrilar denso: es la región más densa. Son estructuras fibrilares de ribonucleoproteínas. Son regiones con ADN y ARN ribosómico que se forma y al cual se unen proteínas. En esta región se realiza un procesamiento inicial de preARNr. -Componente granular: Está formada por estructuras granulares que se corresponden con las subunidades de ribosomas que se están formando. Es la zona de ensamblaje de las subunidades ribosomales. El nucléolo está compuesto por múltiples copias de genes de secuencias en tándem codificantes para ARNr. El número de copias de genes varía en función de las diferentes especies. Los genes de ADNr pueden ser activos o inactivos. El nucléolo contiene genes que formarán, pues, parte del genoma humano. En individuos haploides se presentan 5 regiones NOR, pero en los diploides hay 10. Estos se presentan como 10 nucleolos separados y cada nucléolo tiene bucles de cromatina de cromosomas. El tamaño depende del nivel de actividad celular. Cuando hay síntesis máxima se aumenta hasta el 25% el volumen total del núcleo. El nucléolo tiene diferentes funciones: -Biogénesis de ARNr. -Procesamiento de los pequeños ribosómicosnucleares (ARNsn). -Regulación del ciclo celular. -Regulación del crecimiento celular. -Respuesta al estrés celular. -Depósito de algunas proteínas. 4.2.CUERPOS DE CAJAL Los cuerpos de Cajal son estructuras esféricas de 0.1-2µM, 1-5 por núcleo. Sólo se presentan en células activas que tiene un metabolismo activo. Varían en número y tamaño según el momento del ciclo celular en que se encuentre la célula. Se encargan de la de regulación de la expresión de los genes para U2, ARNsn e histonas. Esto lo consiguen añadiendo coilina a los snRNP y snoRNP para activarlos.

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4.3.ÁREAS DE FACTORES DE “SPLICING” (NS) Consisten en agregados de granulaciones intercromatínicas y contienen snRNP. Se encargan del almacenamiento y ensamblaje de factores de “splicing”. El splicing consiste en un proceso co-transcripcional de corte y empalme de ARN.

4.4.FIBRILLAS PERICROMATÍNICAS Son sitios activos del procesamiento de pre-ARNm. Se encargan del ensamblaje final de los espliceosomas.

4.5.CUERPOS NUCLEARES PML (PROTEÍNAS PML) Son estructuras dinámicas que secuestran o liberan proteínas. Son estructuras reguladoras epigenéticas: supresión del crecimiento celular, regulación de la transcripción, respuesta al daño celular, regulación de la apoptosis, proceso de senescencia celular e implicación en las vías de supresión tumoral.

4.6.CLASTOSOMA Son zonas de eliminación de proteínas. En ellas se concentran enzimas tales como la ubiquitina, chaperonas y proteasomas.

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TEMA 10: CROMOSOMAS Organización interna Los cromosomas se corresponden al cuarto nivel de organización de la cromatina, conocido como Fibra de 600 nm, que representa la máxima compactación de la cromatina. Solo aparecen durante la división del núcleo, puesto que salvo en el caso de la división del núcleo, la cromatina se encuentra descondensada. Organización externa

 Forma Un cromosoma típico presenta la siguiente estructura: • 2 cromátidas, que son 2 moléculas idénticas de DNA, unidas por una constricción primaria llamada centrómero. Cada una de las partes en que el centrómero divide al cromosoma se denomina brazo • Centrómero o constricción primaria: estrechamiento de la cromátida que separa dos brazos – Posición constante para cada cromosoma – Condiciona el tamaño de los brazos • Cinetocoro: estructura proteica de forma discoidal situada en el centrómero, que actúa como centro organizador de microtúbulos • Brazos cromosómicos: cada una de las dos partes que quedan unidas por el centrómero. Al brazo pequeño se le denomina “p” y al grande “q” • Constricciones secundarias o nucleolares: estrechamiento que se sitúa cerca del telómero y delimita un segmento del cromosoma denominado DNA satélite • Satélite: regiones distales a las constricciones secundarias • Telómeros: es la porción más distal de los brazos cromosómicos. Hay 2. Son estructuras donde hay mucha repetición de secuencias de bases y parecen relacionadas con 2 procesos: 1) envejecimiento celular; 2) evitar la pérdida de información cada vez que se duplica el DNA (estabilidad genética: protección de la información genética)

 Tipos: dependen de la posición del centrómero • • • •

Metacéntrico: el centrómero se encuentra en la mitad del cromosoma Submetacéntrico: los brazos cromosómicos son ligeramente desiguales Acrocéntrico: los brazos cromosómicos son muy desiguales Telocéntrico: el centrómero está en la región del telómero

 Tamaño medio: Humano 5 μm  Número: 46  Clasificación: cariotipo, que se define como la representación del conjunto de todos los cromosomas metafásicos de una célula. Hay cariotipos en los que se representan cromosomas con una única cromátida y en otros con dos cromátidas 67

CARIOTIPO (Cariotipo Denver, 1960 y Cariotipo Chicago, 1966) Grupo A (1, 2 y 3): Metacéntricos grandes Grupo B (4 y 5): Submetacéntricos grandes Grupo C (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 y X): Submetacéntricos medianos Grupo D (13, 14 y 15): Acrocéntricos grandes con satélites Grupo E (16, 17 y 18): Submetacéntricos pequeños Grupo F (19 y 20): Metacéntricos pequeños Grupo G (21, 22 e Y): Acrocéntricos pequeños con satélites, menos Y SECUENCIAS TEL – Secuencias cortas repetitivas ricas en G (TTAGGG) – Humanos: 100 – 1500 copias en tándem – Secuencias no codificantes – Telomerasa: • Cataliza la síntesis de copias adicionales • Compuesta por RNA y proteínas – Extremo 3’ protegido por proteínas – Bucle cerrado en extremo 3’

TELÓMEROS: RELEVANCIA MÉDICA (no estudiar, lo daremos más adelante) – Telómeros acortados • Inicio de apoptosis • Factor limitante de la duración de la vida de un organismo – Telomerasa presente en • Células germinales • Células de proliferación activa • Células cancerosas – Telomerasa defectuosa • Ej.‐Disqueratosis congénita (Síndrome de Zinsser‐Cole‐Engman) o Desarrollo progresivo de atrofia cutánea difusa o Leucoplasia oral precancerosa o Queratodermia palmoplantar e hiperhidrosis o Alteraciones hematológicas 68

o Atrofia testicular o Cáncer oral, otras neoplasias y enfermedades hematológicas.

TEMA 11: RIBOSOMAS ALGUNOS DATOS HISTÓRICOS • Claude (1947) → centrifugación diferencial → MICROSOMAS • Claude, Porter y Palade (1953) → M.E. • Palade y Siekevitz (1957) → análisis químico → RNA + proteínas • Slayter, Hall, Zubay y Huxley (1959) → microfotografías → 2 subunidades • De Rosier y Klug (1968) → teorema de la proyección de planos • Slayter y Lake (1969) → mapa tridimensional de densidad • Nomura (1960‐1970) → mapa de distribución de proteínas • Stöffler, Kahan y Wittmann (1972) → MoAb para proteínas ribosómicas. COMPOSICIÓN Un ribosoma es una compleja máquina catalítica compuesta por más de 50 proteínas diferentes (las proteínas ribosómicas) y varias moléculas de RNA, los RNA ribosómicos (RNAr). En ellos se lleva a cabo la síntesis de proteínas. Están formados por 2 subunidades, que en el caso de procariotas y eucariotas, se diferencian en el número y tamaño (que se cuantifica mediante el coeficiente de sedimentación, utilizando una unidad llamada Svedberg - S -):  Procariotas: el ribosoma está compuesto por 55 proteínas y 3RNA y tiene un tamaño de 70S. Está compuesto por las siguientes subunidades: - Subunidad pequeña: compuesta por 21 proteínas y 1RNA: el rRNA del que están compuestas es 16S. Su tamaño son 30S. - Subunidad grande: compuesta por 34 proteínas y 2RNA: uno de los rRNA es 5S y el otro es 23S. Su tamaño son 50S 

Eucariotas: el ribosoma está compuesto por 82 proteínas (aproximadamente) y 4 moléculas de RNA y tiene un tamaño de 70S. Está compuesto por las siguientes subunidades: - Subunidad pequeña: compuesta por 33 proteínas y 1RNA: el rRNA del que están compuestas es 18S. Su tamaño son 40S. - Subunidad grande: compuesta por 49 proteínas y 3RNA: uno de los rRNA es 5S, el segundo es 28S y el tercero es 5.8S. Su tamaño son 60S

Las subunidades de los ribosomas eucariotas se ensamblan en el nucléolo, donde los nuevos rRNA transcritos y modificados se asocian con las proteínas ribosómicas, que han sido importadas al núcleo tras su síntesis en el citoplasma. Una vez ensambladas, las dos subunidades ribosómicas son exportadas al citoplasma, donde se unen entre sí y 69

llevan a cabo la síntesis de proteínas. Cuando no están fabricando una proteína las dos subunidades están disociadas. La subunidad menor constituye el soporte sobre el que los tRNA pueden aparearse correctamente con los codones del mRNA, mientras que la subunidad mayor cataliza la formación de enlaces peptídicos que unen los aminoácidos. CARACTERÍSTICAS GENERALES  Centros de unión: Cada ribosoma contiene 4 centros de unión: uno de ellos es el centro de unión al rRNA y los otros tres (llamados A, P y E) son los centros de unión de los tRNA. Veremos cada uno de ellos en la traducción.  El valor S de las subunidades no coincide con el del ribosoma completo, ya que el valor de S es una medida de la velocidad de sedimentación. El coeficiente de sedimentación depende de la superficie de contacto, por ello, al unirse las subunidades el valor total no coincide con la suma, porque aumenta la superficie general  Cada célula tiene un total de 10×106 ribosomas. En cada generación, se produce una síntesis mínima de 10×106 ribosomas  Existen 250 copias de genes de rRNA en células humanas (cromosomas 13, 14, 15, 21 y 22) - rRNA 45S: en la transcripción del DNA, no se obtiene rRNA ya maduro, sino que lo que se obtiene es un transcrito primario (denominado rRNA 45S) que contiene intrones y exones. Los exones, que conformarán el rRNA ya maduro se corresponden con 4 tipos de rRNA: ∙ rRNA 28S: 5000 nucleótidos ∙ rRNA 18S: 2000 nucleótidos ∙ rRNA 5.8S: 160 nucleótidos ∙ Residuo: 6000 nucleótidos (van a pasar a degradarse) - rRNA 5S: grupo de 200 genes en tándem en pseudogenes dispersos del cromosoma 1

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TEMA 11: TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN La transcripción y la traducción son los mecanismos por los que las células leen, o expresan, las instrucciones genéticas de sus genes.

TRANSCRIPCIÓN: DEL DNA AL RNA Es el proceso que consiste en copiar una parte de la información genética de DNA en ARN. En el caso de las células procariotas, este proceso tiene lugar en el citoplasma (no hay núcleo), mientras que en eucariotas tiene lugar en el núcleo.  RNA polimerasas: es la enzima que lleva a cabo la transcripción, catalizando la formación de los enlaces fosfodiéster que unen a los nucleótidos formando una cadena lineal. En eucariotas se distinguen 3 tipos: I→ rRNA II → mRNA, genes de proteínas y genes para los pequeños nucleares (en los espliceosomas) III → tRNA y rRNA 5S

 Fases: - Iniciación: se inicia con la apertura y desenrrollamiento de una pequeña zona de la doble hélice de DNA (no se necesita cebador), que deja al descubierto las bases de cada una de las dos hebras de DNA. Una de ellas actúa como molde. La cadena de RNA tendrá una secuencia de bases complementaria a la de ADN. La transcripción comienza siempre en una región determinada del DNA cerca de la cual existe una región denominada promotor, donde se va a unir la RNA polimerasa. Este promotor tiene una serie de secuencias (TATA y CAAT) que son reconocidas por el factor TFIID - Elongación: La RNA polimerasa se desplaza, paso a paso, a lo largo del DNA, desenrollando la doble hélice un poco por delante del centro activo de polimerización y expone una nueva región de la hebra molde para el apareamiento complementario de bases. La RNA polimerasa lee la cadena en sentido 3’ → 5’, por lo que la cadena de RNA va creciendo en sentido 5’ → 3’. La cadena de RNA se forma por la incorporación por parte de la RNA polimerasa de las bases complementarias a las de la cadena de DNA. Los sustratos son nucleósidos trifosfato (ATP, CTP, UTP y GTP) cuya hidrólisis suministra la energía y las bases necesarias para el proceso.

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- Finalización: el proceso finaliza cuando la RNA polimerasa llega a una zona del DNA, denominada zona de terminación, que se refiere a la secuencia de terminación TTATT. Se produce la liberación de la cadena de RNA sintetizada casi inmediata, a medida que va siendo sintetizada, por lo que se pueden obtener muchas copias del DNA en un periodo relativamente corto de tiempo. Se obtiene así los distintos tipos de RNA. A lo largo de la transcripción suceden dos fenómenos de notable importancia: 1) Al poco de iniciarse, en el extremo 5’ de la cadena de RNA, se añade una caperuza de 7-metilguanosina trifosfato invertida (7 metil Gppp), que constituye una señal de inicio para la traducción 2) Cuando termina la transcripción, en el extremo 3’ se añade una cola de poliA, gracias a la acción de la polimerasa.

- Tipos de RNA obtenidos: o mRNA: constituye del 3 al 5% de RNA de la célula. Suele ser monocatenario y es el encargado de copia la información del DNA y llevarla a los ribosomas del citoplasma para que sea traducida en forma de proteína o tRNA: constituye el 10% del RNA de la célula. Presenta zonas con cadena simple (asas) y otras de doble hélice en las que hay complementariedad de bases (brazos). Se encargan de transportar los aminoácidos a su sitio correspondiente de mRNA durante la traducción. consta de una serie de partes: 1) extremo 3’ (ACC) : zona de unión al aminoácido a través del grupo COOH; 2) extremo 5’ en el que se encuentra el nucleótido G; 3) brazo D: zona de reconocimiento a la que se une una enzima denominada aminoacil RNA sintetasa, que se encarga de la activación del aminoácido, permitiendo que se una al tRNA; 4) brazo T: zona de reconocimiento por parte del ribosoma; 5) anticodón: 3 bases nitrogenadas que van a ser complementarias al codón del mRNA que codifica para un determinado aminoácido o rRNA: supone hasta el 85%, porque forma junto con las proteínas, los ribosomas

- Maduración del mRNA: La cadena de pre-mRNA resultante es, en realidad un transcrito primario (RNAhn o RNA heterogéneo nuclear) que contiene una serie de secuencias codificadoras (exones) y otras no codificadoras (intrones), siendo estos últimos eliminados en el proceso de maduración por corte y empalme (RNA splicing). En este proceso, determinadas moléculas de RNA denominadas ribonucleoproteínas pequeñas transferasas (o espliceosomas), reconocen las secuencias de nucleótidos que determinan dónde se debe producir la maduración. El RNA de los espliceosomas es complementario al de los extremos de los intrones, por lo que van a formar una especie de lazos con los intrones, que luego eliminan, quedando ya la cadena de RNA definitiva (solo compuesta por exones). Mientras que el RNAhn consta de 70000 a 20.000 nucleótidos, el mRNA ya maduro consta de unos 1200.

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CÓDIGO GENÉTICO •

Mensaje codificado • Es la equivalencia existente entre la secuencia de bases del mRNA y la secuencia de aminoácidos de una cadena peptídica (proteína). • Toma de conciencia: Las mutaciones del DNA provocan cambios en las proteínas, ya que del DNA se obtiene una cadena complementaria de RNA y a partir de ésta, se forma la cadena peptídica correspondiente • Hay un conjunto de reglas que determinan qué nucleótidos del mRNA corresponden a cada aminoácido • Las bases del mRNA se agrupan en 64 codones o tripletes de bases: - 61 codones → incorporan aminoácidos específicos - AUG → codón de inicio - UAA, UAG y UGA → codones de parada • Un aminoácido puede estar codificado por

•

más de un triplete: adaptabilidad Crick y Brenner (1961): - La secuencia de nucleótidos de un mRNA se lee en grupos consecutivos de 3 nucleótidos. El RNA es un polímero lineal de 4 nucleótidos diferentes: combinaciones de 4 elementos tomados de 3 en 3 → 43 ≠ 64 → código de tripletes. Esto implica que un aminoácido puede estar codificado por más de un codón - Un triplete → Un aminoácido - Es un código de tripletes en el que la lectura del mensaje comienza en un lugar específico (asegura el marco de lectura apropiado)

TRADUCCIÓN: DEL RNA A LA PROTEÍNA Una vez transcrito el mRNA, su mensaje va a ser leído por los ribosomas en el proceso de síntesis de proteínas. En procariotas, la traducción comienza nada más terminar la transcripción o de forma simultánea. En eucariotas, el mRNA sale primero al citoplasma

• Activación y unión de los aminoácidos a los tRNA:

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El reconocimiento y la unión del aminoácido correcto depende de unas enzimas llamadas aminoacil-tRNA sintetasas, que unen covalentemente cada aminoácido con el tRNA apropiado. Estas enzimas necesitan ATP, que se hidroliza en AMP + PiPi. En primer lugar, el aminoácido es activado mediante la unión de su grupo carboxilo directamente a un grupo AMP. Sin abandonar la sintetasa, el grupo carboxilo del aminoácido unido al AMP es transferido al grupo hidroxilo del extremo 3’ de la molécula de tRNA. Esta transferencia une al aminoácido al tRNA mediante un éster activado y genera la molécula final de aminoacil-tRNA, liberándose el AMP y la aminoacil-tRNA sintetasa. La unión se realiza entre el COOH del aminoácido y la posición 3’ del tARN. • Iniciación: el mRNA se une a la subunidad pequeña del ribosoma por una secuencia inicial llamada secuencia líder, que no se traduce, en la cual hay unos diez nucleótidos complementarios con el rRNA. Esta secuencia líder está unos nucleótidos antes del primer codón que va a ser traducido. Después, la subunidad pequeña se mueve respecto al mRNA hasta llegar al primer codón que va a ser traducido (AUG). A estos nucleótidos se asocia un tRNA que presenta un anticodón UAC (se establece un puente de hidrógeno entre el codón y el anticodón) y que transporta el aminoácido metionina (formil metionina en el caso de procariotas). A este grupo de moléculas se une la subunidad ribosómica mayor, y así se forma el complejo de iniciación. En todo este proceso intervienen una serie de factores de iniciación (procariotas: IF-1, IF-2, IF-3; eucariotas: eIF‐1; eIF‐2, ‐2B; eIF‐3; eIF‐4A,…4F; eIF‐5; eIF‐6). La energía necesaria para que se lleve a cabo es aportada por el GTP. En el complejo ribosomal se diferencian 3 lugares de unión determinados: -

Centro P o centro peptidil: en él se sitúa el primer tRNA Centro A o centro aceptor (aminoacil): donde se ubican los siguientes tRNA Centro e o centro de salida: el él se sitúa el tRNA que acaba de aportar su aminoácido y que está a punto de salir del ribosoma.

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• Elongación: consta de 3 etapas que vienen mediadas por una serie de factores de elongación cada uno de los cuales hidrolizan GTP a GDP (sufriendo cambios conformacionales durante el proceso), que son diferentes en procariotas y eucariotas: en procariotas son EF-Tu, EF-Ts y EF-G; en eucariotas son: eEF‐1α; eEF‐1βγ y eEF‐2. Al centro A llega el segundo tRNA (o aminoacil-tRNA). El radical COOH del aminoácido iniciador (metionina, que ha pasado a ocupar el sitio P) se une con el radical amino del aminoácido siguiente mediante un enlace peptídico. La enzima peptidil-transferasa cataliza esta unión. Así, el centro P queda ocupado por un tRNA sin aminoácido. Entonces, se produce la translocación ribosomal y este tRNA pasa a ocupar el centro E y sale del ribosoma. El dipeptidiltRNA queda en el centro P y el centro A queda libre, en espera de un nuevo tRNA.

• Terminación: el fin del mensaje que codifica una proteína está señalado por la presencia de uno de los 3 codones UAA, UAG o UGA, llamados codones de paro. Estos codones no son reconocidos por ningún tRNA por lo que no especifican ningún aminoácido, sino que indican al ribosoma que debe detener la traducción. Unas proteínas, conocidas como factores de liberación (procariotas: RF-1 → UAA y UAG y RF-2 → UAA y UGA; eucariotas: eRF → UAA, UAG y UGA), se unen a cualquier ribosoma que tenga un codón de paro situado en el sitio A, forzando a la peptidil transferasa del ribosoma a catalizar la adición de una molécula de agua al peptidil-tRNA en lugar de un aminoácido. Esta reacción libera el extremo carboxilo de la cadena polipeptídica en crecimiento, de su unión a la molécula de tRNA y, dado que normalmente el polipéptido en crecimiento solo está unido al ribosoma por esta unión, la cadena proteica se libera al citoplasma. A continuación, el ribosoma libera el mRNA y se separan las subunidades del ribosoma.

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POLIRRIBOSOMAS Constituyen una forma de rentabilizar el trabajo. Los polirribosomas están constituidos por varios ribosomas leyendo al mismo tiempo una misma cadena de mRNA. Es decir, que cuando un mRNA puede ser leído varias veces, esta lectura es llevada a cabo por varios ribosomas a la vez. Cuando están en círculo están muy activas, cuando es en espiral es para el final.

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LECCIÓN 12: SISTEMA DE ENDOMEMBRANAS Caterina Alvarez Heidbuchel

Un fenómeno observado en todos los tipos celulares, especialmente en las eucariotas, es la compartimentalización. Ésta consiste en una diversidad que da lugar a entornos más o menos definidos (rodeados o no mediante membranas biológicas) en las cuales existe un micro - entorno que aglutina a los elementos implicados en una ruta biológica. RETÍCULO ENDOPLÁSMICO El retículo endoplásmico (ER) es una red de túbulos y sacos (cisternas) formador por membrana que se extienden desde la membrana nuclear por todo el citoplasma. Todo el retículo endoplásmico está constituido por una membrana continua que delimita un espacio interno y único llamado lumen. Dicha membrana puede representar aproximadamente la mitad de todas las membranas de la célula. Hay dos tipos de RE que realizan funciones diferentes en la célula:  

RE rugoso: cubierto por ribosomas en su superficie externa y participa en el procesamiento de las proteínas. RE liso: no está asociado con ribosomas y está implicado preferentemente en el metabolismo de los lípidos.

Retículo endoplásmico rugoso

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Este orgánulo tiene numerosos ribosomas adheridos a su membrana y presenta unos sáculos más redondeados cuyo interior se conoce como "lumen", en donde se alojan las proteínas sintetizadas en dicho orgánulo. Está muy desarrollado en las células que, por su función, deben realizar una activa labor de síntesis de sustancias (en colaboración con los ribosomas), como las células hepáticas o las células del páncreas. La distribución del RER es variable, dependiendo del desarrollo y la actividad celular. En las células nerviosas también se conoce como cuerpos de Nissl. Funciones: Desempeña fundamentalmente tres funciones: 1. Distribución proteica (Translocación). Incorporación transmembrana con destino a: - Sistema de endomembrana plasmática - Otras membranas - Otros compartimentos celulares 2. Modificaciones postraduccionales de proteínas 3. “Control de calidad” de proteínas

de

proteínas

1. Translocación proteica Proceso de paso de una proteína desde su lugar de síntesis (ribosoma) al RE. Requiere el reconocimiento de la secuencia señal de destino a RE. El fenómeno de translocación en el retículo endoplasmático rugoso es llevado a cabo por "proteínas receptoras" de su membrana. El ribosoma se acopla gracias al complejo proteico "receptor ribosómico" y la partícula reconocedora de la señal libera la proteína y regresa al citoplasma. En este momento vuelve a traducir. La proteína entra en el interior del RER gracias a un complejo proteico, "Translocón" (una especie de poro o canal). Al terminar la traducción, dentro del RER hay una "peptidasa señal" que "corta" el péptido señal quedando libre en el interior del RER, y ya puede comenzar la maduración de la proteína. Hay dos tipos de translocaciones: 

Co-traduccional: La traducción y la translocación de la proteína tiene lugar al mismo tiempo. El mecanismo por el que las proteínas son incorporadas al RE durante su traducción (vía cotraduccional) se conoce bien actualmente: las secuencias señal están constituidas aproximadamente por 20 aminoácidos, incluyendo un grupo de residuos hidrófobos. A medida que salen del ribosoma, las secuencias señal son reconocidas y unidas a unaproteína, denominada partícula de reconocimiento de la señal (PRS) y que está constituida por seis polipéptidos. La PRS se une tanto al ribosoma como a la secuencia señal, inhibiendo la traducción momentáneamente y dirigiendo todo el complejo (PRS, ribosoma y la cadena polipeptídica en crecimiento) al RE fijándose a él mediante la unión al 78

receptor de la PRS en la membrana del RE. La unión al receptor libera a la PRS del ribosoma y de la secuencia señal de la cadena polipeptídica en crecimiento. Entonces el ribosoma se une a un complejo de translocación de proteínas en la membrana del RE, y la secuencia señal se inserta en un canal de la membrana o translocón.



Post-traduccional: Primero se hace la traducción y luego la translocación. Ocurre en la mitocondria o en el peroxisoma.

2. Modificaciones postraduccionales de proteínas La modificación postraduccional de una proteína es un cambio químico ocurrido en ésta después de su síntesis proteica, que ha tenido lugar en el ribosoma. Estas modificaciones ocurren mediante cambios químicos de los aminoácidos que constituyen las proteínas. El RER es el que lleva a cabo estas modificaciones en las proteínas que a él se transfieren, entre estas modificaciones se encuentra la glucosilación, sulfación, plegamiento.

LECCIÓN 12: RER Y REL. Funciones: síntesis proteica. Proteínas implicadas y mecanismo Laura Baeza Antón

El retículo endoplásmico (RE) se define como un orgánulo laberíntico formado por sacos y tubos membranosos aplanados interconectados que, con frecuencia, se extiende a lo largo de toda la célula, y que delimitan un espacio común y único llamado LUMEN. El RE es el sitio principal de síntesis de membranas nuevas en la célula. Grandes áreas del sistema tienen ribosomas adheridos a la superficie citosólica, por lo que se denomina retículo endoplasmático rugoso (RE rugoso). Los ribosomas llevan a cabo la síntesis activa de proteínas que después se liberan en la luz o la membrana del RE. El 79

retículo endoplasmático liso (RE liso) es escaso en la mayoría de las células, pero está muy desarrollado en otras de modo que realizan funciones particulares. En muchas células eucariotas el RE liso secuestra también el Ca2+ del citosol; la liberación y la recaptación del Ca2+ del RE está implicada en la respuesta rápida a muchas señales extracelulares. Este conjunto laberíntico se distribuye por todo el citoplasma y tanto los túbulos como los sáculos están interconectados entre sí. Esto implica que los dos tipos de retículo endoplásmico se continúan. Esto quiere decir que no son dos entidades separadas, sino que las cuatro membranas, membrana nuclear interna, membrana nuclear externa, membrana del RER y membrana del REL, están en continuidad. En general, las estructuras tubulares se corresponden con el REL y las estructuras saculares con el rugoso. En cuanto a su origen filogenético, se cree que las membranas nucleares y las del RE, el complejo de Golgi, los endosomas y los lisosomas se originaron por invaginación de la membrana plasmática. Estas membranas, y los espacios que rodean, forman parte de lo que se denomina sistema de endomembranas. Los contenidos de estos orgánulos están comunicados entre sí y con el exterior de la célula por medio de vesículas pequeñas que brotan de uno de ellos y se fusionan con otro. En concordancia con este origen evolutivo las células tratan los contenidos de estos orgánulos en cierto modo como si fuesen “extracelulares”.

COMPARTIMENTALIZACIÓN CITOPLÁSMICA Cuando un orgánulo delimitado por membranas importa proteínas desde el citosol o desde otro orgánulo se enfrenta con un problema: ¿cómo pueden transportar proteínas a través de membranas que son normalmente impermeables a las moléculas hidrófobas? Esta tarea se cumple de maneras distintas según los diferentes orgánulos: o Las proteínas que se desplazan desde el citosol hacia el núcleo se transportan a través de los poros nucleares que se colocan atravesando las membranas nucleares interna y externa; los poros actúan como puertas selectivas que transportan macromoléculas específicas en forma activa, pero que también permiten la difusión libre de moléculas más pequeñas: transporte a través de los poros nucleares. o Las proteínas que se desplazan desde el citosol hacia el RE, las mitocondrias, los cloroplastos o los peroxisomas atraviesan la membrana del orgánulo por intermedio de proteínas translocadoras localizadas en ésta; a diferencia del transporte a través de los poros nucleares, la molécula proteica transportada debe desplegarse de modo de poder cruzar la membrana en forma serpenteante: transporte a través de membranas. 80

o Las proteínas que se desplazan desde el RE hacia un compartimento del sistema de endomembranas o desde él, se transportan por medio de un mecanismo que es fundamentalmente diferente de los otros dos. Estas proteínas son conducidas por vesículas de transporte, que se cargan con proteínas desde el espacio interior de un compartimento o luz, a medida que se desprenden de su membrana. A continuación, las vesículas descargan su contenido en un segundo compartimento y se funden con la membrana. En el proceso se envían también lípidos y proteínas de membrana desde el primer compartimento hacia el segundo.

RETÍCULO ENDOPLÁSMICO RUGOSO: FUNCIONES • Síntesis proteica – – –

Proteínas transmembrana (ancladas en la membrana plasmática). Todas las proteínas transmembrana se sintetizan en el RER. Proteínas de secreción. Quedan libres en el interior de la luz del RE. Sistema de endomembranas.

• Modificaciones postraduccionales, consiguiendo la estructura secundaria y terciaria de una proteína. La mayoría de proteínas que ingresan en el RE sufren allí una modificación química, como la formación de puentes disulfuro, que ayudan a estabilizar la estructura de las proteínas que puedan encontrar modificaciones de pH y las enzimas de degradación en el exterior de la célula, ya sea después de segregadas o de haberse incorporado en la membrana plasmática. Los puentes disulfuro no se forman en el citosol debido al ambiente reductor que existe allí. Muchas de las proteínas que ingresan en la luz del RE o en su membrana se convierten en glucoproteínas en el RE por la unión covalente de cadenas laterales cortas de oligosacáridos. Este proceso de glicosilación se lleva a cabo por enzimas específicas que se encuentran en el RE pero no en el citosol. Sólo algunas proteínas sufren glicosilación en el citosol y las que lo hacen tienen un único azúcar adherido. Los oligosacáridos en las proteínas tienen varias funciones según la proteína; pueden protegerla de la degradación y retenerla en el RE hasta que sea plegada correctamente o ayudan a guiarla hasta el orgánulo apropiado al actuar como señal de transporte de modo de empaquetarla en las vesículas de transporte correspondientes. • “Control de calidad” de la síntesis de las proteínas de la ruta de secreción. Algunas proteínas elaboradas en el RE están destinadas a desarrollar allí su función. Se retienen en el RE por medio de una secuencia C-terminal de cuatro aminoácidos denominada señal de retención en el RE, que es reconocida por una proteína receptora de membrana en el RE y el complejo de Golgi. Sin embargo, la mayoría de las proteínas 81

que ingresan en el RE están destinadas a otras localizaciones; son empaquetadas en vesículas de transporte que brotan del RE y se fusionan con el complejo de Golgi. La salida del RE, sin embargo, es muy selectiva. Las proteínas que se pliegan de forma incorrecta y las diméricas o multiméricas que no logran ensamblarse en forma adecuada, se retienen activamente en el RE por medio de su unión con las proteínas chaperonas que residen allí. La interacción de las proteínas chaperonas mantiene a las proteínas en el RE hasta que se produce el plegamiento apropiado; si esto no sucede, las proteínas finalmente son degradadas. En este sentido el RE controla la calidad de las proteínas que exporta hacia el complejo de Golgi.

LAS PROTEÍNAS INGRESAN EN EL RETÍCULO ENDOPLÁSMICO MIENTRAS SE SINTETIZAN

El RE es el sistema de membranas más extenso en una célula eucarionte y actúa como punto de entrada para las proteínas destinadas a otros orgánulos, como también para el RE mismo. Todas las proteínas destinadas al complejo de Golgi, los endosomas y los lisosomas y las destinadas a la superficie celular, ingresan primero en el RE desde el citosol. Una vez en el interior del RE o incorporadas en su membrana, las proteínas no vuelven a reingresar en el citosol durante su viaje posterior. Serán transferidas por medio de vesículas de transporte de un orgánulo a otro y, en algunos casos, desde un orgánulo hacia la membrana plasmática o hacia el exterior de la célula. Dos clases de proteínas se transfieren desde el citosol hacia el RE: 1) Las proteínas hidrosolubles son traslocadas por completo a través de la membrana del RE y se liberan en su luz. 2) Las proteínas transmembrana futuras son traslocadas sólo en parte y quedan incluidas en la membrana del RE. Las proteínas hidrosolubles están destinadas a la secreción (por liberación a la superficie celular) o bien a la luz de algún orgánulo. Las proteínas transmembrana se destinan a la membrana del RE, a la de otro orgánulo o a la plasmática. Todas estas proteínas son dirigidas en principio hacia el RE por una secuencia señal del RE, un segmento de ocho o más aminoácidos hidrófobos que también participan en el proceso de translocación a través de la membrana. A diferencia de las proteínas que ingresan en el núcleo, las mitocondrias, los cloroplastos y los peroxisomas, la mayoría de las proteínas que entran en el RE comienzan a ser translocadas a través de la membrana del RE antes de completar la síntesis de la cadena polipeptídica. Esto requiere que el ribosoma que sintetiza la proteína se encuentre adherido a la membrana del RE y crean regiones llamadas retículo endoplasmático rugoso debido a su aspecto en forma de cuentas de rosario característico cuando se lo observa al microcopio electrónico. 82

En consecuencia, hay dos poblaciones separadas de ribosomas en el citosol. Los ribosomas unidos a membranas se hallan adheridos al lado citosólico de la membrana del RE (y la membrana nuclear externa) y elaboran proteínas que son traslocadas dentro del RE. Los ribosomas libres no están adheridos a ninguna membrana y producen todas las demás proteínas codificadas por el DNA nuclear. Tanto unos como otros son idénticos desde el punto de vista estructural y funcional; se diferencian sólo por el tipo de proteínas que elaboran en un momento determinado. Cuando un ribosoma produce una proteína con una secuencia señal para el RE, éste dirige al ribosoma hacia la membrana del RE. A medida que se traduce una molécula de mRNA, muchos ribosomas se unen a ella. En el caso de una molécula de mRNA que codifica una proteína con una secuencia señal de RE, los ribosomas se aseguran con firmeza a la membrana del RE por medio de las cadenas polipeptídicas en crecimiento, que se insertan en ella.

LAS PROTEÍNAS SOLUBLES SE LIBERAN DENTRO DE LA LUZ DEL RE

La secuencia señal del RE es guiada hacia la membrana del RE con la ayuda de por lo menos dos componentes: o Una partícula de reconocimiento de señal (SRP; signal-recognition particle), presente en el citosol, que se une a la secuencia señal del RE cuando es expuesta sobre el ribosoma. o Un receptor SRP, inmerso en la membrana del RE, que reconoce la partícula. La unión de una SRP a una secuencia señal determina que se retarde la síntesis proteica por parte del ribosoma hasta que este y la SRP que lleva adherida se fijen a un receptor SRP. Después de la unión con este receptor se libera la SRP y vuelve a comenzar la búsqueda de nuevos ribosomas con proteínas en síntesis; ahora, el polipéptido se abre paso dentro de la luz del RE. De este modo, la SRP y su receptor funcionan como promotores moleculares conectando los ribosomas que sintetizan proteínas que contienen secuencias señal con los canales de translocación del RE disponibles. Además de dirigir las proteínas hacia el RE, la secuencia señal –que para las proteínas solubles está casi siempre en el N-terminal- cumplen la función de activar la apertura del canal de translocación. El péptido señal permanece unido al canal mientras el resto de la cadena proteica es translocada a través de la membrana como un bucle grande. En algún momento durante la translocación una peptidasa señal, localizada en el lado luminal de la membrana del RE, desprende la secuencia señal; se libera entonces el péptido señal del canal de translocación y se degrada con rapidez a aminoácidos. Una vez que el C-terminal de la proteína pasó a través de la membrana se libera la proteína en la luz del RE. 83

LAS SEÑALES DE COMIENZO Y DE DETENCIÓN DETERMINAN LA DISPOSICIÓN DE UNA PROTEÍNA TRANSMEMBRANA EN LA MEMBRANA LIPÍDICA

No todas las proteínas que ingresan en el RE son liberadas hacia la luz. Algunas permanecen incluidas en la membrana como proteínas transmembrana. El proceso de translocación de estas proteínas es más complicado que para las solubles ya que algunas partes de la cadena polipeptídica deben translocarse a través de la bicapa lipídica mientras que otras permanecen fijas en ella. En el caso más simple, el de una proteína transmembrana con un único segmento que permite atravesarla, la secuencia señal N-terminal inicial la translocación, igual que para el caso de una proteína soluble. Pero el proceso de transferencia se detiene por una secuencia agregada de aminoácidos hidrófobos, una secuencia de detención de transferencia, ubicado más adelante en la cadena polipeptídica. Esta segunda secuencia se libera del canal de translocación y se mantiene en el plano de la bicapa lipídica, donde forma un segmento α-helicoidal que ancla la proteína en la membrana. Al mismo tiempo, la secuencia señal N-terminal también se libera del canal dentro de la bicapa lipídica y se desprende. Como resultado, la proteína translocada finaliza como una proteína transmembrana insertada en la membrana con una orientación definida: el Nterminal sobre el lado luminal de la bicapa y el C-terminal sobre el lado citosólico. Una vez insertada en la membrana, una proteína transmembrana no cambia su orientación, que se mantiene durante cualquier acontecimiento de brote y fusión vesicular ulterior. En algunas proteínas transmembrana hay una secuencia señal interna, en lugar de Nterminal, que comienza la transferencia proteica; esta secuencia señal interna, llamada secuencia de comienzo de transferencia, nunca se elimina del polipéptido. Esta disposición se presenta en algunas proteínas transmembrana en las que la cadena polipeptídica pasa varias veces a través de la bicapa lipídica. En estos casos se considera que las secuencias señal hidrófobas actúan por parejas: una secuencia de comienzo de transferencia interna inicia la translocación, que continúa hasta que se alcanza la secuencia de detención de transferencia; luego se liberan las dos secuencias hidrófobas en la bicapa, donde permanecen como hélices α que abarcan todo el espesor de la membrana.

PROTEÍNAS DE SECRECIÓN: proteínas solubles no ancladas a membrana

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El inicio del proceso de síntesis de proteínas es igual para todas. Comienza con la formación de un ribosoma, que inicialmente es un ribosoma libre citoplásmico. Este ribosoma va a empezar a sintetizar la proteína. Si esta proteína presenta una SECUENCIA SEÑAL DE IMPORTACIÓN AL RETÍCULO ENDOPLÁSMICO, en cuanto esta señal emerge por el ribosoma es reconocida por la partícula SRP, lo que produce el freno transitorio del proceso de traducción. Este freno transitorio de la traducción permite darle tiempo al ribosoma para que se mueva por el citoplasma, alcance la membrana del RE y se una a ella. La forma del ribosoma de unirse a la membrana del RE es inicialmente por la interacción de la proteína SRP con el RECEPTOR DE SRP, y el conjunto formado por los ribosomas, la proteína SRP y el receptor de SRP se va a mover por la membrana del RER hasta llegar al translocón, un poro que permite el paso de la proteína que se está sintetizando hasta el lumen del RER. A medida que se va sintetizando la proteína, va pasando al lumen, y en un determinado momento actúa una enzima llamada PEPTIDASA SEÑAL, que corta la secuencia señal del RE, y por lo tanto, hace que la proteína que se está sintetizando pierda el único punto de contacto que tenía con el translocón. El proceso continúa y la proteína se sigue sintetizando. Cuando finaliza la síntesis, la proteína queda libre y soluble en el citoplasma, y no anclada a membrana.

PROTEÍNAS TRANSMEMBRANA DE PASO ÚNICO

Tienen el grupo amino terminal orientado hacia el lumen. Tras la actuación de la peptidasa señal, la proteína sigue pasando al lumen pero en un determinado momento se sintetiza una secuencia de aminoácidos de esta proteína rica en aminoácidos hidrofóbicos. En cuanto esta región atraviesa el translocón se frena la transferencia, es decir, el transporte. Esta secuencia se denomina SECUENCIA DE FRENO DE LA TRANSFERENCIA. Esta secuencia se va a transformar en la futura región transmembrana [dominio transmembrana] de esta proteína. Esto se consigue gracias a que el translocón se abre lateralmente liberando la proteína que se está sintetizando en la membrana. Mientras, el ribosoma sigue unido al translocón, pues la proteína no se ha terminado de sintetizar. El resto de la proteína que se sigue sintetizando no pasa por el translocón y queda a nivel del citoplasma. Al final del proceso, se obtiene una proteína transmembrana que atraviesa una sola vez la membrana del RER y que tiene el grupo amino terminal orientado hacia el lumen, y el grupo carboxilo terminal orientado hacia el citoplasma.

PROTEÍNAS TRANSMEMBRANA DE PASO MÚLTIPLE

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En las proteínas transmembrana de paso múltiple la cadena polipeptídica atraviesa repetidamente, de una parte a otra, la bicapa lipídica. Este tipo de proteínas se piensa que son insertadas como resultado de una serie de alteraciones de la secuencia señal y secuencias transmembrana de detención de la transferencia. Una secuencia de señal da lugar a la inserción en la membrana de una cadena polipeptídica con su extremo amino terminal en el lado citosólico. Si a continuación se encuentra una secuencia de detención de la transferencia mayor, la síntesis de la proteína continuará en el lado citosólico de la membrana. Si aparece una segunda secuencia señal, la cadena polipeptídica en crecimiento se insertará otra vez en el RE, dando lugar a otro dominio en forma de bucle en el lado citosólico de la membrana. Puede seguir otra secuencia de detención de la transferencia por lo que una serie alternante de secuencia señal y de detención de la transferencia puede dar lugar a la inserción de las proteínas que atraviesan la membrana varias veces, con dominios en forma de bucle expuestos tanto al lumen del RE como al lado citoplásmico.

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LECCIÓN 13: PROTEÍNAS DE ESTRÉS TÉRMICO 1. DESCUBRIMIENTO En 1962, F.M. Ritossa observó en células de las glándulas salivales de la Drosophila melanogaster, la mosca de la fruta, cómo el cromosoma presentaba pocos minutos después de ser sometidas a incrementos en la temperatura ambiental, engrosamientos en diferentes lugares del ADN. Estos abultamientos del ADN correspondían a la amplificación de genes que codificaban proteínas que fueron posteriormente identificadas por A. Tissières como proteínas del choque térmico o proteína de estrés térmico, que tenían distinto peso molecular, pero entre las que sobresalía una de 70.000 daltons y que se conoce como la HSP70. Mediante factores de estrés se puede aumentar la expresión de los genes que transcriben para este tipo de proteínas. Algunos de estos factores son calor, isquemia (sufrimiento celular causado por la disminución transitoria o permanente del riego sanguíneo y consecuente disminución del aporte de oxígeno, de nutrientes y la eliminación de productos del metabolismo), acidosis, ionóforos (moléculas soluble en lípidos, usualmente sintetizada por microorganismos para transportar iones), metales pesados…. Este tipo se proteína se localiza en todas las células y existe una alta homología entre las especies. Esto es que las proteínas de estrés térmico de diferentes especies presentan secuencias de aminoácidos semejantes. Esto indica que es un sistema rentable y por ello se ha mantenido a lo largo de la evolución filogenética. Los genes que producen estas proteínas se pueden expresar de forma continua, este tipo de proteínas se llaman proteínas constitutivas (HSC) o bien se pueden producir por los factores de estrés, este tipo de proteína son las proteína producidas en estrés (HSP). Aunque, en definitiva, todas estas proteínas se las llaman proteínas de estrés térmico. La función de estas proteínas consiste en reconocer y restaurar la conformación nativa de las proteínas. Para realizar esta función: -Se unen a péptidos recién sintetizados para su plegado corrector, esto lo realizan las moléculas celadoras o chaperonas. -Impiden la agregación y plegado prematuro de las proteínas. -Estabilizan las regiones hidrofóbicas en el interior de las proteínas. Se distinguen dos clases: -Clase I: se encargan de mantener el despliegue de las proteínas antes de que se plieguen. -Clase II: ayudan a realizar el correcto plegamiento de las proteínas. Este tipo de proteínas también se llaman glóbulo fundido.

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2. CLASIFICACIÓN

Las proteínas de estrés térmico se clasifican del siguiente modo: -Ubiquitina: se une por enlace covalente a las proteínas para su destrucción y su despliegue con ATPasas. -Familia HSP60 (clase II) cuya estructura se basa en un doble anillo cilíndrico. Se pueden encontrar en bacterias (GroEL) y en mamíferos (TRiC-citosol; HSP58-mitocondrias). Esta familia se encarga del plegamiento correcto de proteínas, ensamblaje de oligómeros y transporte proteico a través de membranas. -Familia HSP70 (clase I). Presenta más del 50% de homología entre bacterias y humanos. Se localiza en diferente sitios: núcleo (HSP73), citosol HSP72), retículo endoplasmático (BiP) y mitocondrias (mtp70=HSP70). Se encargan de: mantener las proteínas desplegadas, procesos de translocación de proteínas, degradación de las proteínas mal plegadas y disminución de procesos celulares dependientes de ATP.

MODIFICACIONES DE LAS PROTEÍNAS EN EL RE 3. PLEGAMIENTO DE PROTEÍNAS

C) FORMACIÓN DE PROTEÍNAS OLIGOMÉRICAS. Las proteínas oligoméricas son aquellas que tienen la estructura cuaternaria, es decir, que son proteínas formadas por varias cadenas de aminoácidos. Durante su formación, lo que ocurre es que las diferentes cadenas se sintetizan en diferentes momentos. Para evitar que una cadena se pliegue antes o se degrade, lo que ocurre es que cuando una cadena se sintetiza se le une una chaperona para impedir su plegamiento hasta que las demás cadenas se hayan sintetizado para que luego se plieguen conjuntamente.

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D) IMPLICACIÓN DE LAS CHAPERONAS EN EL CONTROL DE CALIDAD. 1. RETENCIÓN DE PROTEÍNAS MAL PLEGADAS O ENSAMBLADAS EN EL RE Las células controlan cuidadosamente la cantidad de proteínas mal plegadas que hay en varios compartimentos. Por ejemplo, una acumulación de proteínas mal plegadas en el citosol desencadena una respuesta a choque térmico, que estimula la transcripción de los genes que codifican las chaperonas citosólicas, las cuales ayudarán a volver a plegar las proteínas. De manera similar, una acumulación de proteínas mal plegadas en el RER desencadena una respuesta a proteínas desplegadas, que incluye un aumento de la transcripción de genes que codifican las chaperonas del RER, proteínas que participan en la retrotranslocación y degradación de proteínas en el citosol, y muchas otras proteínas que colaboran a incrementar la capacidad de plegamiento de proteínas del RER. Se inicia el llamado sistema UPR, que consiste en sistema de señales que se establecen entre las proteínas mal plegadas y los genes que transcriben las chaperonas para así se generen más chaperonas. Además, de incrementarse las chaperas se aumentan los niveles de fosfolípido para aumentar la membrana del RER y también aumenta la exportación RE-GOLGI-MB. En estas condiciones de demasiadas proteínas mal plegadas, la célula es capaz de soportarlo durante un tiempo, pero si esta situación no se resuelve debido a un fallo, la célula programa su muerte esto es lo que se llama apoptosis.

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2. REGRESO DE PROTEÍNAS DEL APARATO DE GOLGI AL RE. A veces, también puede ocurrir que haya proteínas mal plegadas que salgan del RE y se dirijan al aparato de Golgi ya que el sistema de degradación de proteínas no es perfecto. Por ello, hay un sistema de regreso de estas proteínas mal plegadas del aparato de Golgi al RE.

3. DEGRADACIÓN DE PROTEÍNAS MAL PLEGADAS: PROTEASOMAS Los proteosomas son componentes que no están relacionados con la vía secretora. Los proteosomas junto con los lisosomas forman parte de los sistemas de degradación de macromoléculas de las células. Los proteosomas son complejos proteolíticos, es decir, están encargados de degradar exclusivamente proteínas, a diferencia de los lisosomas. Los proteosomas se encuentran tanto en el citoplasma como en el núcleo y a también a diferencia de los lisosomas no están rodeados de membrana. Existen dos tipos de proteasomas: -Proteasoma 20S: que es un conjunto proteico que tiene una estructura cilíndrica hueca que en su interior delimita una cavidad. Esta estructura cilíndrica está constituida por 28 subunidades proteicas, y de las 28, 14 son las denominadas subunidades β, que son las subunidades catalíticas, que son las enzimas proteolíticas. Las otras son las subunidades α o estabilizadoras, es decir, tienen una función de estabilizar el proteosomas 20S. Estas 28 proteínas forman 4 anillos cado uno de ellos constituido por 7 proteínas. Los dos anillos externos, están constituidos por las 7 subunidades α cada uno, y los dos anillos centrales están constituidos por 7 subunidades β cada uno. Las subunidades α y β hay muchas distintas. El sitio activo de las β está orientado hacia el interior de la cavidad interna de la estructura cilíndrica. Esto va a implicar que las proteínas que va a 90

ser capaz de degradar el proteosoma tienen que penetrar en el interior del proteosoma para ser degradadas. Así, habrá dos anillos de subunidades α y dos anillos de subunidades β. Presentan múltiples sitios para la fragmentación endocatalítica de enlaces peptídicos. -Proteasoma 26S: está formado por el cilindro hueco de 20S y un complejo proteico en cada extremo. Estos dependen de ATP. Los complejos extremos se tratan por un lado de un receptor de ubiquitina y otro es el desplegador de proteínas. A la proteína mal plegada se une una ubiquitina primero que se plega y se siguen uniendo más ubiquitinas hasta que llega al proteasoma. Las ubiquitinas se quedan pegadas en la superficie del receptor de ubiquitina, mientras que el resto del proteosoma se encarga de cortar la cadena de aminoácidos que pueden ser reutilizados para sintetizar otras proteínas.

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LECCIÓN 14: SISTEMA DE ENDOMEMBRANAS II-REL

El retículo endoplasmático liso (REL) es una red intertubular interconectada en el citoplasma de todas las células. Es un orgánulo que aunque está presente en todas las células del organismo, en general no está muy desarrollado. Solamente va a haber algunos tipos de células donde esté muy desarrollado, y son precisamente aquellas células en las que la función del REL es muy importante para el desempeño de la función celular. El REL presenta una continuidad con el retículo endoplasmático rugoso (RER). No presenta ribosomas en su membrana. Además, establece contacto directo con las mitocondrias, peroxisomas y depósitos de glucosa. Mientras que el RER no presenta un contacto directo con las mitocondrias. El tamaño del lumen del REL puede llegar a ser mayor que el del RER. El REL se distribuye de forma especializada en células musculares estriadas esqueléticas, células musculares estriadas cardiacas, células secretoras de esteroides y hepatocitos (síntesis de lipoproteínas para exportación). Su función principal es la biogénesis.

COMPOSICIÓN QUÍMICA COMPARADA RER/REL

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FUNCIONES DEL REL

1. BIOGÉNESIS DE LAS BICAPAS LIPÍDICAS La membrana del REL sintetiza casi todas las clases importantes de lípidos incluyendo los fosfolípidos y el colesterol necesarios para la elaboración de nuevas membranas celulares. 

FOSFOLÍPIDOS

El principal fosfolípido fabricado es la fosfatidilcolina (lecitina), que puede formarse en tres etapas a partir de colina, dos ácidos grasos y glicerol fosfato. Cada etapa está catalizada por enzimas de la membrana del REL que tienen sus lugares activos dispuestos hacia el citosol, donde se encuentran los metabolitos necesarios. Por lo tanto la síntesis de fosfolípidos sólo tiene lugar en la cara citosólica de la membrana del REL. Dado que los ácidos grasos no son solubles en agua, son transportados desde su lugar de síntesis en el REL por unas proteínas de unión a ácidos grasos del citosol. Tras llegar a la membrana del REL y ser activados por CoA, las acil-transferasas añaden consecutivamente dos ácidos grasos al glicerol fosfato produciendo ácido fosfatídico. El ácido fosfatídico es lo bastante insoluble en agua como para permanecer en la bicapa lipídica después y no ser extraído de la bicapa por las proteínas de unión a ácidos grasos.

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Por lo tanto, esta etapa es la que hace crecer la bicapa lipídica del REL. Las últimas etapas determinan el grupo de cabeza de la molécula lipídica recién sintetizada y, por tanto, la naturaleza química de la bicapa, pero no suponen un crecimiento neto de la membrana.

RESUMEN: Los ácidos grasos del citoplasma están rodeados de proteínas porque los ácidos grasos son hidrófobos y pueden estar en contacto con un medio acuoso. Estos ácidos grasos se traspasan a la membrana del REL, por acción de unas enzimas se unen CoA los ácidos grasos que se acercan y cuando hay dos ácidos grasos se unen juntos a un glicerol. Finalmente, otras enzimas se encargan de atraer la cabeza apolar para unirse al tercer grupo –OH del glicerol. Así pues, es como se sintetiza un fosfolípido. 

INTERCAMBIO DE LÍPIDOS ENTRE MEMBRANAS DE DIFERENTES ORGANELAS

La síntesis de fosfolípidos tiene lugar en la mitad citosólica de la bicapa lipídica del REL, por lo que debe existir algún mecanismo que transfiera alguna de las moléculas de fosfolípidos recién sintetizados hacia la mitad luminal de la bicapa. En bicapas lipídicas sintéticas, los lípidos no son capaces de “saltar” (“flip-flop”) de esta manera. En el REL, sin embargo, los fosfolípidos se equilibran a través de la membrana en cuestión de minutos, lo cual es al menos unas 100.000 veces más rápido de lo que puede representar el flip-flop espontáneo. Este desplazamiento rápido transbicapa está mediado por un translocador de fosfolípidos mal caracterizado, denominado escramblasa, que posibilita el equilibrio de la concentración de fosfolípidos entre las dos hojas de la bicapa lipídica. Una vez formada la bicapa lipídica en el REL, se transportan a la membrana plasmática y ahí es cuando se ordenan los fosfolípidos ya que estos tiene que ocupar una posición concreta en la membrana. En la membrana, la flipasa cataliza la translocación de determinados fosfolípidos a la monocapa citosólica.

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El transporte de los fosfolípidos recién sintetizados de la membrana del REL a la membrana plasmática se puede realizar de dos formas: -Por aproximación de las membranas (b): este sistema no está demostrado. Se basa en que hay una seria de proteínas en ambas membranas. Estas son unas proteínas hipotéticas. Se llaman proteínas hipotéticas a aquellas cuya existencia se ha predicho, pero que no existen pruebas experimentales de su existencia. Estas proteínas se unirían cuando se aproximan las membranas, una vez unidas se trasladan los fosfolípidos de la membrana del REL a la membrana plasmática por estas proteínas. -Por transportadores específicos: este sistema puede ser en base a dos procesos: por vesículas (a) o bien por proteínas “blinding”(c). El transporte por vesículas consiste en que el retículo endoplasmático liso genere vesículas con los fosfolípidos recién sintetizados que se dirigen a la membrana plasmática. El transporte por proteínas “blinding” consiste en que estas proteínas presentan un espacio dedicado a los fosfolípidos. El fosfolípido se une a la proteína “blinding” y de ahí pasa a la membrana plasmática, liberándose el espacio de la proteína. 3.REACCIONES DE DETOXIFICACIÓN

Las reacciones de detoxificación son aquellas en las que se eliminan las sustancias nocivas o tóxicas como insecticidad, drogas o medicamentos,… Los estudios farmacocinéticos son aquellos en los que se valora la concentración de citocromo. Y se llevan a cabo para valorar si un fármaco es útil o perjudicial. También se lleva a cabo la eliminación de catabolitos como estrógenos que se eliminan al final de cada ciclo menstrual. Los órganos implicados en la detoxificación son piel, pulmón, hígado, intestino y riñón.

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En estas reacciones de detoxificación intervienen varias enzimas, que son de dos tipos flavoproteínas (NADH-citocromo reductasa y NADH-citocromo b5 reductasa) y hemoproteínas (citocromo b5 y citocromo P450). Estas enzimas lo que hacen es transformar a las moléculas tóxicas solubles en moléculas solubles menos tóxicas y más fáciles de eliminar. Por ejemplo, la enzima citocromo P450 convierte a una molécula insoluble en soluble por adición de grupos alcoholes (–OH). Es decir, llevan a cabo una reacción monooxigenasa:

siendo RH=molécula insoluble; ROH=molécula soluble. 4.RECAMBIO IÓNICO 4.1.ALMACÉN DE CALCIO INTRACELULAR: SEÑALIZACIÓN CELULAR.

El REL se encarga de controlar la cantidad de calcio que hay en el citoplasma. De este control del calcio, dependen procesos tales como la secreción, excitabilidad, proliferación celular, transcripción génica y contracción muscular. Los iones calcio que se van a acumular en el interior, penetran al lumen mediante bombas de calcio [bombas de tipo P]. La calreticulina es un tampón de que se encuentra en el REL. La calreticulina es una chaperona que trabaja dentro del retículo para fijar el calcio en el citoplasma o en retículo. El intercambio de se realiza intercambiando y . También puede realizarse el intercambio entre otros compartimentos celulares. Cuanto mayor es la concentración de calcio en el citoplasma, mayor es la actividad de la célula, sin embargo, 96

cuanto menor es la concentración de calcio menor es la actividad de la célula. Por eso, mientras la célula tenga poco actividad se almacena el calcio en el retículo, pero cuando necesita aumentar la actividad libera el calcio al citoplasma.

4.2.CONTRACCIÓN MUSCULAR: RETÍCULO SARCOPLÁSMICO

El retículo endoplasmático liso recibe el nombre de retículo sarcoplásmico en las células musculares. Cuando las células musculares se contraen se aproximan los extremos de la célula, esto es porque se libera calcio en el citoplasma cuando recibe una orden de las fibras nerviosas que liberan neurotransmisores. De la membrana presináptica salen una serie de sustancias químicas (acetilcolina) que activa a la proteína GPCR de la membrana plasmático de la célula muscular. Esto activa la parte fosfolipada de la proteína GPCR (fosfoslipasa C) que actúa con el inositol y se liberan el inositol trifosfato que abre a los bombas de calcio del retículo sarcoplásmico. De esta forma, se libera el calcio al citoplasma que actúan con las fibras de activa y se produce el deslizamiento de los filamentos que darán lugar a la contracción muscular. Una vez se produce la contracción muscular, la célula se relaja y para ello, lo que hace es recolectar el del citoplasma al retículo.

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5.GLUCOGENÓLISIS

La glucogenólisis es un proceso catabólico llevado a cabo en el citosol (citoplasma) que consiste en la remoción de un monómero de glucosa de un glucógeno mediante fosforólisis para producir glucosa 1 fosfato, que después se convertirá en glucosa 6 fosfato, la glucólisis. Es antagónica de la glucogénesis. La otra función del retículo endoplasmático liso es mandar glucosa a la sangre. La glucosa se almacena en forma de gránulos sin membrana. Los principales almacenes de glucosa que hay en el ser humano son el hígado y músculo. Esta glucosa es la reserva, la glucemia es el nivel de glucosa en sangre. Cuando la glucemia llega a un nivel bajo, las células liberan la glucosa y pasa a la sangre. La glucosa se almacena en forma de carbohidratos de glucógeno para separar a los monómeros se fosforila una glucosa formándose glucosa-1fosfato, luego ese glucosa se transforma en glucosa-6-fosfato que al interaccionar con las proteínas de glucosa-6Pasa hacen que se libere el fosfato. De esta forma, queda glucosa libre que puede salir de la célula a la sangre. CORRELACIÓN CLÍNICA.

A los niños con fiebre y vómito se les debe suministrar agua

con azúcar.

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LECCIÓN 15: APARATO DE GOLGI

En 1898, Camillo Golgi descrubrió el aparato/complejo de Golgi mientras estaba probando técnicas de tinción para poder de manifiesto las células nerviosas. Utilizó la impregnación argéntica. Sin embargo, Camillo Golgi le denominó aparato reticular interno. Los puntos negros que observamos corresponde con al aparato de Golgi.

El aparato de Golgi es un orgánulo presente en todas las células eucariotas excepto los glóbulos rojos y las células epidérmicas. Pertenece al sistema de endomembranas del citoplasma celular. El complejo de Golgi es un sistema de cisternas aplanas que está formado por dictiosomas que están interrelacionados. Cada dictiosoma está a su vez formado por 4-6 cisternas o sáculos aplanados rodeados de membrana que se encuentran apilados uno sobre otro. En los dictiosomas distinguimos una región central y extremos dilatados. Están en un continuo proceso de endocitosis y exocitosis. Alrededor del complejo de Golgi, existe una zona donde no hay ribosomas, ni glucógeno ni mitocondrias que se denomina zona de exclusión periférica. Esta zona se relaciona con el REL y presenta vesículas de transporte. Las distintas cisternas que componen el aparato de Golgi están divididas en tres niveles de organización que se diferencian en la forma y la composición química ya que cada una tienes proteínas diferentes. Los tres niveles son: la cara cis, que es la más interna y próxima al retículo; cara media; y cara trans que es la más externa y cercana a la membrana plasmática.

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Así pues, podemos distinguir varios tipos de cisternas: -Cisterna CGN (cis-Golgi Network) o red cis del Golgi: es la cisterna más interna y próxima al retículo. Esta cisterna recibe las vesículas del retículo. Este cisterna se forma por vesículas del retículo, después se une al aparato de Golgi. -Cisterna Cis. -Cisterna Medial. -Cisterna Trans. -Cisterna TGN (trans-Golgi Network) o red trans del Golgi: es la cisterna más externa y próxima a la membrana plasmática. Esta cisterna envía vesículas a la membrana. DISTRIBUCIÓN Y LOCALIZACIÓN.

El aparato de Golgi está relacionado con los centrosomas y se sitúa en una posición fija según los centriolos de los centrosomas. La posición del complejo de Golgi depende de la población celular, varía de un tipo a otro de célula y según el ciclo funcional en el que se encuentre la célula: -En las células de secreción exocrina, se encuentran en una posición yustanuclear que corresponde con el polo secretor donde hay una alta actividad por ello que acumula el aparato de Golgi en esa zona. -En las neuronas, el aparato de Golgi es muy extenso y se coloca alrededor del núcleo. -En las células musculares, el complejo de Golgi es muy escaso.

Las cisternas de los dictiosomas forman compartimentos de composición bioquímica diferente. Esto es que presentan proteínas distintas. Por lo que, presentan una actividad funcional diferente. Están apiladas una sobre otro, por eso el producto final de una cisterna será el producto inicial de la siguiente.

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MODELOS DE TRANSPORTE DE SUSTANCIAS POR EL COMPLEJO DE GOLGI Existen dos modelos que explican el transporte de las sustancias por el aparato de Golgi. 

MODELO DE TRANSPORTE VESICULAR Este modelo se basa en la exocitosis en la cisterna de origen y endocitosis en la cisterna de destino. Las vesículas del retículo forman una red tubular antes de llegar al aparato de golgi. Seguidamente de este sistema tubular se envían las vesículas a la cisterna CGN. De la cisterna CGN pasan a la siguiente cisterna por exocitosis y la cisterna siguiente recibe las vesículas por endocitosis. Así, hasta que llega a la última cisterna que es la TGN que envía las vesículas por exocitosis a la

membrana plasmática. Para el sistema de devolución de sustancias (sistema inverso al de envió de sustancias), es semejante al de envío, la única diferencia es que desde la cisterna CGN la vuelta es directa al retículo sin pasar por un sistema intermedio tubular. Aunque también hay vesículas que pasen por este sistema intermediario. 

MODELO DE MADURACIÓN DE CISTERNAS Este modelo se basa en el avance cada cisterna al siguiente estadio de maduración. Las vesículas del retículo forman una red tubular que más tarde se unirá al aparato de Golgi, formando la cisterna CGN. Esta cisterna pasaría a formar la siguiente cisterna de maduración y así seguidamente hasta que sea la cisterna TGN. Una vez que es la cisterna TGN produce vesículas de exocitosis que envían las sustancias a la membrana plasmática.

Sin embargo, el sistema de retorno no sería el mismo de maduración de cisternas sino que sería el mismo que el del modelo anterior.

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Este modelo resulta más difícil puesto que como cada cisterna tienes proteína diferentes, resultaría para la célula una mayor pérdida de energía tener que adecuar las proteínas en cada momento de maduración que sólo enviar vesículas.

FUNCIONES DEL APARATO DE GOLGI

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

GLICOSILACIÓN

La glicosilación consiste en la modificación de las proteínas y lípidos que se han sintetizado en el RER mediante la adición de carbohidratos a sus cadenas. El papel de la glisosilación es: -Protección: los carbohidratos pueden actuar como señales para evitar que sean eliminados. -Adhesión y reconocimiento celular: estos carbohidratos pueden actuar como señales de reconocimiento de por orgánulos específicos a los que deben llegar para adherirse a ellos. -Señalización celular. -Distribución de proteínas hacia lisosomas. -Plegamiento de proteínas.

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LECCIÓN 17: LISOSOMAS Los lisosomas son compartimentos delimitados por membrana, rellenos de enzimas hidrolíticas solubles (hidrolasas ácidas), que controlan la digestión intracelular de macromoléculas. Duve, por ultracentrifugación diferencial, determinó: -

Los lisosomas se hallan en todas las células eucariotas y dentro de éstas, se encuentran en mayor concentración en las polimorfonucleares (granulocitos) que en las células monomorfonucleares (agranulocitos).

-

En cuanto a su estructura, se trata de un orgánulo esférico rodeado de membrana, la cual protege a la célula de la propia acción de las enzimas y lleva a cabo una permeabilidad selectiva. La gran variedad morfológica de los lisosomas refleja la amplia variedad de funciones digestivas que median sus enzimas (diferentes estados metabólicos) y de la manera en que se forman.

-

Composición química (contenido): •

Las hidrolasas ácidas tienen un pH de funcionamiento óptimo muy ácido, por lo que, para mantener esa acidez en el interior de la membrana hay una bomba de H+ que bombea H+ hacia el interior del lisosoma, en contra de gradiente, por lo que consume ATP.

•

La mayoría de las proteínas de membrana están muy glucosiladas, lo que las protege de las proteasas lisosómicas del lumen.

•

Presentan receptores indicativos de las sustancias a degradar.

•

Se distinguen unos transportadores de membrana (proteínas) que llevan los productos finales de la digestión al citoplasma.

•

Las hidrolasas ácidas agrupan a un variado número de enzimas hidrolíticas (fosfatasas, lipasas, glucosidasas…) distintas para cada célula

•

Presentan diferentes estadios: lisosoma primario (1), lisosoma secundario (2 y 3), lisosoma con formas mielínicas (4), cuerpos residuales (6).

110

BIOGÉNESIS DE LOS LISOSOMAS Las proteínas lisosómicas recién sintetizadas son transferidas al lumen del RE, para ser transportadas a través del complejo de Golgi y ser luego conducidas por medio de vesículas de transporte desde la red trans Golgi a los endosomas tempranos mediante vesículas de transporte recubiertas de clatrina. Las hidrolasas lisosómicas contienen N-oligosacáridos que son modificados covalentemente de una forma característica en la red cis del Golgi, de manera que sus residuos de manosa son fosforilados: la acción secuencial de dos enzimas en las redes del cis y del trans Golgi añade grupos manosa 6-fosfato (M6P) a los precursores de las enzimas lisosómicas. La enzima que reconoce las hidrolasas lisosómicas en el complejo de Golgi tiene un lugar catalítico y un lugar de reconocimiento, separados. El lugar catalítico procede a la unión de N-oligosacáridos ricos en manosa y UDP. El lugar de reconocimiento se une a una zona señal que sólo se encuentra sobre la superficie de las hidrolasas lisosómicas. Una segunda enzima elimina el grupo fosfato y deja expuesta la M6P. Las enzimas lisosómicas, son separadas de todas las demás proteínas en el trans del Golgi porque unas proteínas adaptadoras monoméricas de la cubierta de clatrina se unen a los receptores de M6P, que a su vez reconocen y unen a las hidrolasas ácidas lisosómicas modificadas. Las vesículas recubiertas de clatrina formadas en el trans del Golgi pierden su cubierta (quedan en forma de lisosomas primarios) y se fusionan con los endosomas tempranos. Se forman así los endosomas tardíos o lisosomas secundarios. Al bajo pH de estos últimos, las hidrolasas se disocian de los receptores de MP6; los receptores vacíos son reciclados en vesículas recubiertas de retrómero hasta el complejo de Golgi, para rondas posteriores de transporte. En los endosomas, el fosfato es eliminado de los residuos de manosa unidos a las hidrolasas con el fin de asegurar que las hidrolasas no vuelvan al complejo de Golgi con el receptor.

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CLASIFICACIÓN DE LOS LISOSOMAS: •

Lisosomas primarios Hablamos de lisosomas primarios para referirnos a las vesículas formadas en la red trans del Golgi, que contienen las hidrolasas ácidas sintetizadas en el RE, una vez han perdido el recubrimiento de clatrina. Son los lisosomas recién formados (Ø 0’3 – 1’5 μm), por lo que aún no han participado en procesos digestión al no haberse fusionado con vesículas que contengan sustancias a digerir. Su contenido es denso y homogéneo. Destino • Fusión con vesículas transportadoras de sustancias a digerir (endógenas y exógenas) y hueso • Vertido a espacio extracelular (Ej.: remodelación cartílago)

•

Lisosomas secundarios Se corresponden con orgánulos de morfología variable que son el resultado de la fusión de un lisosoma primario con otro componente endosómico. El lisosoma secundario recibe el nombre de endosoma tardío si se forma por la fusión de un lisosoma primario con un endosoma temprano. Su finalidad es la digestión de las sustancias contenidas en el interior del endosoma con el que se fusiona el lisosoma primario. Clasificación en función del origen del segundo componente • 1.‐ Fagolisosomas → lisosoma primario + fagosoma • 2.‐ Autofagosoma → lisosoma primario + autofagosoma • 3.‐ Lisosoma → lisosoma primario + endosoma sin digestión

•

Cuerpos residuales

Una vez hecha la digestión, parte de las sustancias en los lisosomas secundarios no se pueden digerir o los restos no se eliminan, por lo que quedan como cuerpos residuales en las células (su contenido es indigerible). • • •

Figuras mielínicas Lipofucsina Pigmentos biliares, ferritinas, sustancias exógenas endocitadas 112

•

Cuerpos multivesiculares • •

•

Lisosoma primario + endosoma temprano (vesícula de endocitosis) Actividad fosfatasa ácida

Lisosomas

Se trata de un compartimento endosomal sin digestión.

FUNCIÓN DE LOS LISOSOMAS: •

Degradación vía heterofagosomas (tema 5) La célula utiliza grandes vesículas endocíticas denominadas fagosomas para ingerir grandes partículas tales como microorganismos y células muertas. En los protozoos, la fagocitosis constituye un sistema de alimentación. Resultado • Nutrición celular • Defensa contra patógenos • Reabsorción de proteínas • Detoxicación

•

Degradación vía autofagocitosis (Autofagia) Son vacuolas de doble membrana. Los autofagosomas parten de una organización citoplásmica de lípidos y proteínas, por enrollamiento o fusión de sáculos del REL. Su contenido, por tanto, procede del interior de la célula.

Resultado • Disminución de componentes innecesarios (mitocondrias en 15 min) • Destruye zonas lesionadas de las células • Procesos de metamorfosis • Nutrición en condiciones desfavorables • Regula la secreción celular excesiva (crinolisosomas)

•

Digestión extracelular Consiste en la liberación de las enzimas contenidas en los lisosomas, hacia el exterior. Por lo tanto, estas enzimas (hidrolasas ácidas) actúan fuera del lisosoma. - Fisiológica → Fecundación - Patológica → Artritis reumatoide (Inhibidor → Cortisona) 113

PATOLOGÍAS DE ORIGEN LISOSOMAL - Alteración de la membrana lisosomal • Silicosis → cristales de sílice → rotura de lisosomas → lesiones pulmonares • Gota → cristales de ác. úrico → rotura de lisosomas → inflamación • Enfermedad de Chediak‐Higashi → lisosomas gigantes (muerte temprana) -

Alteración del contenido enzimático (origen genético) → enfermedades de acumulación • Esfingolipidosis • Mucopolisacaridosis • Glucogenosis

- La enfermedad de Niemann‐Pick → Acumulación tisular de esfingomielina, principalmente en los monocitos y MØ, por déficit de esfingomielinasa. La enfermedad ocurre sobre todo en los niños. La enfermedad se caracteriza por esplenomegalia, hepatomegalia, importante retraso del desarrollo y en un 30% de los casos con manchas de color rojo en la mácula de la retina. Monocitos y linfocitos → vacuolas características. Se detectan células de Niemann‐Pick (células con inclusiones de material esfingomielínico) en los aspirados de médula ósea

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EXOSOMAS (incluir en tema 16) La exocitosis es el proceso mediante el cual las vesículas procedentes de la red trans del Golgi se fusionan con la membrana plasmática, liberando al exterior su contenido o incorporándolo a la propia membrana. Por lo tanto, es un proceso inverso a la endocitosis. En estas vesículas de secreción o exosomas, nos encontramos materiales reducidos a cuerpos densos, inertes, de variada composición y rodeados de membrana. También se pueden distinguir dos casos especiales: •

Células presentadoras de antígenos: son las que integran y exponen una proteína a una comunidad de células (estas proteínas pueden ser reconocidas o no como extrañas). Éstas, van a ser reconocidas por el MHC (complejo mayor de histocompatibilidad). Hay dos tipos de MHC: clase I (reconoce productos endógenos) y clase II (pasan a los endosomas, donde fijan la proteína extraña y la muestran a los linfocitos).

•

Degradación de RNA mensajeros: son captados por complejos proteicos que se reúnen en los endosomas y son eliminados al exterior celular. - Degradación activada por cofactores que reconocen e interaccionan con el RNA - Funciona tanto en el núcleo como en el citoplasma - En general permite eliminar con la mediación de cofactores distintos » RNA defectuoso de todo tipo, participando en el control de calidad del RNA » Espaciadores o intrones que se han transcrito pero que no son útiles » Regular la vida media del mRNA

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LECCIÓN 18: PEROXISOMAS Descubiertos por Duve y cols. (1965) → microcuerpos Los peroxisomas son orgánulos de la célula especializados en la realización de reacciones de oxidación que utilizan oxígeno molecular. Se diferencian de las mitocondrias y los cloroplastos en muchos aspectos, entre los que cabe destacar que estos orgánulos están rodeados por una sola membrana y no presentan ni DNA ni ribosomas. Adquieren la mayor parte de sus proteínas mediante importación desde el citosol aunque algunas de ellas entran a la membrana del peroxisoma a través del RE. Todas las células eucariotas tienen peroxisomas. Contienen enzimas oxidativas, como la catalasa y la urato oxidasa a concentraciones muy altas. No derivan del RE y, por lo tanto, no son parte del sistema de endomembranas, aunque sí dependen de él.

Estructura: -

Órganos rodeados de membrana unitaria Matriz finamente granular Núcleo cristalino (urato‐oxidasa) en animales Reacción de diaminobencidina (DAB) peróxido de hidrógeno

Tamaño: 0’2 a 2’0 μm de Ø Localización: citoplasma de células eucariotas (riñón e hígado) Contenido: es heterogéneo y varía según las especies, el tipo de órgano y la fase de desarrollo. - Membrana • Importación proteínas peroxisomales. • Citocromo b5; citocromo b5‐NADH reductasa y citocromo P450‐NADH reductasa (realizan diversas funciones). • Proteínas transportadoras metabolitos. - Matriz • Catalasa: la catalasa utiliza el H2O2 generado por otras enzimas del orgánulo para oxidar diversas sustancias mediante una reacción de “peroxidación”.  Degradación de H2O2 (cuando se acumula un exceso de H2O2) 2H2O2 → 2 H2O + O2  Eliminación de tóxicos como fenoles, ácido fórmico, formaldehído, alcoholes empleando H2O2 H2O2 + O2 → 2H2 O + R • Oxidasas flavínicas: utilizan oxígeno molecular para eliminar átomos de hidrógeno de sustratos orgánicos específicos, designados como R (urato oxidasa, acil CoA oxidasa, aminoacil oxidasa.....)  Generación H2O2 RH2 + O2 → R +H2O2

BIOGÉNESIS DE LOS PEROXISOMAS

116

•

De novo

Una secuencia específica de aminoácidos, denominada secuencia de reconocimiento PTS, localizada en el extremo C de muchas proteínas peroxisomales (extremo N en algunos casos), actúa como señal de importación de las mismas. En el momento en el que cualquiera de estas secuencias se une experimentalmente a una proteína citosólica, la proteína es importada a los peroxisomas en formación mediante vesículas que aparecen por gemación del RE. Después de la incorporación, una de estas secuencias (PTS1) se conserva en la matriz peroxisómica y la otra (PTS2), que sólo aparece en unas pocas enzimas peroxisómicas, se escinde en la matriz. El proceso de importación es aún bastante desconocido, aunque se sabe que están implicadas proteínas receptoras solubles en el citosol que reconocen las secuencias de direccionamiento y proteínas de anclaje en la superficie citosólica del peroxisoma. Las proteínas que participan en la importación se denominan peroxinas. El proceso de importación es impulsado por la hidrólisis de ATP y las proteínas no tienen que desplegarse para ser importadas al peroxisoma. Un complejo de al menos 6 peroxinas forma un translocador de membrana.

•

Por fisión A partir de un único peroxisoma, se pueden formar otros nuevos mediante un proceso de fisión: se produce una estrangulación de la membrana hacia la mitad del peroxisoma previa incorporación de nuevas proteínas peroxisomales específicas desde el citosol. Esto permite que cuando se produzca la escisión en 2 del peroxisoma, cada uno de los peroxisomas resultantes lleve las proteínas necesarias.

Origen de fosfolípidos de la membrana: - Sintetizados por enzimas peroxisómicas - Desde el RE (fosfatidilcolina y fosfatidiletanolamina) - Cuando los intercambiadores fosfolipídicos resultan insuficientes → necesita vesículas desde RE.

Origen de proteínas y enzimas de membrana y matriz: - Los ribosomas libres sintetizan esas proteínas y enzimas, de manera que éstas se incorporan postraduccionalmente a peroxisomas preexistentes (protoperoxisomas) - Incorporación previa a subdominio de RE (retículo del peroxisoma pER) y posterior paso a peroxisoma.

Importación de las proteínas peroxisomales 117

mediada por PTS El modelo que explica la importación de las proteínas peroxisomales es el modelo del poro transitorio. Este modelo se basa en la presencia de determinadas secuencias de aminoácidos en los extremos de las proteínas peroxisómicas. Estas secuencias de aminoácidos son reconocidas por las peroxinas, que se unen a ellas para introducirlas en el interior del peroxisoma. Se distinguen dos tipos de secuencias de aminoácidos: - PTS-1: secuencia de 3 aminoácidos localizados en el extremo carboxilo. Es reconocido por la peroxina Pex5p, que se une a él para transportarlo e integrarlo en el peroxisoma. - PTS-2: secuencia de 9 aminoácidos localizados en el extremo amino. A él se une la Pex7p. En la membrana hay una serie de receptores transmembrana que van a reconocer al complejo anterior, permitiendo que se ancle a la membrana peroxisómica a través de él y que pase al interior del peroxisoma. Posteriormente la peroxina es liberada para volver a ser utilizada, en caso de que se trate de una peroxina Pex5p, puesto que las Pex7p se escinden en la matriz del peroxisoma. Cabe destacar que las proteínas son importadas al peroxisoma estando plegadas, sin necesidad de que se desplieguen. Este proceso necesita de la hidrólisis de ATP.

Eliminación de los peroxisomas Los peroxisomas son eliminados por macroautofagia: en primer lugar el peroxisoma es recubierto por una membrana del REL; luego se unen a ella los lisosomas, los cuales llevan a cabo la digestión. También se puede dar fagocitosis por parte del lisosoma (microautofagia).

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Funciones de los peroxisomas - Procesos oxidativos • Metabolismo de H2O2 • Oxidación ác. úrico, aminoácidos • Oxidación ácidos grasos de cadena larga (acetil‐CoA) • Metabolismo de compuestos nitrogenados → Catabolismo de las purinas • Detoxicación de compuestos nocivos → Procesos de detoxicación (etanol → acetaldehído) • Bioinactivación de moléculas (Triyodotironina → triyodopiruvato) - Procesos biosintéticos • Aminoácidos (Lisina) • Lípidos (Colesterol, Dolicol, Derivados colesterol)

Peroxisomas: Patologías asociadas SÍNDROME DE ZELLWEGER -

-

Afecta a la biogénesis de los peroxisomas Mutaciones en genes diferentes. • Ej.‐Gen que codifica el receptor de la señal directora PTS‐1 • Las proteínas no entran en el peroxisoma Baja producción o ausencia de producción de peroxisomas, en tejidos encargados de la depuración y detoxificación (hígado y riñones) Malformaciones en cara y encéfalo (vainas de mielina, desorganización neuronal) Letal en 10 años

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LECCIÓN 19: MITOCONDRIAS INTRODUCCIÓN Las mitocondrias son orgánulos citoplasmáticos con doble membrana implicados en la generación de energía. Al conjunto de las mitocondrias de la célula se le conoce como condrioma celular. Recuerdo histórico: -Las primeras observaciones de deben al botánico suizo Kolliker, quien en 1880 anotó la presencia de unos gránulos en células musculares de insectos a los que denominó sarcosomas. Llegó a la conclusión de que presentaban membranas. -En 1884 Richard Altmann describió una serie de corpúsculos que observa mediante una tinción especial que incluye fucsina. Los denominó bioblastos. -En 1889 Carl Benda fue el primero que denominó “mitocondrias” a unos gránulos que aparecían con gran brillo en tinciones de violeta cristal y alizarina. -En 1948 Hogeboon, Schneider y Palade establecieron definitivamente la mitocondria como el lugar donde se produce la respiración celular. -En 1963 Margit M.K. Nass y Sylvan Nass descubrieron la presencia de ADN mitocondrial.

MORFOLOGÍA  MORFOLOGÍA Las mitocondrias suelen describirse como cilindros alargados y rígidos, de un diámetro comprendido entre 0,5-1 µm y una longitud comprendido entre 1-7 µm. El número y la localización de las mitocondrias dependen de las distintas zonas según la necesidad de aporte de energía. Las mitocondrias tienen fisionarse y fusionarse.

la

capacidad

de

 ESTRUCTURA Cada mitocondria está rodeada por dos membranas almamente especializadas y con funciones muy diferentes. Son las membranas mitocondriales externa e interna. Entre ellas, se define el espacio intermembranal. 120

En la membrana mitocondrial interna, se encuentran las partículas de Fernández Morán o componentes de F0F1, que participan en la generación de energía en forma de ATP. Además, la membrana mitocondrial interna presenta unos pliegues que son las crestas mitocondriales. La matriz mitocondrial equivale al citoplasma de la mitocondria. En ella, se encuentra el ADN mitocondrial y gránulos de matriz.  ESTADOS MORFOLÓGICOS Los estados morfológicos son diferentes formas que presenta la mitocondria según esté activa o inactiva. En el estado ortodoxo o convencional, la mitocondria está inactiva. En el estado condensado, la mitocondria tiene alto nivel de metabolismo por fosforilación oxidativa. En este caso, la matriz aparentemente disminuye, pero aumenta el tamaño de la cara externa.

ORIGEN FILOGENÉTICO La teoría endosimbiótica fue popularizada por Lynn Margulis en 1981, con el nombre de endosimbiosis en serie, quien describió el origen simbiogenético de las células eucariotas. También se conoce por el acrónimo inglés SET (Serial Endosymbiosis Theory). Según esta teoría, al principio había células eucariotas sin mitocondrias con una gran capacidad de protección, pero poco rendimiento metabólico; y células procariotas aeróbicas con alto metabolismo. Se produjo la endocitosis de una célula procariota por una célula eucariota que actuó como hospedador seguro, es decir, la célula eucariota proporciona protección a la procariota, mientras que está proporcionaba energía a la célula eucariota por su alto metabolismo con O2. Estableciéndose una relación de dependencia, que pasó a ser total cuando hubo una cesión de parte de la información genética de la procariota a la eucariota.

DISTRIBUCIÓN El número de mitocondrias es mayor en zonas de mayor requerimiento energético celular tales como: -Se concentran en las células nerviosas a nivel de la sinapsis porque necesitan mucha energía. 121

-En el flagelo del espermatozoide adquiere una forma circular. -En la zona basal de células de tubos contorneados distales como en el riñón. También es mayor en células de elevado metabolismo como: en los miocitos o los hepatocitos. Las células cancerosas tienen una parte de metabolismo anaerobio y, por ello, menor cantidad de mitocondrias. Las mitocondrias pueden experimentar movimientos de giro y flexión. Su desplazamiento esta asociado a microtúbulos y filamentos intermedios.

CRESTAS MITOCONDRIALES Las crestas mitocondriales pueden tener diferentes formas. La forma común más conocida es como crestas transversales rectas, también hay crestas paralelas en las células cardiacas. En las crestas tubulares todos los túbulos son regulares y constantes (testículo y ovario). Posiblemente la diferencia se debe sobre todo por la forma de colocar las proteínas en la membrana.

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DIVISIÓN Y FUSIÓN En la división celular, las mitocondrias se reparten equitativamente entre las células hijas aunque las propias mitocondrias pueden formarse e incluso pueden fusionarse. Las mitocondrias se pueden dividir por segmentación, que es el estrechamiento de la mitocondria por una zona para obtener dos mitocondrias de tamaño diferentes; por bipartición, que es la división equitativa para formas dos mitocondrias del mismo tamaño. Cuando no necesitamos mucha energía, las mitocondrias se fusionan, pero depende del genoma de la célula.

COMPARTIMENTALIZACIÓN MOLECULAR  La membrana mitocondrial externa está formado por un 45% de lípidos y el resto por proteínas. Las diferentes proteínas presentes en ella son:

 En el espacio intermembranal encontramos a la adenilato quinasa, también llamado mioquinasa porque se encuentra en alta concentración en los músculos. AMP+ATP

2ADP

123

 La membrana mitocondrial interna está formada por un 20% de lípidos. No presenta colesterol, pero sí cardiolipina que tiene 4 ácidos grasos. Por ello, la fluidez de la membrana depende de la cardiolipina. El resto son proteínas:

En la matriz mitocondrial, podemos encontrar ADN mitocondrial y ARN ribosómico. Además, de proteínas de la propia mitocondria, enzimas implicadas ene l ciclo de Krebs, enzimas implicadas en la oxidación de ácidos grasos, superóxido dismutasa y gránulos de fosfato cálcico. En un principio, se pensaba que el fosfato calcio era una alteración, pero al final se determinó que era un depósito que podía salir y entrar de la mitocondria.

FUNCIONES

124

CONTROL GENÉTICO Las mitocondrias tienen varias copias de la molécula de ADN del orgánulo y, normalmente, están distribuidos en varias grupos (denominados nucleoides), situados en la matriz de la mitocondria. Se cree que los nucleoides están unidos a la membrana mitocondrial interna. Sin embargo, en los mamíferos el genoma mitocondrial es un único círculo de ADN de unos 16500 pares de bases. El número de copias es variable y no tiene por qué ser idénticas. Presentan 37 genes: 13 para proteínas de la cadena respiratoria y ATP sintetasa, 2 para síntesis de ARN ribosómico y 22 para síntesis de ARN transferente. El ADN mitocondrial no presenta intrones y tampoco secuencias reguladoras. En las mitocondrias, las reglas normales de apareamiento codón-anticodón son relajadas, de modo que muchas moléculas de ADN transferente reconocen cualquiera de los cuatro nucleótidos de la tercera posición. Esta lectura de “2 de cada 3” permite que un ARN transferente se aparee con uno cualquiera de los cuatro codones diferentes y permita la síntesis proteica con menos moléculas de ARN transferente. Además, el ADN mitocondrial presenta variaciones en el código genético “universal”, esto es que en las mitocondrias el código genético está alterado, de modo que 4 de los 64 codones tienen “significados” diferentes de los que tienen otros genomas. Las mitocondrias son sólo de origen materno. En el espermatozoide, las mitocondrias están en el flagelo que necesita un gran aporte de energía para mover al espermatozoide. Pero cuando se produce la fecundación, en el ovocito sólo entra el pronúcleo masculino del espermatozoide, por lo que, las mitocondrias que quedan en el nuevo cigoto serán las maternas aportadas por el óvulo.

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COMPOSICIÓN MOLECULAR  ORIGEN DE LOS LÍPIDOS MITOCONDRIALES Parte de los lípidos que podemos encontrar en la membrana son sintetizados en el retículo endoplasmático y posteriormente transportados a la mitocondriaEstos lípidos son: fosfatidilcolina, fosfatidilserina y fosfatidilinosito. El transporte de los fosfolípidos se produce de la misma manera que se explicó en el tema 14-REL (página 4 en los casos de aproximación de las membranas y por las proteínas binding). También hay parte de los lípidos que son sintetizados directamente por la mitocondria y son: fosfatidiletanolamina y cardiolipina.  ORIGEN DE LAS PROTEÍNAS MITOCONDRIALES El código genético del ADN mitocondrial es diferentes del ADN nuclear. Aunque hay que tener en cuenta que parte de los genes mitocondriales fueron transferidos al núcleo, por lo que, existe una interdependencia. Las proteínas que se encuentra en la mitocondria tienen dos procedencias: -Proteínas mitocondriales que se generan por la síntesis de proteínas en la mitocondria a partir del ADN mitocondrial. -Proteínas mitocondriales que se sintetizan a partir del ADN nuclear para ser importadas.

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TRANSPORTE DE PROTEÍNAS El transporte de proteínas necesita de unas señales de incorporación a mitocondria. Existen dos tipos de señales: 



Muchas proteínas que entran en el espacio de la matriz tienen una secuencia señal en su extremo N-terminal. Todas ellas forman una hélice α anfifílica, en la que todos los restos cargados positivamente se localizan en un lado de la hélice y todos los restos hidrofóbicos no cargados se agrupan en el lado opuesto. Otras proteínas, incluyendo todas las de la membrana externa y algunas de la membrana interna, tienen una secuencia señal interna hidrofóbica.

Las proteínas receptoras son unas proteínas específicas que inician la translocación que reconocen esta configuración más que la propia secuencia de aminoácidos. Las translocación de proteínas a través de las membranas mitocondriales está mediada por complejos proteicos formados por varias subunidades que actúan como translocadores de proteínas.  COMPLEJOS TRANSLOCADORES EN MEMBRANAS MITOCONDRIALES  Importación de proteínas citosólicas (genes nucleares):  El complejo TOM (translocator of the outer membrane) transfiere proteínas a través de la membrana externa.  Dos complejos TIM (translocator of the inner membrane), los complejos TIM23 y TIM22, transfieren proteínas a través de la membrana interna.  El complejo SAM (sorting and assembly machinery) ayuda a la proteína que se importa a plegarse de forma adecuada sobre la membrana externa.  Exportación de proteínas mitocondriales/citosólicas  El complejo OXA (oxidase assembly o export complex), es el tercer translocador en la membrana mitocondrial interna que media la inserción de las proteínas de membrana interna sintetizadas en la mitocondria. También participa en la inserción en algunas proteínas de membrana interna importadas inicialmente transportadas al espacio de la matriz por otros complejos.

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El complejo TOM está formado por tres componentes proteicos principales: o Componentes Tom 20 y Tom 22 reconocen las señales secuencias N-terminales de las hélices α anfifílicas. o Componente Tom 70 reconoce las señales internas hidrofóbicas. o Componente Tom 40 constituye el canal por el que se transloca la proteína. Los precursores de proteínas mitocondriales con señal de incorporación anfifílica no se pliegan en sus conformaciones nativas después de ser sintetizadas, sino que permanecen desplegados en el citosol gracias a interacciones con otras proteínas. Algunas de estas proteínas son chaperonas. De esta forma, se evita que sean reconocidos por los proteasomas y no eliminen en la mitocondria. Vamos a ver la entrada de las proteínas con señales N-terminales de hélices α y con señales internas hidrofóbicas. Las señales N-terminales son reconocidas por los componentes TOM20 y TOM22, por medio de TOM40 entran en el espacio mitocondrial. Una vez en es espacio, es captado por el complejo TIM23, que permite el paso de las proteínas a la matriz mitocondrial. Una vez dentro se unen a proteínas de la familia mitHsp70 y una peptidasa corta la secuencia señal. Las proteínas que entran de esta forma pueden tener como destino la matriz mitocondrial, membrana interna y espacio intermembranal. Las proteínas con señales internas hidrofóbicas son reconocidas por el componente TOM70 y entras al espacio por el canal del componente Tom40. Una vez dentro, las proteínas son captadas por el componente Tim9-Tim10 del complejo TIM22. Éste componente es un componente móvil que lleva a la proteína al resto del complejo TIM22, que se encarga de colocar la proteína en la membrana interna.

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El complejo OXA se encarga de captar proteínas mitocondriales que vienen del exterior y que están en la matriz, así como proteínas que ya estaban en la matriz, para fijarlas a la membrana interna.

El complejo TIM23 tiene un componente que se extiende entre la membrana mitocondrial interna y la externa. Cuando se produce el transporte de una proteína y ésta alcanza al complejo TIM23, este componente se une al complejo TOM uniendo las dos membranas, formándose puntos de contacto entre ambas membranas.

Las proteínas que tienen como destino matriz mitocondrial, además de protegerse con proteínas mitocondriales Hsp70, se unen a proteínas mitocondriales Hsp60 para su plegamiento.

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Origen de la Energía para Transporte de Proteínas a la MATRIZ Mitocondrial

El transporte direccional requiere energía, que en la mayoría de los sistemas biológicos es aportada por la hidrólisis de ATP. (1) La proteína Hsp70 citosólica se separa de la proteína mediante un proceso que depende de la hidrólisis de ATP, aquí se produce el primer aporte de energía por ATP. Después de la inserción inicial de la secuencia inicial y de las porciones adyacentes de la cadena polipeptídica en el complejo TOM, la secuencia señal interacciona con el complejo TIM. (2) La secuencia señal es translocada a la matriz; se trata de un proceso que requiere una diferencia de potencial de membrana a través de la membrana interna. (3) La proteína Hsp70 mitocondrial, que forma parte de un complejo importador de ATPasa, se une a las regiones de la cadena polipeptídica a medida que se alcanza que se alcanza la matriz, “tirando” de la proteína hacia el canal de translocación. Aquí se aporta energía de nuevo por el ATP. Existe otra teoría que responsabiliza a la proteína Tim44 de ser el motor que introduce la proteína a la cámara interna, y por tanto es ella la que consume el ATP en este paso. PROTEÍNAS DESTINADAS A LA MEMBRANA EXTERNA

La membrana mitocondrial externa, contiene una gran cantidad de proteínas preformadas denominadas porinas, por lo que es libremente permeable a iones inorgánicos y a metabolitos. Las porinas son proteínas en barril β y en primer lugar son importados a través de la membrana del complejo TOM. Las porinas son transportadas primero al espacio intermembranal, donde se unen de forma transitoria con proteínas chaperonas especializadas que impiden que las porinas se agreguen; entonces, se unen al complejo SAM de la membrana externa, que inserta la porina en la membrana externa y le ayuda a plegarse de forma apropiada.

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PROTEÍNAS

DESTINO

MEMBRANA

INTERNA

O

ESPACIO

INTERMEMBRANAL El mismo mecanismo que transporta proteínas al espacio de la matriz, utilizando los complejos TOM y TIM23, media el transporte a la membrana interna o al espacio intermembranal. (A) Lo más común, es que sólo entre en la matriz la secuencia N-terminal de la proteína transportada. Una secuencia de aminoácidos hidrofóbicos que se sitúa tras la secuencia N-terminal, actúa como secuencia final de transferencia e impide la transferencia posterior a través de la membrana interna. El complejo TOM transloca el resto de la proteína al espacio intermembranal; entonces la secuencia señal es eliminada en la matriz y la secuencia hidrofóbica, liberada de TIM23, queda anclada en la membrana interna. (B) Otra vía, consiste en que el complejo TIM23 transloca toda la proteína a la matriz. Una peptidasa señal de la matriz elimina la secuencia señal N-terminal, exponiendo una secuencia hidrofóbica en el extremo N-terminal. Esta secuencia señal guía la proteína al complejo OXA, que inserta en la membrana interna las proteínas. Las proteínas codificadas y traducidas en la mitocondria también siguen esta vía. (C) En ocasiones, hay proteínas que quedan libres en el espacio intermembranal por una proteasa que eliminan el anclaje a la membrana interna.

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PROTEÍNAS

DE

PASO

MÚLTIPLE

CON

DESTINO

A

LA

MEMBRANA INTERNA Son proteínas transmembrana de paso múltiple que no tienen secuencias eliminables en su extremo N-terminal, pero que contienen secuencias señal internas. Son detectadas por chaperonas citoplasmáticas Hsp70 y reconocidas por el receptor Tom70 y transferidas al espacio intermembranal por Tom40. En el espacio intermembranal son captadas por las proteínas Tim9-Tim10 que guían las proteínas translocadas al complejo TIM22, que es el que se encarga de insertar la proteína en la membrana interna y en ella la proteína se pliega, para ello se necesita un potencial de membrana, pero no Hsp70 mitocondrial ni ATP.

TRANSPORTADORES DE LA MEMBRANA: LOCALIZACIÓN Mediante el transporte de proteínas y su anclaje en las membranas, se consigue que en ellas se establezcan los diferentes transportadores:

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TEMA 21: CITOPLASMA Se denomina citoplasma a la parte de la célula comprendida entre la membrana plasmática y el núcleo. Desde el descubrimiento de la célula se sabía que tenía que existir algún medio en el que estaban integrados los orgánulos pero no se sabía lo que era por falta de medios. Con la microscopia óptica se vio que era un material transparente, homogéneo, anhiso e incoloro cuyo índice de refracción era mayor que el del agua. Con microscopia de fondo oscuro se vieron que eran partículas que presentaban movimiento y gracias a las tinciones e consiguieron diferenciar orgánulos citoplasmicos (mitocondrias, aparato de Golgi, lisosomas, centriolos, etc), inclusiones o paraplasmas y un citoplasma amorfo o fundamental (hialoplasma) RECUERDO HISTÓRICO: A finales del s. 19 se determinaron sus propiedades físicas, es decir, se vio que era una sustancia coloidal (presenta dos estados, sol y gel) se diferencia una parte externa, ectoplasma en estado gel y una más interna, endoplasma, en estado más fluido. Con luz polarizad ase vio que eran areas birrefrigerentes que formaban una red tridimiensional de estructura cristalina (proteínas). Algunos científicos plantearon que en realidad esta parte de la célula no existía y que eran artefactos que aparecían por las tinciones. Se vio que presentaban fibras elásticas porque cuando se las sometían a fuerzas mecánicas este se deformaba pero posteriormente recuperaba su forma. Gracias a las técnicas de centrifugación diferencial se fracción la célula y se separaron las deferentes organelas de la que componen la célula. El sedimento que quedaba al final era el citoplasma (matriz citoplasmica) Mediante micromanipulación se consiguió pasar el estado sol a gel y viceversa (dixtropia( proteínas fibrilares) Finalmente con microscopia de contraste de fases (Kaltzoff, 1928) se vio un sistema coloidal, heterogéneo y polifásico, en forma de malla birrefrigente, lo cual correspondía al citoesqueleto.

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COMPONENTES: A microscopio electrónico se diferencian: Estructuras filamentosas correspondientes al citoesqueleto (microtúbulos, microfilamentos y filamentos intermedios) Una matriz fundamental compuesta por:

reversibles (Puentes –S-S-, Covalencia, Puentes –H-H-, Fuerzas de van der Waals, Inmunohistoquímia (MoAb) :composición exacta en curso). Inclusiones citoplasmáticas:

1.-Glucógeno: En los depósitos de glucógeno encontramos dos tipos de partículas: Partículas β y partículas α Partículas β: son cadenas de glucosa que tienen identidad de pequeño tamaño (15-30 nm). Su Composición es 1 molécula + enzimas (glucógeno fostorilasa) Partículas α: son más grandes en forma de rosetas electrodensas cuya composición es un acumulo de partículas β. Estos depósitos abundan en las células del hígado y musculares pues emplean el glucógeno para la obtención de energía. Por ejemplo se pueden encontrar en las paredes del útero a punto de dar a lud. 2.-Gotas lipidicas sin membrana No son vesículas pues no están rodeadas por una membrana. Solo acumulan triglicéridos en su interior colocándolos en forma de empalizada sin membrana. Pueden estar presentes como una única gota grande (grasa blanca de los adipocitos) o múltiples gotas pequeñas (grasa parda de los adipocitos pardos) esta ultima e típica de animales que invernan pues este tipo de grasa está implicada en la producción de calor. Sus mitocondrias consumen calor en vez de ATP gracias a una proteína desacoplante, la termogenina. En los humanos también es un proceso

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natural pero no hay termogenina. Un problema patológico es la acumulación de gotas de grasa enorme en los hepatocitos que impide que estos puedan llevar a cabo sus funciones de detoxificación. 3.-Proteínas Acúmulos cristalinos generalmente compuestos de proteínas que no están rodeados de membrana y cuyo significado funcional se desconoce. Por ejemplo: células de Laydig, de Sertolli, plasmáticas, hepatocitos, etc. 4.-Pigmentos Sustancias coloreadas, de composición química diversa. Pueden ser exógenos o endógenos. No son dañinos salvo un acumulo excesivo. 1.-Exógenos: -Carotenos vegetales: proviene de la comida (de color anaranjado tomate, zanahoria…) -Sustancias inorgánicas como la tinta china de los tatuajes o colorantes vitales como el azul tripán que quedan en el interior de macrófagos de la dermis. (No son dañinos). 2.-Endógenos: (fabricamos nosotros mismos) -Hemoglobina (según el metabolismo cambia de color), Bilirrubina, hematoidina -Hemosiderina: color pardo, presente en el citoplasma de macrófagos en los que se genera como consecuencia de la degradación de la hemoglobina. -Melanina: de color pardo o marrón, abundante en la piel y los ojos de los animales. -Lipofuscina: color magenta

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CICLO CELULAR II: INTERFASE

PUNTO DE RESTRICCIÓN G1-S El punto de restricción G1-S es aquel que regula el paso de G1 a la fase S. Cuando la célula va a dividirse, va a decidir avanzar en el ciclo celular y va a pasar hacia la FASE S. Este punto de restricción está regulado por dos complejos: Complejo Cdk-G1: ciclina D con sus CDK asociadas que son Cdk4 y Cdk6. Complejo Cdk-G1/S: ciclina E con Cdk2. Cuando las condiciones para la proliferación celular son las adecuadas, diversas señales externas e internas estimulan la activación del complejo G1-Cdk, el cual induce la activación de factores de transcripción E2F que promueve la síntesis de las ciclinas G1/S y S. La activación de Cdk-G1/S posibilita la progresión a través del punto de control. Esto permite, que Ckd-G1/S desencadene una oleada de actividad Cdk-S, la cual inicia la duplicación de cromosomas en la fase S y contribuye en algunos acontecimientos iniciales de la mitosis.

FOSFORILACIÓN DE RB (PROTEÍNA RETINOBLASTOMA) El factor de transcripción E2F una vez que se sintetiza se une a la proteína Rb [retinoblastoma]. Se llama así porque cuando falta está proteína se forma un cáncer en la retina de los niños que es el retinoblastoma. Unido a la proteína Rb este factor de transcripción está inactivo y no puede funcionar. Los niveles incrementados de ciclina D se van a unir al Cdk4 y vamos a tener altos niveles de complejos ciclina-D-Cdk4 que va a empezar a fosforilar proteínas, entre las que se encuentra la proteína Rb. Como consecuencia de esto, las proteínas Rb fosforiladas se inactivan y como consecuencia se libera el factor E2F y se activa. Una vez activo va a estimular la transcripción de su propio gen con lo que se van a conseguir niveles todavía más altos del factor E2F. El factor E2F también va a activar la transcripción de genes de la fase S: genes de la ciclina E y de la ciclina A. Por lo tanto, los niveles de la ciclina E y A van a aumentar y 136

se van a unir a la Cdk2 [niveles constantes a lo largo del todo el ciclo] y van a formar los complejos ciclina E-Cdk2 y ciclina A-Cdk2. El complejo ciclina E-Cdk2 va a fosforilar proteínas entre las que se encuentra la Rb que va a contribuir a que haya niveles incrementados de E2F activos libres. Por otro lado, los complejos ciclina A-Cdk2 van a fosforilar toda una serie de proteínas que en conjunto van a permitir la aglutinación del ADN, es decir, que se produzca el proceso de replicación, van a permitir la síntesis de histonas, y también se va a incrementar la síntesis de la ciclina A y también más importante la síntesis de la ciclina B que participa en las fases siguientes. Es decir, permitir la entrada en la Fase S.

MEDIADORES MOLECULARES DEL ARRESTO PROLIFERATIVO Las proteínas inhibidoras de Cdk (Cdks) son: -Proteínas de la familia Ink4: p15, p16, p18 y p19. Se encargan de inhibir la acción de los complejos ciclina D-Cdk4 y ciclina D-Cdk6. -Proteínas de la familia Cip/Kip: p21, p22 y p57. Se encargan de inhibir la acción del complejo ciclina E-Cdk2.

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MECANISMOS DE REGULACIÓN DE COMPLEJOS CICLINAS-CDK EN EL PUNTO DE RESTRICCIÓN Existen unas moléculas extracelulares llamadas mitógenes que estimulan la proliferación o la división celular. Los mitógenes cuando están presentes en el medio extracelular se unen a unos receptores transmembrana de las células, los receptores de mitógenes. Cuando se ha producido la unión, el receptor va a activar una GTPasa monomérica que en este caso es la GTPasa Ras. Esa GTPasa monomérica inicia una vía de señalización, que es la ruta de señalización de la map kinasa. La MAP kinasa activa una proteína de regulación genética que es capaz de entrar en el núcleo. Así estimula la transcripción y la posterior traducción de la PROTEÍNA MYC. La proteína Myc va a estimular la transcripción de distintos genes: Estimula la transcripción del gen que codifica para la Ciclina D. Así se activa el complejo Cdk-G1 que fosforila a la proteína Rb, liberándose E2F. Estimula la transcripción del gen que codifica para una subunidad SCF, que es un complejo E3 que actúa durante la interfase. Como consecuencia de la activación de este gen al final vamos a tener niveles incrementados de SCF que van a incrementar el proceso de degradación en los proteosomas de esta proteína inhibidora p27. Con lo cual, habrá mayor actividad del complejo Cdk-G1/S. Se activa la transcripción del gen que codifica para el factor de transcripción e2f, y como consecuencia vamos a tener niveles incrementados de este factor de transcripción. 138

Es decir, al final todo conlleva a obtener factor E2F que permite la entrada en la Fase S.

Los mitógenes o factores de crecimiento provocan, en definitiva, bajos niveles de CDKIs y altos niveles de ciclinas D y E que favorece la división. Mientras que otros factores como una inhibicón por contacto o daño en el ADN o envejecimiento celular, provoca unos altos niveles de CDKIs, dificultando la entrada de la célula en la Fase S.

FASE DE SÍNTESIS La fase S está regulada por el complejo ciclina A-Cdk2 (complejo Cdk-S). Se tiene que producir la duplicación del centrosoma para facilitar la separación de las cromátidas hermanas. El principal acontecimiento de la duplicación cromosómica es la replicación del ADN. La replicación debe ser exacta para así minimizar el riesgo de mutaciones en las siguientes generaciones de células. Además se tienen que duplicar las histonas. Tiene que haber un empaquetamiento correcto de la cromatina en sus dos formas: eucromatina y heterocromatina que permiten que se lleve a cabo una regulación de la expresión génica. Cada nucleótido del genoma debe copiarse una vez y sólo una vez, para evitar los efectos perjudiciales de una ampliación génica.

 REPLICACIÓN La replicación de ADN comienza en los orígenes de replicación. Una vez que el pre-RC o complejo prereplicativo del ADN se ha ensamblado en G1 en los orígenes de replicación, el origen de replicación se activa. La activación de Cdk-S al final de G1 induce el ensamblaje de varios complejos proteicos adicionales en el origen, conduciendo a la formación de un complejo de preiniciación (helicasa) que desenrolla la hélice y comienza la síntesis de DNA. 139

A la vez que inicia la replicación del DNA, Cdk-S induce el desensamblaje de algunos componentes del pre-RC en el origen. Las Cdk y la proteínas geminina inactivan el ensamblaje del pre-RC provocando su desensamblaje. Al final de la mitosis y al comienzo de G1, el APC/C induce la degradación de la geminina y la inactivación de CDK. Por lo que, se pueden volver a ensamblar los complejos pre-replicativos en los orígenes de replicación ya que hay niveles bajos de geminia y CDK.

 COHESINA Al final de la fase S, cada cromosoma replicado consta de un par de cromátidas hermanas idénticas unidas entre sí a lo largo de toda su longitud. La cohesión de las cromátidas hermanas depende de un gran complejo proteico denominado cohesina. Dos de las subunidades de la cohesina son miembros de una gran familia de proteínas denominada proteínas SMC (Structural Maintenance of Chromosomes; mantenimiento estructural de los cromosomas). La cohesina es un complejo proteico formado por cuatro subunidades: Smc1, Smc3, Scc1 y Scc3. Las subunidades se ensamblan formando una estructura anular que puede rodear las cromátidas hermanas. La cohesión de las cromátidas hermanas depende de: la concatenación del DNA y las cohesinas. Entre la fase S y el comienzo de la mitosis, la enzima topoisomerasa II desenrolla los DNA hermanos concatenados. Al perderse la concatenación, la cohesión 140

sólo depende de las cohesinas. Por lo tanto, la pérdida de la cohesión de las cromátidas hermanas en la transición de la metafase a la anafase depende fundamentalmente de la degradación de estos compeljos.

SISTEMAS DETECTORES DEL DAÑO DEL ADN Los sistemas detectores se encargan de mantener la integridad del genoma del organismo. Actúan en las fases G1, S y G2. Cuando detectan cambios o daños en el ADN detienen el ciclo celular. Además, se encargan de reclutar la maquinaria de reparación del ADN para repararla el daño. Existen dos proteínas quinasas capaces de reconocer el ADN dañado:  ATM detecta roturas de la doble hebra  ATR detecta roturas de la hebra sencilla o sin replicar En condiciones normales, entendiendo por condiciones normales cuando no hay daños en el ADN, hay una proteína muy importante en el punto de restricción que es p53 que va a estar unida a otra que es Mdm2. Mdm2 es realmente un complejo E3, y cuando no hay roturas en el ADN va a estar poliubiquitando continuamente a p53 y p53 va a estar continuamente degradándose en los proteosomas. Por lo tanto, en estas condiciones los niveles del p53 son bajos en la célula. Cuando se producen daños en el ADN, son detectados por las quinasas ATM y ATR que activan unas proteínas (Chk1 y Chk2 respectivamente) fosforilándolas. Estas proteínas inactivan a la proteína Cdc25 destruyéndola y se inhibe la síntesis de Cdk1 y Cdk2. Por lo que, se detienen las fases G2 o fases G1 y S, respectiavemente. Por otra parte, las proteínas Chk1 y Chk2 fosforilan y activan a p53. Como consecuencia, p53 fosforilado se libera de la proteína Mdm2 a la que estaba unida y se transforma en una proteína estable que ya no va a ser degrada en los proteosomas. Como consecuencia, los niveles de p53 se incrementan en la célula. Los niveles incrementados de p53 van a actuar como factores de transcripción y van a activar la transcripción de toda una serie de genes y el más importante es el que codifica para la proteína p21. La proteína inhibidora p21 que va a unirse a los complejos CdkG1/S y Cdk-S inhibiéndolos. Por lo tanto, lo que provoca es que impide que la célula 141

pase a la fase S. Esto es muy importante porque una célula que tiene daños en el ADN pasa a la fase de mitosis esos daños se los va a transmitir a las células hijas.

Las mutaciones en p53 provocan mutaciones. En los organismos unicelulares, cuando se producen mutaciones, no se frena el ciclo sino que si no hay más remedio la célula sigo con su ciclo ya que persiste sus de supervivencia. Mientras que en los organismos pluricelulares, esa célula sufre apoptosis.

PUNTO G2/M: ENTRADA EN MITOSIS Es el punto de control que se encuentra en la transición entre la fase G2 y al fase M del ciclo celular. En este punto de restricción juega un papel muy importante el complejo ciclina B/Cdk1 (complejo M-Cdk), que también se denomina factor mpf o factor promotor de la maduración. En la fase de síntesis (fase S) se empieza a sintetizar la ciclina B y sus niveles empiezan aumentar paulatinamente hasta llegar a la fase G2. La ciclina B empieza a unirse a la ciclina Cdk1 por lo que los niveles del complejo ciclina B/cdk1 van aumentando

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paulatinamente. Estos complejos que se van formando van a ser fosforilados doblemente. o Van a ser fosforilados por las kinasas CAK, aquellas kinasas que fosforilaban a las ciclinas Cdk y les permitían conseguir la activación completa. o Al mismo tiempo van a ser fosforilados por la kinasa Wee1 que fosforila dos aminoácidos del centro activo de la Cdk y las inhibe. Por lo tanto, al final de la fase G2, en las células hay niveles muy altos del complejo ciclina B/cdk1 pero todos ellos inactivos, porque están fosforilados por la kinasa Wee1. Cuando no hay problemas en el ADN, las proteínas Chk1 y Chk2 no están activas, por lo que la proteína Cdc25 está activa y puede activar los complejos ciclina B-Cdk1 (Complejo M-Cdk).

Cuando los complejos ciclina B/Cdk1 están todos activos van a fosforilar toda una serie de proteínas dentro de la célula que va a estar implicada en el avance a la fase de mitosis. Algunas de estas proteínas son: 

La histona H1 y las condensinas. En ambos casos, la fosforilación de estas proteínas promueve la condensación de los cromosomas que es necesaria para el proceso de mitosis.



Las láminas nucleares, las nucleoporinas y las proteínas de la membrana nuclear interna. La fosforilación de todas estas proteínas promueve el desensamblaje de la lámina nuclear, la desorganización de los complejos de los poros nucleares y la liberación de la membrana nuclear interna de la cromatina subyacente. Todo ello conlleva el desensamblaje de la envoltura nuclear.

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

MAP estabilizaban los microtúbulos y cuando se fosforilan se inhiben y dejan de estabilizarlos. Con esta fosforilación se promueve la despolimerización de los microtúbulos interfásicos y se promueve la fosforilacion de los microtúbulos del huso mitótico con los monómeros que quedan libres.



Las ARN polimerasas, al fosforilarse también se inhiben, con lo que se consigue que no se produzca transcripción durante el periodo de mitosis.



Las cadenas ligeras de la miosina II, lo que consigue que se impida la unión entre la miosina II y la actina. Con esto se pretende evitar que se forme el anillo contráctil antes de tiempo.



Forforilación del APC, que es el complejo promotor de la Anafase.



Provoca la fragmentación del Golgi y del RE.

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CICLO CELULAR III: FASE M Después de terminar la fase S, la célula entra en la fase M. Esta fase comprende: 

 

Mitosis: las cromátidas hermanas se separan y se distribuyen o segregan en un par de núcleos hijos idénticos, cada uno de ellos con su propia copia del genoma. La mitosis se divide en cinco etapas: profase, prometafase, metafase, anafase y telofase. Citocinesis: divide a la célula en dos mitades, cada una de ellas con un núcleo idéntico. En cuanto a la regulación: la mitosis se puede dividir en dos partes reguladas por diferentes componentes: 1. Un aumento súbito de los complejos ciclinas M-Cdk en el punto de control G2-M desencadenas los acontecimientos de las primeras etapas de la mitosis (profase, prometafase y metafase). 2. El APC/C induce la degradación de la segurina al liberar la proteasa que esciende la cohesina, iniciándose la separación de las cromátidas. También degrada las ciclinas, lo que provoca la inactivación de la Cdk y la defosforilación de las dianas de Cdk, lo cual es necesario para que se produzcan los últimos acontecimientos de la Fase M (telofase, anafase y citocinesis).

PROFASE En la profase, los cromosomas replicados formados por dos cromátidas hermanas cada uno empieza a condensarse. Fuera del núcleo, el huso mitótico se ensambla entre los dos centrosomas, que se han replicado y separado. La envoltura nuclear comienza a desensamblarse.

 CONDENSINA 145

Al final de la fase S, la célula utiliza mucha energía para reorganizar las cromátidas hermanas en estructuras cortas y definidas. Estos cambios cromosómicos suponen dos procesos:  

Condensación de los cromosomas: las cromátidas se empaquetan. Resolución de las cromátidas hermanas: las dos cromátidas hermanas se resuelven en unidades diferentes y separables.

La resolución es el resultado de la separación de los DNA hermanos, junto a la eliminación parcial de las moléculas de cohesina a lo largo de los brazos de los cromosomas. La condensación y resolución depende de un complejo proteico compuesto por cinco subunidades denominado condensina. Contiene dos subunidades SMC y tres subunidades no SMC. La fosforilación de subunidades de la condensina por M-Cdk estimula esta actividad enrolladora.

HUSO MITÓTICO: TIPOS DE MICROTÚBULOS La segregación de los cromosomas depende del huso mitótico. El huso es un conjunto bipolar de microtúbulos, que separa las cromátidas hermanas en la anafase. Cdk-M desencadena el ensamblaje del huso al comenzar la mitosis. Existen distintos tipos de microtúbulos:  Microtúbulos interpolares: los extremos más de los microtúbulos interaccionan con los extremos más de microtúbulos del otro polo, dando lugar a un conjunto antiparalelo en la zona media del huso.  Microtúbulos cinetocóricos: los extremos más de otros microtúbulos están unidos a parejas de cromátidas hermanas en grandes estructuras proteicas denominadas cinetocoros.  Microtúbulos astrales: irradian hacia fuera desde los polos y contactan con el córtex celular, ayudando a posicionar el huso en la célula.

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HUSO MITÓTICO: PROTEÍNAS MOTORAS El ensamblaje y la función del huso mitótico dependen de numerosas proteínas motoras dependientes de microtúbulos. Estas proteínas pertenecen a dos familias:  Las quinesinas: proteínas relacionadas con las quinasas, que por lo general se desplazan hacia el extremo más de los microtúbulos. Existen distintos tipos: Quinesina-5: deslizan a los dos microtúbulos antiparalelos en sentidos opuestos hacia los polos del huso y separan los polos. Quinesina-14: se dirige al extremo menos y puede entrecruzar microtúbulos interpolares antiparalelos en la zona media del huso y tiende a juntar los polos. Quinesina 4 y 10: conocida como cromoquinesinas. Alejan el cromosoma al que se han unido del polo (o alejan el polo del cromosoma).  Las dineínas, que se dirigen hacia el extremo menos. Organizan a los microtúbulos en varias ubicaciones celulares. Por ejemplo, unen los extremos más de los microtúbulos astrales a componentes del citoesqueleto de actina en el córtex celular; empujan los polos del huso hacia el córtex celular y los separan.

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CROMOSOMAS MITÓTICOS Y PROTEÍNAS MOTORAS AUTOORGANIZAN EL HUSO Los cromosomas mitóticos estimulan la producción local de RanGTP, la cual activa proteínas que nuclean e inducen la formación de microtúbulos en la vecindad de los cromosomas. Las proteínas motoras quinesina-5 organizan estos microtúbulos en haces antiparalelos, mientras que las quinesinas-4 y 10 dirigidas hacia el extremo más conectan los microtúbulos a los brazos de los cromosomas y alejan los extremos menos de los cromosomas. Las proteínas motoras dineína y quinesina-14, junto con muchas otras proteínas, concentran estos extremos menos en un par de polos del huso.

PROMETAFASE En la prometafase, los cromosomas pueden unirse a los microtúbulos del huso mediante sus cinetocoros y empezar a desplazarse activamente.

UNIÓN DE LOS CROMOSOMAS AL HUSO  CINETOCORO El cinetocoro es una estructura proteica gigante de muchas capas constituida en la heterocromatina que se forma en la región centromérica de los cromosomas. Los extremos más de los microtúbulos cinetocóricos están insertados frontalmente en sitios especializados de unión a los microtúbulos del cinetocoro. Los cinetocoros de las células animales tienen de 10 a 40 de estos sitios de unión. Cada sitio de unión contiene un collar proteico que rodea al microtúbulo cerca de su extremo, el cual une con fuerza el microtúbulo al cinetocoro mientras que todavía se pueden añadir o eliminar subunidades de tubulina en este extremo. La regulación de la polimerización y despolimerización del extremo más en el cinetocoro es crítica para controlar el desplazamiento de los cromosomas en el huso.

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 UNIÓN DE LOS CROMOSOMAS AL HUSO La unión de los cromosomas al huso se produce en un proceso de “búsqueda y captura”. El éxito de la mitosis requiere que las cromátidas hermanas se unan a los polos opuestos del huso mitótico, para que así se transporten a extremos opuestos de la célula cuando se separen en la anafase. Este modelo de unión es la biorientación. Las uniones incorrectas se corrigen mediante un sistema de ensayo y error que se basa en un principio sencillo: las uniones incorrectas son muy inestables y no duran, mientras que las uniones correctas se mantienen. El cinetocoro detecta las uniones correctas por la tensión que generan. Lo que permite un anclaje estable y más microtúbulos. Los cromosomas que están unidos incorrectamente generan baja tensión y el cinetocoro envía una señal inhibidora que afloja el agarre de su sitio de unión al microtúbulo, permitiendo que se separe. El mecanismo sensor de la tensión depende de la proteína quinasa Aurora-B, la cual se asocia al cinetocoro. Se cree que Aurora-B genera la señal inhibidora que reduce la fuerza de la unión de los microtúbulos en ausencia de tensión. Cuando se produce la biorientación, Aurora-B se inactiva, reduciéndose la fosforilación de los cinetocoros y aumentando la afinidad de unión. 149

MOVIMIENTOS CROMOSÓMICOS Las proteínas motoras y otros mecanismos generan las fuerzas que desplazan los cromosomas en los microtúbulos del huso mitótico. Son principalmente tres: 1. La primera fuerza estira del cinetocoro y de su cromosoma asociado a través del microtúbulo cinetocórico hacia el polo del huso. Esta fuerza se produce por la despolimerización en el extremo más del microtúbulo de algún modo genera una fuerza que tira del cinetocoro hacia los polos. Esta fuerza tira de los cromosomas durante la prometafase y la metafase y es importante para trasladar las cromátidas hermanas hacia los polos después de que se hayan separado en la anafase. No requiere energía en forma de ATP. 2. La segunda fuerza la proporciona el flujo de microtúbulos, mediante la cual los propios microtúbulos se desplazan hacia los polos del huso y se despolimerizan en sus extremos menos. Hasta el inicio de la anafase, adición de nuevas unidades de tubulina en el extremo más de un microtúbulo compensa la pérdida de subunidades de tubulina en el extremo menos. Esto genera una fuerza de tensión en el cinetocoro y se produce el desplazamiento de las cromátidas hermanas hacia los polos. 3. La tercera fuerza es la fuerza polar de expulsión o eyección polar. Las proteínas quinesina-4 y 10 se dirigen hacia el extremo más de los brazos de los cromosomas, interactúan con los microtúbulos interpolares y transportan los cromosomas lejos de los polos del huso. Esta fuerza es en particular importante en la prometafase y en la metafase.

METAFASE En la metafase, la cromatina está en el estado de máxima condensación. Los cromosomas se alinean en el ecuador del huso, a mitad de camino entre los polos del huso. Los microtúbulos cinetocóricos unen las cromátidas hermanas a los polos opuestos del huso.

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ANAFASE En anafase, el cinetocoro se divide longitudinalmente y se separan las 2 cromátidas hermanas por despolimerización de los microtúbulos cinetocóricos. Así se inicia el desplazamiento de las cromátidas hermanas hacia los polos opuestos. Lo primero que ocurre [si todos los cinetocoros están unidos a microtúbulos cinetocóricos] se va a activar APC [primero parcialmente por el complejo ciclina B/Cdk1 (complejo M-Cdk) y después por la unión a la proteína cdc20]. Como consecuencia de la activación de APC se empiezan a poliubiquitinar proteínas, entre ellas la securina. La securina al poliubiquitinarse se degrada en los proteosomas y se libera una enzima proteolítica que degrada las cohesinas: la separasa. Además, el APC/C promueve la degradación de las ciclinas S y M, provocando la inactivación de la mayor parte de la actividad de la Cdk en anafase. Cuando se degradan las cohesinas tiene lugar la abrupta y sincrónica separación de las cromátidas hermanas. Se van separando moviéndose hacia polos opuestos.

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 PUNTO M (PUNTO DE CONTROL DE ENSAMBLAJE DEL HUSO) Este punto de control asegura que las células no entren en anafase hasta que todos los cromosomas estén correctamente biorientados en el huso mitótico. Cualquier cinetocoro que no esté correctamente unido al huso emite una señal inhibidora que impide la activación del APC/C-Cdk20, bloqueando así la transición de la metafase a la anafase. Sólo se levanta este bloqueo cuando el último cinetocoro está unido de forma correcta permitiendo que se produzca la separación de las cromátidas hermanas.

 SEGREGACIÓN CROMOSÓMICA La anafase es una fase de la mitosis que se subdivide en subfases: anafase temprana o anafase A y una anafase tardía o anafase B. En la ANAFASE A, la separación de las cromátidas hermanas se van a empezar a producir por el acortamiento (disminución en longitud) de los microtúbulos cinetocóricos. En la ANAFASE B, los polos del huso mitótico se van a distanciar todavía más de lo que ya están separados. Esa separación se consigue gracias a los microtúbulos del áster que se unen al córtex celular y mediante la acción de kinesinas y de dinéinas van a permitir ese mayor distanciamiento de los polos. Este mayor distanciamiento contribuye a separar también las cromátidas hermanas. En la anafase, como consecuencia de esta mayor separación de los polos del huso mitótico se va a alargar la célula.

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TELOFASE Durante la telofase, las dos dotaciones de cromosomas hijos llegan a los polos del huso y se descondensan. Se reorganiza una nueva envoltura nuclear alrededor de cada dotación cromosómica, lo que completa la formación de los dos núcleos y marca el final de la mitosis. Se forma el surco ecuatorial. La división del citoplasma empieza con la contracción del anillo contráctil. Esta descondensación se consigue porque los complejos ciclina B/Cdk1 desaparecen y dejan de actuar. Las condensinas se desfosforilan. Se vuelve a formar la envoltura nuclear porque se desfosforilan las láminas, las nucleoporinas y las proteínas de la membrana nuclear interna. Una vez que se forma la envoltura nuclear a través de los complejos de los poros nucleares empieza a haber transporte y como consecuencia de eso se reinicia la transcripción, lo cual está asociado a la desfoforilación de las ARN polimerasas. Comienza a formarse el anillo contráctil porque se desfosforilan las cadenas ligeras de la miosina II que van a permitir el contacto de los filamentos de actina con los filamentos de miosina, pero no se forma por completo.

CITOCINESIS El proceso de citocinesis es el proceso de división del citoplasma que sigue a la mitosis, por lo que no es una fase de la misma. En la citocinesis se termina de formar el anillo

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contráctil. Está formada por cuatro fases: iniciación, contracción, inserción de membranas y finalización. Cuando las cromátidas hermanas se separan en la anafase, la actina y la miosina II se empiezan a acumular en el anillo contráctil en formación, el cual también contiene otras proteínas que colaboran en el ensamblaje del anillo. Como otras GTPasas de la familia Rho, RhoA se activa por una proteína RhoGEF y se inactiva por una proteína RhoGAP. La forma activa de RhoA unida a GtTP se concentra en el futuro lugar de segmentación. Mediante la unión a las forminas, la forma activa de RhoA estimula el ensamblaje de los filamentos de actina en el anillo contráctil. Mediante la activación de proteínas quinasas activadas por Rho estimula la formación y la actividad de los filamentos de miosina II, induciendo así la contracción del anillo.

 CARACTERÍSTICAS La citocinesis comienza en un momento adecuado que es justo después de la segregación nuclear. Se produce en un sitio correcto y concreto que tiene que ser entre los 2 grupos de cromátidas. La citocinesis depende:  

Huso mitótico: envía señales en anafase que determinan la posición del anillo contráctil. Defosforilación de sustratos de Cdks que depende de la destrucción de ciclinas en metafase y anafase.

La citocinesis permite que los orgánulos membranosos se distribuyan entre las dos células hijas. También hay divisiones asimétricas en las que las dos células hijas tienen diferente tamaño y, en ese caso, el anillo contráctil estará formado en otra zona que no es la zona media. Cuando la citocinesis no sigue a la mitosis se forman células polinucleadas (como sincitios, megacariocitos, hepatocitos y células del músculo cardíaco).

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MUERTE CELULAR La muerte celular desempeña una parte esencial en el desarrollo de los vegetales y de los animales. En un humano adulto sano, cada hora mueren miles de millones de células en la médula ósea y en el intestino. Nuestros tejidos no se reducen porque existe un equilibrio entre la muerte celular y la proliferación celular. En la mayoría de las células la muerte celular tiene lugar por un proceso normal de muerte celular programada: apoptosis. Aunque también puede ocurrir una muerte celular accidental por un daño agudo: necrosis.

NECROSIS Es un proceso patológico y pasivo. Este proceso de necrosis, comienza cuando una célula sufre de manera repentina un daño agudo. Esto altera la permeabilidad de la membrana plasmática. Como consecuencia, se produce una entrada masiva de iones al interior de la célula, que suelen ser iones calcio. Esa entrada masiva de iones va acompañada de una entrada masiva de agua. La entrada masiva de agua va a producir un aumento del volumen celular; este es un proceso denominado tumefacción. La entrada de agua, también provoca un aumento del volumen de las mitocondrias y el RE, entre otros. Entre estos orgánulos se encuentran también los lisosomas, pero los lisosomas al aumentar de volumen se lisan (estallan) y como consecuencia liberan su contenido enzimático al citoplasma. Se produce una agregación de la cromatina. Al continuar el proceso, aquellos orgánulos que han aumentado de tamaño terminan por fragmentarse: se fragmenta el orgánulo, se fragmenta la envoltura nuclear y finalmente se produce la ruptura de la membrana plasmática, es decir, se produce la lisis celular (la célula estalla). El contenido celular se libera al medio extracelular. Esto contenido que ha quedado libre va a alterar la funcionalidad de las células que hay alrededor, y la funcionalidad de estas células que hay alrededor, también se ve alterada por la respuesta inflamatoria asociada al proceso de necrosis. Esto implica la llegada a la zona donde se está produciendo la necrosis de células fagocíticas que van a fagocitar las células que se mueren, y mientras fagocitan van a liberar toda una serie de moléculas que son las que van a alterar la funcionalidad de las células sanas fagocíticas. 155

APOPTOSIS (MUERTE CELULAR PROGRAMADA TIPO I) La apoptosis puede activarse por una vía intrínseca o extrínseca. Se produce la condensación y fragmentación de la cromatina, el citoesqueleto se colapsa y la envoltura nuclear se desensambla. Se produce una disminución del tamaño celular. Esto conlleva una alteración de las propiedades de la membrana plasmática. La superficie celular a menudo emite protrusiones y, si la célula es grande, con frecuencia se rompe en fragmentos rodeados de membrana denominados cuerpos apoptóticos. De este modo, un macrófago fagocita a la célula con rapidez, antes de que pueda liberarse el contenido. Cuando la célula determina su propia muerte por apoptosis, la fosfatidilserina que se encuentra de manera natural únicamente en la cara interna de la membrana plasmática empieza a colocarse en la cara externa. Este hecho es importante porque por ejemplo, los macrófagos tienen unas proteínas transmembrana capaces de reconocer la fosfatidilserina para llevar a cabo la fagocitosis de la célula.

FUNCIONES DE LA APOPTOSIS El proceso de apoptosis está implicado en:  Durante el desarrollo embrionario 

Eliminación de vestigios evolutivos. El ejemplo más claro son las membranas interdigitales, ya que durante el desarrollo embrionario los dedos de las manos y de los pies están unidos por membranas, que desaparecen gracias a la muerte por apoptosis de las células que forman esa membrana.



Formación de conductos a partir de estructuras tubulares macizas. En este caso, lo que ocurre es que para que se forme el conducto, las células que se encuentran en el centro de la estructura tubular maciza mueren por apoptosis.



Eliminación de determinados tipos de neuronas durante el desarrollo embrionario. Este proceso afecta solo a determinados tipos de neuronas que durante el desarrollo embrionario se generan en mayor cantidad de lo que se necesita. El exceso de esas neuronas se elimina por apoptosis.



Formación de la región del palar y de la retina.

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 En la etapa adulta 

Renovación de tejidos. Uno de los tejidos más característicos en los que ocurre esto es el tejido epitelial; en la piel, las células se organizar en varios estratos, y las células de las zonas superiores mueren y son reemplazadas por células más basales



Destrucción del endometrio durante la menstruación, ya que las células que forman esa parte del útero van a morir por apoptosis.



Reparación de lesiones



Remodelación tisular, que consiste en el cambio de organización dentro de un tejido. Este proceso se conoce especialmente bien en el tejido óseo



Regresión de las glándulas mamarias tras la lactancia. Durante el embarazo y el periodo de lactancia las glándulas mamarias aumentan de tamaño porque hay más células. Cuando termina la lactancia disminuye el tamaño de las glándulas mamarias porque disminuye el número de células.



Eliminación de célula que no maduran correctamente. Este es un proceso que es especialmente importante en relación con las células hematopoyéticas (células de la sangre y de los órganos linfoides). Todas estas células diariamente miles de ellas mueren y tienen que ser reemplazadas. Son reemplazadas a partir de células que se producen en los órganos hematopoyéticos como la médula ósea, y órganos linfoides. En estos órganos hematopoyéticos, para que se generen células maduras, inicialmente miles de células tienen que empezar a diferenciarse y de todas ellas, solo unas pocas van a conseguir la madurez. El resto de células que no consigue llegar a la etapa final mueren por apoptosis (diariamente mueren billones de estas células al día).



Eliminación de células potencialmente peligrosas para el organismo: células infectadas por virus, o células que han sufrido daños en el ADN y que son potencialmente tumorales. Estas células pueden ser eliminadas por el proceso de apoptosis.

CASPASAS: ESTRUCTURA Y MECANISMO DE ACCIÓN La maquinaria intracelular responsable de la apoptosis depende de una familia de proteasas que contienen una cisteína en su sitio activo y que escinden sus proteínas diana sobre residuos específicos de ácido aspártico. Por ese motivo, se llaman caspasas. 157

Éstas se sintetizan en la célula como precursores inactivos o procaspasas, las cuales son activadas por lo general por escisión proteolítica.

 ACTIVACIÓN DE LAS PROCASPASAS DURANTE LA APOPTOSIS Cada caspasa se sintetiza inicialmente en forma de proenzima inactiva (procaspasa). Algunas procaspasas se activan mediante escisión proteolítica llevada a cabo por una caspasa activa: dos fragmentos escindidos de dos moléculas de procaspasa se asocian entre sí formando una caspasa activa, que es un tetrámero de dos subunidades pequeñas y dos subunidades grandes; los prodominios normalmente se descartan, como se indica en la imagen.

 ACTIVACIÓN DE CASCADAS POR LAS CASPASAS Las primeras procaspasas que se activan se llaman procaspasas iniciadoras, las cuales escinden y activan muchas moléculas de procaspasas ejecutoras, produciendo una reacción en cadena amplificadora (una cascada proteolítica de caspasas). A continuación las caspasas ejecutoras escinden proteínas clave de la célula, incluidas determinadas proteínas citosólicas y las laminas nucleares lo que conduce a la muerte controlada de la célula. Las procaspasas iniciadoras se activan mediante proteínas adaptadoras que mantienen las procaspasas en estrecha proximidad en un complejo de activación; las procaspasas iniciadoras se escinden una a la otra en el complejo, pero la escisión sólo estabiliza la proteasa activa.

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VÍA EXTRÍNSECA: RECEPTORES DE MUERTE Está iniciada por estímulos apoptóticos extracelulares que se unen a receptores de la membrana plasmática de la célula que va a morir [receptores de muerte celular, como ejemplo receptores TNF y receptores de Fas]. Una vez que se produce la unión, los dominios citoplasmáticos de estos receptores van a unir unas proteínas adaptadoras. Estas proteínas adaptadoras se denominan así porque lo que hacen es mediar la unión de las procaspasas a los receptores de muerte celular. Las procaspasas que van a ser reclutadas, es decir, que se van a unir a esos dominios citoplásmicos, en general son procaspasas 8. De hecho, el que esta procaspasa sea la primera que se une es una diferencia importante entre la vía intrínseca y la vía extrínseca. La procaspasa 8 unida se va a activar por autocatálisis, puesto que es una procaspasa iniciadora, y se forman las caspasas 8 activas. Estas caspasas 8 activas van a romper y activar otras procaspasas y fundamentalmente, lo que hacen es activar a la procaspasa 3 que es la más importante de las procaspasas efectoras. Se transforma en la caspasa 3 activa. Esta, por un lado empieza a romper y activar otras procaspasas efectoras, y por otro lado, empieza a romper las láminas de la lámina nuclear, los componentes del citoesqueleto y empieza a romper también proteínas inhibidoras. De estas proteínas inhibidoras, la principal es ICAD [inhibidor de la ADNasa dependiente de caspasas]. Cuando se rompe este inhibidor, lo que ocurre es que se libera la ADNasa dependiente de caspasa [se libera y se activa] que va a entrar en el núcleo y va a empezar a degradar el ADN.

VÍA INTRÍNSECA: MITOCONDRIA Al producirse un estímulo apoptótico en la mitocondria, se libera el citocromo c de la misma. Esto provoca la activación de Apaf1. La unión del citocromo c hace que Apaf1 159

hidrolice el dATP que lleva unido a dADP. La posterior sustitución del dADP por dATP o ATP induce que se agregue el complejo generando por Apaf1 y el citocromo c formando el apoptosoma, un gran complejo heptamérico que recluta la procaspasa-9 a través del dominio de reclutamiento de caspasas (CARD) de cada proteína. Las moléculas de procaspasa-9 se activan en el apoptosama y ahora pueden escindir y activar procaspasas ejecutoras, lo que conduce a la escisión y activación de estas moléculas en una cascada de caspasas.

REGULACIÓN DE LA RUTA INTRÍNSECA  La vía intrínseca de la apoptosis está regulada por la familia de proteínas Bcl2. Algunas proteínas Bcl-2 son proapoptóticas y estimulan la apoptosis aumentado la liberación de citocromo c, mientras que otras son antiapoptóticos e inhiben la apoptosis bloqueando la liberación. Los componentes antiapoptóticos de la familia Bcl-2 son la propia Bcl-2 y Bcl-XL. Las proteínas proapoptóticas Bcl2 comprenden dos subfamilias: las proteínas BH123 y las proteínas “sóloBH3”. Las principales proteínas BH123 son Bax y Bak. En ausencia de un estímulo apoptótico, las proteínas antiapoptóticas Bcl-2 se unen e inhiben las proteínas BH123 en la membrana mitocondrial externa. En presencia de un estímulo apoptótico, las llamadas proteínas “sólo BH3” se activan y se unen a las proteínas antiapoptóticas Bcl-2 de manera que ya no pueden inhibir a las proteínas BH123, que se activan y se agregan en la membrana mitocondrial externa y estimulan la liberación de las proteínas intermembrana mitocondriales al citosol. Algunas proteínas “sólo BH3” activadas pueden estimular la liberación de proteínas mitocondriales más directamente uniéndose y activando proteínas BH123. 160

 Los IAP son inhibidores de la apoptosis. Tienen uno o más dominios BIR que les permite unirse e inhibir las caspasas activadas. Algunos IAP también poliubiquitizan caspasas, marcándolas para su destrucción en los proteasomas. En los mamíferos, las anti-IAP bloquean los IAP en el citosol y estimulan la apoptosis. En ausencia de un estímulo apoptótico, los IAP impiden la apoptosis accidental causada por la activación espontánea de las procaspasas. Los IAP se localizan en el citosol y se unen e inhiben cualquier caspasa que se haya activado espontáneamente. Algunos IAP también son ubiquitinas ligasa que ubiquitizan las caspasas a las que se unen, marcándolas para que sean degradadas en los proteasomas.

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Cuando un estímulo apoptótico activa la vía intrínseca, entre las proteínas que son liberadas del espacio intermembrana mitocondrial se encuentran las proteínas anti-IAP, las cuales se unen y bloquean la actividad inhibidora de los IAP. Al mismo tiempo, el citocromo c liberado desencadena el ensamblaje del apoptosoma, el cual puede activar una cascada de caspasas e inducir la apoptosis.

FUNCIÓN P53 EN LA APOPTOSIS El gen que codifica la proteína supresora de tumores p53 está mutado en el 50% de los cánceres humanos de manera que no puede inducir la apoptosis o la detención del ciclo celular en respuesta al daño en el DNA. Por lo tanto, la ausencia de función de p53 hace posible que las células cancerosas sobrevivan y proliferen incluso cuando su DNA esté dañado; de esta manera, las células acumulan más mutaciones, algunas de las cuales hacen que el cáncer sea más maligno. Dado que muchos fármacos anticancerosos inducen apoptosis mediante un mecanismo dependiente de p53, la ausencia de función de p53 también implica que las células cancerosas sean menos sensibles a estos fármacos.

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