APUNTES TEMAS 1-11 BIOLOGIA CELULAR (2012)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biotecnología - 1º curso
Asignatura Biologia Celular
Año del apunte 2012
Páginas 86
Fecha de subida 11/12/2014
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APUNTES COMPLETOS BIOLOGIA CELULAR IMPARTIDA POR ELENA IBAÑEZ

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Tema 1: Organización de la célula eucariota y procariota La célula procariota Los organismos procariotas pueden ser: • Eubacterias: ◦ Presentes en la tierra, el agua y en los seres vivos.
◦ Cianobacterias, E. Colli, Salmonella, Lactobacillus,...
• Arqueobacterias: ◦ Presentes en ambientes poco usuales.
◦ Metanogéneas, reducen el CO2 a metano, en pantanos con poco O2; termoacidófilas, fuentes termales sulfurosas, 80ºC y pH ~ 2; halófilas, ambientes con elevada concentración en sal...
◦ estructuralmente diferentes a las eubacterias: diferentes ribosomas, pared celular sin peptidoglucano,...
Se trata de organismos muy sencillos pero bioquímicamente muy diversos.
• • • • • • • No presentan núcleo definido.
Suelen presentar pared celular.
La presencia de membrana externa diferencia los distintos tipos de procariotas.
Gran diversidad y funciones.
Viven en condiciones extremas.
Reprodución muy rápida.
Se adaptan muy rápido a los cambios.
Adrián Alonso – Biología Celular 1 La célula eucariota Los organismos eucariotas son: protistas (algas y protozoos), hongos, animales y vegetales.
La vacuola, realiza la función (entre otras) de los lisosomas en las células vegetales.
Adrián Alonso – Biología Celular 2 Tema 2: Estructura y composición de la membrana plasmática 1. Funciones de la membrana • • • • • • Delimitar la célula.
Proporcionar flexibilidad y forma a la célula.
Actuar como una barrera selectiva (permite el paso de algunas sustancias) Dar soporte a actividades enzimáticas.
Establecer uniones con otras células y con la matriz extracelular.
Permitir la transferencia de información entre la célula y el exterior.
2. Estructura de la membrana • • • Estructura básica formada por una bicapa lipídica según el molo de mosaico fluido (Singer i Nicolson, 1972) Contiene proteinas, responsables de la función: ◦ Proteinas periféricas.
◦ Proteinas integrales.
En la capa exterior posee glucoproteinas y glucolípidos.
3. Composición de la membrana • Las cantidades de lipidos y proteinas de las membranas varian en función de las funciones que realice la membrana.
Adrián Alonso – Biología Celular 1 3.1. Lípidos • • • • Representan el 50% de la masa de la membrana plasmática (109 moléculas/membrana) Son moléculas anfipáticas.
Existen 3 tipos: fosfolípidos, glucolípidos y esteroides.
Forman micelas o bicapas lipédicas, dependiendo de la forma.
Fosfolípidos (≥50%) • Existen dos tipos: ◦ Fosfoglicéridos: los más abundantes, derivan del glicerol.
◦ Esfingolípidos: derivan de la esfingosina.
Fosfoglicéridos • Derivan del glicerol.
• Son sintetizados en el RE.
• Estan formados por glicerol, 2 ácidos grasos (uno saturado y uno insaturado), un grupo fosfato y una sustancia polar.
• Se nombran: fosfatidilcolina, fosfatidilserina...
Esfingomielina (esfingolípidos) • Derivan de la esfingosina.
• Se sintetizan en el aparato de Golgi.
• Estan formados por esfingosina, 2 ácidos grasos (saturadas, sin dobles enlaces) y un grupo de carácter polar.
Adrián Alonso – Biología Celular 2 Glucolípidos • • • • Derivan del glicerol o la esfingosina (la mayoria ->glucoesfingolípidos) Se sintetizan en el aparato de Golgi.
Solo se encuentran en la monocapa externa (5% de las moléculas lipídicas) Existen dos tipos: ◦ Cerebrósidos o glucolípidos neutros: ▪ No tienen carga.
▪ Solo poseen un residuo de azúcar.
◦ Glangliósidos o glucolípidos polares: ▪ Poseen más de un residuo de azúcar.
▪ Poseen un residuo con carga negativa -> NANA = àcid siàlic.
Esteroides • Solo están presentes en eucariotas: ◦ Células animales: colesterol (50% de los lípidos de membrana en mamíferos) ▪ El colesterol posee una parte muy rígida, que se situa entre dos fosfolípidos y confiere rigidez a la membrana. Cuanto más colesterol, menos fluidez posee la membrana.
◦ Células vegetales: fitoesteroides.
Microdominios lipídicos (lipid rafts) • • • Ricos en esfingolípidos, colesterol y fosfoglicéridos con colas saturadas (rectas) Más rigidas y menos fluidas que el resto de la membrana.
Aquí se acumulan proteinas que no se acumulan en el resto de la membrana, y por ello, posee funciones diferentes que el resto de la membrana.
Adrián Alonso – Biología Celular 3 3.2. Proteinas • • • • Son las responsables de las funciones especificas de la membrana (receptores, enzimas...) y, por ello, las cantidades de estas varian en función de la célula.
Representan aprox. el 50% de la masa de la membrana plasmática (1 proteina/50 lípidos) Suelen ser anfipáticas.
Suelen presentar oligosacáridos unidos (formando glucoproteinas) Proteinas integrales de membrana • Anfipáticas; con el dominio hidrofóbico insertado en la bicapa lipídica.
• Son sintetizadas en el RE.
• Son solubles en detergentes, ya que estos destruyen la bicapa lipídica.
Hay varios tipos: • Proteina transmembranal de un solo paso (1) • Proteina transmembranal multipaso (2) con plegamiento hélix α • Proteina transmembranal multipaso (3) con plegamiento lámina β • Proteina integral monotópica (4) Proteinas periféricas de membrana (7,8) • • • Hidrofílicas, unidas por interacciones electroestáticas con las capas de fosfolípidos o proteinas integrales.
Sintetizadas en el citosol (las de la banda interior) y en el RE (las de la banda extracelular) Sulubles con cambios iónicos o de pH.
Proteinas unidas a lípidos (5,6) • • • Hidrofílicas, unidas covalentemente a un lipido o a un glucolípido insertado en la bicapa.
Las proteinas de la banda citosólica (5) son sintetizadas en el citosol y están unidas a un lípido (ácido graso o grupo prenil) Las proteinas de la banda extracelular (6) son sintetizadas en el RE y están unidas a un glucolípido (GPI = glucosilfosfatidilinositol) Adrián Alonso – Biología Celular 4 Hay varios tipos de oligosacarios unidos a proteinas. Estos tipos se diferencia según la manera por la que se unen a la cadena proteica: • • O-linked: se unen al grupo hidroxilo de una Ser / Thr.
N-linked: se unen al grupo amino de la Asn (son los más frecuentes) 4. Características de la membrana.
4.1. Fluidez y dinamismo de la membrana Los parámetros que influyen en la fluidez de la membrana son: • La longitud de las colas de los fosfolípidos (cuanto más largas son, mas fluida es la membrana) • El grado de saturación de las colas de los fosfolípidos (cuanto más saturada, menos fluida es la membrana) • La presencia de colesterol (cuanto más colesterol, menos fluida es la membrana) • La temperatura (cuanta más temperatura, más fluida es la membrana) Tipos de movimientos de los lípidos de la membrana Los lípidos de la membrana poseen varios tipos de movimientos: rotación, flexión, difusión lateral y flip-flop (cambio de una monocapa a otra, necesita aporte de energia -> una enzima: flipasa) Tipos de movimientos de las proteinas de la membrana Poseen dos tipos de movimiento: difusión lateral y rotación.
A su vez, existen mecanismos de restricción del movimiento lateral de las proteinas de la membrana: • Se hacen copias de una proteina y se agrupan en grandes grupos que no se pueden mover (A) • Se unen las proteinas a elementos exteriores a la célula (matriz extracelular -> fibronexina) (B) • Se unen las proteinas a elementos internos de la célula (citoesqueleto -> microfilamentos de actina) (C) • Se unen proteinas de membranas de células distintas. Limita el movimiento de otras proteinas de la membrana, polarizando la célula, es decir, creando una composición proteica diferente en las distintas partes de la membrana. Se crea así un dominio apical y un dominio vasolateral. Este mecanismo es común en células epiteliales. (D) Adrián Alonso – Biología Celular 5 Para saber si una proteina posee moviento lateral se utiliza una técnica denominada FRAP. Esta técnica consiste en manipular genéticamente la célula para que se exprese la proteina interesada unida a la proteina GFP para que le done fluorescencia. Con un láser incidimos sobre un trozo de membrana, donde la fluorescencia desaparecerá. En las zonas en las que esa fluorescencia reaparece, existen proteinas con movimiento lateral.
4.2. Asimetría de la membrana La asimetría de la membrana es una característica importante, ya que gracias a ella, las monocapas de la membrana pueden realizar funciones distintas.
Lípidos En la membrana hay una diferente distribución de los lípidos dependiendo de la monocapa. Así, en la monocapa externa de la membrana encontramos mayor concentración de esfingomielina y fosfatidilcolina, mientras que en la monocapa interna, hay una mayor cantidad de fosfatidiletanolamina y fosfatidilserina.
Esta diferente distribución de lídipos permite funciones como: • La esfingomielina sirve para la señalización celular, por lo que es más abundante en la capa externa de la membrana.
• La fosfatidilserina se encuentra en el interior celular siempre que la célula esté viva.
Mediante el proceso apoptosi (suicidio celular), este lípido sale al exterior de la membrana mediante la acción de flipasas. Esto es útil para que estas células sean retiradas por los macrófagos.
Carbohidratos Solo se encuentran en la cara externa de la membrana, formando el glucocalix (cell coat).
Esto se debe a que las proteinas se sintetizan en el RE y se incorporan a su membrana, donde se le asocian carbohidratos a la región que está dentro del RE. De aquí pasan al AG, donde se añadan más azúcares a la parte de las proteinas que están en el interior del AG. Del AG pasan a unas vesículas que las lleva a la membrana plasmática. Lo que está en el interior de la vesícula queda en el exterior de la célula, y por ello, solo hay carbohidratos en la capa exterior de la membrana.
Adrián Alonso – Biología Celular 6 Las funciones del glucocalix son: • Protección química y mecánica.
• Filtración (por tamaño).
• Creación de microambientes.
• Orientación de las proteinas de membrana y estabilización del plegamiento.
• Señalización celular.
• Reconocimiento celular. Ejem. Los antígenos sanguíneos AB0 (glucolípidos o glucoproteinas) ó los antígenos de histocompatibilidad (glucoproteinas).
Proteinas • • • Diferente distribución de las proteinas periféricas, unidas a lípidos y proteinas integrales monotópicas en las dos caras de la membrana.
Orientación específica de las proteinas transmembranales.
Presencia de puentes disulfuro solo en los dominios extracelulares.
Adrián Alonso – Biología Celular 7 Tema 3: transporte de molécula a través de la membrana Lás moléculas con carga y las grandes moléculas no pueden atravesar la membrana por si solas.
1. Difusión simple y ósmosis La difusión simple es el movimiento de un soluto a favor de gradiente sin consumo de energía metabólica.
La velocidad de la difusión depende del gradiente de concentración: cuanta más concentración, más velocidad tendrá el proceso.
En la ósmosis pasa agua desde una disolución más diluida a otra más concentrada a través de una membrana semipermeable.
• Cuando el medio extracelular es hipertónico con respecto al medio intracelular, sale agua de la célula, por lo que disminuye el volumen celular y aumenta la presión osmótica en el interior de la célula. En las células vegetales se produce plasmólisis, y en las animales crenación.
• Cuando el medio extracelular es hipotónico con respecto al medio intracelular, entra agua en la célula, por lo que aumenta el volumen celular y disminuye la presión osmótica en el interior de la célula. En las células vegetales se produce turgencia, y en las animales hemólisis.
2. Transporte de iones y pequeñas moléculas 2.1. Principios del transporte a través de la membrana Se realiza con la ayuda de proteinas transmembranales. Hay dos tipos de transporte: • Transporte pasivo: difusión facilitada. Se realiza a favor de gradiente de concentración. NO necesita energía. Las proteinas que intervienen pueden ser: ◦ Proteinas canal: iones.
◦ Proteinas transportadoras o permeasas: iones o pequeñas moléculas.
• Transporte activo: Se realiza en contra de gradiente de concentración. Necesita energía. Se realiza de dos formas distintas: ◦ Bombas o ATPasas: sacan la energía de la hidrólisis del ATP. Son las responsables del transporte activo primario.
◦ Permeasas: obtienen la energía de transportar otra molécula (un ión) a favor de gradiente. Son las responsables del transporte activo secundario.
En el transporte de iones y pequeñas moléculas a través de la membrana, no solo influye el gradiente de concentración, sino que también influye el gradiente eléctrico. Si queremos transportar una molécula con carga positiva, será más rapido si la capa a la que va dirigido es de signo contrario.
Adrián Alonso – Biología Celular 1 2.2. Transporte pasivo (difusión facilitada) Es el transporte que se realiza a favor de gradiente y no requiere un consumo de energía metabólica.
Este transporte puede ser llevado a cabo por permesas o por proteinas canal.
2.2.1 Transporte pasivo por permeasas • • • Velocidad de transporte elevada (102-104 moléculas/segundo), mucho más rápido que la difusión simple.
La velocidad de transporte aumenta con la concentración hasta que se alcanza el punto de saturación, en el cual todas las permeasas estan "ocupadas".
Se trata de un transporte específico, cada tipo de permeasa solo puede transportar un tipo concreto de moléculas. Por esta razón, existe cierta competencia entre moléculas similares. Las células deben de tener en sus membranas todas las permeasas para el transporte que las moléculas Adrián Alonso – Biología Celular 2 • • que le interesa.
Estructura de las permeasas: son proteinas hélix transmembranales de 12 pasos. La diferencia entre ellas está en las diferentes secuencias de aminoácidos, que depende del tipo de permeasa. Estas diferencias de secuencias de aminoácidos se localizan principalmente en el extremo N-terminal, el extremo C-terminal, en el primer paso, y en el dominio proteico comprendido entre el paso 6 y 7.
Funcionamiento de las permeasas: En un estado la proteina está abierta hacia un extremo (A) y en otro hacia el otro extremo (B). Esta posición varía constantemente. En la posición A, hay menos concentración dentro de la proteina, por lo que las moléculas se unen a ella. Mientras en la posición B, ocurre lo contrario, y al haber menos concentración en el interior de la célula, la molécula es liberada al interior.
2.2.2. Transporte pasivo por proteinas canal • • • Existen varios tipos de proteina canal: ◦ Proteinas de las uniones comunicantes (uniones gap): uniones que unen células entre si y comunican el citoplasma de ambas.
◦ Porinas (membrana externa bacteriana, mitocondrias y cloroplastos): forman canales en la membrana externa.
◦ Aquaporinas: permiten el paso de moleculas acuosas y están presentes en más membranas que las porinas.
◦ Canales iónicos (principalmente Na+, K+, Ca2+ y Cl-): transportan iones y son los más abundantes.
La velocidad del transporte es elevada (107-108 iones/segundo), ya que las proteinas forman canales acuosos por los que las moléculas pasan.
En función de como se regule la apertura y cierre del canal, distinguimos: ◦ Regulados por voltaje: por el cambio de potencial de voltaje de la membrana (células nerviosas y musculares) ◦ Regulados por ligand: una molécula se une a la proteina provoca su apertura. Pueden ser extracelulares o intracelulares.
Adrián Alonso – Biología Celular 3 ◦ Regulados mecanicamente (los menos abundantes): la apertura se debe a un estímulo mecánico, como la vibración por el sonido (células del oido).
• Transporte selectivo (tamaño y carga): cada canal solo transporta un tipo de ión. Se realiza una selección por tamaño, como en el caso del Na+ y el K+.
En el caso del Na+, el ión pasa unido a una molécula de agua por el canal, que tiene la medida exacta para que pueda penetrar, pero para que no lo pueda hacer el ión K+.
En el caso del K+, el ión penetra solo, ya que al entrar en la proteina, unos átomos de oxígeno se unen a él, provocando la liberación del agua al que estaba unido. Los iones Na+ no pueden penetrar por estos canales ya que son moléculas más pequeñas, que no llegan a las paredes de la proteina, lo que impide que se una a los átomos de oxígeno.
Adrián Alonso – Biología Celular 4 • • Las proteinas que participan en este tipo de transporte son proteinas 24 hélix transmembranal, agrupados en 4 grupos de 6 pasos cada uno. Pueden estar formadas por distintas (4) cadenas proteinas unidas entre sí, o bien ser una sola subunidad proteica.
El potencial eléctrico de la membrana se debe a la salida de iones K+ desde el interior de la célula (por los canales de fuga de potasio), lo que provaca un exceso de carga negativa en el medio intracelular, que crea este potencial de membrana (en las células animales).
En las células vegetales el responsable del potencial de membrana son las bombas de protón.
• En las células nerviosas y musculares el potencial de membrana cambia constantemente. Estos cambios son el impulso nervioso.
• Este potencial de membrana, el las células nerviosas recibe el nombre de potencial de acción. Este potencial de acción, pasa por diferentes fases: ◦ Fase de despolarización: el potencial pasa de valores negativos a valores positivos. Se invierten las cargas, quedando un exceso de cargas positivas en el interior de la célula (debido a la entrada masiva de Na+) ◦ Fase de repolarización: retorno a las condiciones normales (exceso de cargas negativas en el interior de la célula), debido a la entrada de K+.
En la transmisión del impulso nervioso a través de las neuronas (desde el cuerpo neuronal hasta el axón), intervienen varios canales: CELULAS NERVIOSAS: 1. Se abre el canal Na+ regulado por lligard. Esto provoca la entrada de Na+ y, por ello, el potencial de membrana cambia.
2. Se abre el canal Na+ regulado por voltaje, por lo que entra más Na+.
+ 3. Se abre el canal K regulado por voltaje. Sale K+.
4. Se abre el canal Ca+ regulado por voltaje. Entra Ca2+.
CELULAS MUSCULARES O NERVIOSAS: (Se repiten los 4 pasos anteriores) Adrián Alonso – Biología Celular 5 Los canales de Na+ regulados por voltaje poseen en su interior 4 hélix sensores del voltaje (+). El movimiento de las hélix (según sea la carga de la membrana) provoca un cambio de conformación de las proteinas que forman los canales, los cuales se abren y dejan pasar Na+ durante un breve periodo de tiempo. Después, el canal se inactiva (el canal sigue abierto pero se encuentra tapado).
Cuando la membrana se repolariza, el canal vuelve al estado inicial.
El tiempo en el que el canal está inactivo se llama periodo refractante.
Cuando uno de estos canales se abre, deja pasar Na+, lo que provoca que se abran a su vez los canales cercanos, y esta es la causa de que el potencial de acción solo se propague en una dirección.
Cuando el impulso nervioso llega al extremo del axón, se provoca la apertura del canal de Ca2+.
Esto provoca la fusión de una vesícula con la membrana y la liberación de acetylcholine, que viaja a través del espacio sináptico y actúa como lligand sobre unos canales de Na+ regulados por lligand de las células musculares. Esto provoca la entrada de Na+, la membrana se despolariza y se abren los canales Na+ regulados por voltaje. Se abren los canales K+ que repolarizan la membrana. El impulso nervioso provoca la apertura de los canales Ca2+ regulados por voltaje, se fusionan con otros canales Ca2+ del sacoplasmático reticulum, especializado en contener Ca2+. La respuesta de la célula muscular al aumento de Ca2+ es la contración.
La señal eléctrica se transforma en señal química con la acetylcholine para llegar hasta las células musculares. Allí se transforma de nuevo en señal eléctrica mediante la despolarización de la membrana.
2.3. Transporte activo Se trata de un transporte en contra de gradiente y que requiere un gasto de energía metabólica. Es un transporte selectivo, afectado por fenómenos como la saturación y la competencia.
2.3.1 Transporte activo primario Este tipo de transporte implica el consumo directo de ATP. Hay tres tipos distintos de ATPasas o bombas: • Clase P: son las más sencillas. Posen 4 subunidades (2 α y 2 β). El canal α es por donde pasan los iones y donde se hidroliza el ATP y el canal β es la unidad reguladora de la subunidad α. Durante el transporte siempre resultan fosforiladas. Ejem: bomba Na+/K+ Adrián Alonso – Biología Celular 6 • • • Clase V: son más complejas. Solo transportan protones en contra de gradiente, por lo que hidrolizan ATP (ATPasas). Están formadas por un dominio transmembranal, que actúa como canal de paso de los iones (V0) y un dominio hidrolizador de ATP (V1). Se encuentran principalmente en la membrana de las vacuolas, los endosomas y los lisosomas.
Clase F: son morfológicamente iguales a las anteriores. Solo transportan protones a favor de gradiente, por lo que sintetizan ATP (ATPsintasas).
Las funciones de transporte de protones de la clase V y la clase F, son reversibles si cambia el gradiente de protones.
Clase ABC: transportan iones y pequeñas moléculas. Poseen los dominios transmembranales (T) que actúan como canales de intercambio de iones y pequeñas moléculas y dos dominios citosólicos (A), que hidrolizan ATP.
Bomba Na+ - K+ Se trata de una bomba de tipo P, presente en la membrana plasmática de las células animales y que transporta Na+ en contra de gradiente. Consume ATP. Por cada molécula de ATP que consume, salen 3 Na+ y entran 2 K+.
Estas bombas poseen dos estados de conformación (E1-E2) que se alternan. En α hay 3 uniones para Na+ y 2 para K+. En el E1 las uniones están orientadas hacia el citosol. Las uniones del Na+ son de alta afinidad mientras que las del K+, son de baja afinidad. Esto provoca que en el E1, solo se una Na+. Se une ATP que se hidroliza y uno de sus fosfatos se une a la bomba. La fosforilación provoca el cambio de estado conformacional E1-E2. Este cambio provoca que los bloques de unión ahora estarán orientados hacia el exterior celular y ahora hay una afinidad mayor en las uniones para K+ y una afinidad baja para Na+. Esto provoca la liberación del Na+ al exterior y la unión de K+, lo que provoca la desfosforilación de la bomba, que conlleva el cambio conformacional al estado inicial (E1). El K+ se libera al citosol.
Adrián Alonso – Biología Celular 7 Esta bomba realiza funciones muy importantes para la célula, por ello 1/3 de los ATPs de la célula son utilizados para el funcionamiento de esta bomba. Las funciones principales de estas bombas son: • Creación y mantenimiento del potencial de membrana (contribuye ~10%) • Estabilización de la forma y del volumen celular. Extraen más iones de los que introducen y así reducen la cantidad de H2O que se introduce en la célula y evitan su explosión osmótica.
• Control de otros sistemas de transporte (transporte activo secundario) Bomba Ca2+ La concentración de Ca2+ en la célula debe ser baja. Cuando la concentración aumenta, cada célula responde de una forma determinada. Despues de la respuesta, la concentración debe volver a bajar.
Esta bajada en la concentración de Ca2+ se produce gracias a estas bombas. Estas bombas están presentes en las membranas plasmáticas y en las membranas de algunos orgánulos internos como el RE o las mitocondrias.
Se trata de una bomba de tipo P, que transporta los iones siempre en contra de gradiente, por lo cual necesita un consumo de ATP, y se encuentra dentro del transporte activo primario.
Su funcionamiento es similar al de la bomba Na+/K+.
Adrián Alonso – Biología Celular 8 Bomba H+: Pueden ser: • Bomba de tipo V. Se encuentra en las membranas de los lisosomas, endosomas y las vacuolas (en las células vegetales). Transporta protones en contra de gradiente desde el exterior hasta el interior de estos orgánulos. Nunca se encuentran en las membranas plasmáticas de las células animales, exceptuando aquellas células especializadas en la secrección de ácidos.Tienen 2 funciones principales: ◦ Eliminar los protones generados por las actividades celulares para no producir una acidez del citosol.
◦ Acidificar el interior de estos orgánulos, lo cual es necesario para el desarrollo de sus funciones.
• Bomba de tipo P. Se encuentra en la membrana plasmática de las células vegetales.
Transporta protones en contra de gradiente y tiene 2 funciones principales: ◦ Eliminar protones y mantener el pH del citosol estable.
◦ Crear un potencial de membrana, ya que en las células vegetales no hay bombas Na+/K+.
Proteina MDR1 (resistencia a múltiples fármacos) Es una bomba de tipo ABC. Está presente en las células del hígado, intestino y los riñones. Elimina toxinas naturales y metabólicas, y tiene capacidad para eliminar fármacos hidrofóbicos.
Tiene sobreexpresión en las células cancerígenas, ya que es resistente a las drogas citotóxicas.
En su funcionamiento altera entre 2 estados de conformación diferentes. Los cambios en la conformación se producen por la hidrólisis de ATP.
2.3.2. Transporte activo secundario En este tipo de transporte, la energía no proviene de la hidrólisis del ATP ya que las proteinas que intervienen en este transporte no son bombas, sino permeasas (que no pueden hidrolizar ATP). Para obtener la energía transportan un ión a favor de gradiente (transporte acoplado). Este transporte puede ser: • Symport: si se produce en el mismo sentido que el transporte de la molécula.
• Antiport: si se produce en sentido opuesto que el transporte de la molécula.
Adrián Alonso – Biología Celular 9 Su fuente de energía depende la existencia de gradientes: • Gradiente de Na+ (membrana plasmática de las células animales): las bombas Na+/K+ general un gradiente de Na+. Esto es usado por las permeasas para introducir Na+ a favor de gradiente y obtener energía.
• Gradiente de H+ (membrana plasmática de bacterias, hongos y vegetales): las bombas de H+ producen un gradiente de H+ que es utilizado por las permeaas para introducir protones a favor de gradiente y obtener energía.
Este transporte se llama secundario ya que aunque no consume directamente ATP, necesita que el transporte primario funcione (para crear gradientes) y por lo tanto consume ATP indirectamente.
Simport Na+-glucosa Transportan Na+ a favor de gradiente para obtener energía pra transportar moléculas de glucosa en contra de gradiente. Consumen 2 Na+ por cada molécula de glucosa que transportan.
Al mismo tiempo que se introduce Na+, la bomba Na+/K+ lo expulsa, manteniendo el gradiente. Esta bomba también posee 2 estados de conformación.
Son abundantes en las células del epitelio intestinal, ya que permiten la absorción de glucosa por estas células e incorporarla al torrente sanguineo.
Adrián Alonso – Biología Celular 10 Antiport Na+-Ca2+ Se encuentran en la membrana plasmática de las células animales. Transportan Na+ a favor de gradiente para obtener energía para el transporte de Ca2+ en contra de gradiente. Por cada 3 Na+ que entran, se expulsa 1 Ca2+. Sirve para eliminar rapidamente Ca2+ del citosol, lo cual es importante en algunas células, como en las células del músculo cardiaco, ya que sirve para controlar la frecuencia de contracción.
Antiport Na+-H+ Introduce Na+ a favor de gradiente para obtener energía para eliminar H+ al exterior celular en contra de gradiente.
Interviene en la regulación del pH del citosol.
Para que este transporte funcione es muy importante la bomba Na+/k+, ya que si esta bomba dejara de funcionar, el gradiente desaparecería y todos estos sistemas de transporte activo secundario dejarían de funcionar.
Adrián Alonso – Biología Celular 11 Tema 4: Matriz extracelular y pared celular 1. Matriz extracelular Es el conjunto de materiales extracelulares que forman parte de un tejido. Sus funciones son: • Estructural, dar forma a la célula y a los tejidos.
• Regulación de procesos celulares (división, diferenciación, migración...) • Funciones específicas, como los huesos, las células epiteliales...
Los principales componentes de la matriz son: • Glucosaminoglucanos (GAGs): largas cadenas de polisacáridos a menudo en forma de proteoglucanos. Forman una estructura gelatinosa. Proporcionan resistencia a fuerzas compresivas.
• Proteinas fibrosas: ◦ Estructurales: como el colágeno y la elastina que dan elasticidad y resistencia frente a fuerzas tensoras.
◦ Adhesivas: como la fibronectina y la laminina que unen la matriz y la célula.
Los elementos básicos son siempre los mismos en todas las matrices. Lo que cambia son las concentraciones de los elementos.
1.1. Composición 1.1.1. Glucosaminoglucanos y proteoglucanos Los glucosaminoglucanos se caracterizan por: • Son cadenas de disacáridos (dos azúcares) repetidas. Este par de azúcares suele estar formado por un primer azucar amino sulfatado muchas veces (N-acetilglucosamina o Nacetilgalactosamina) y el segundo por un ácido (glucurónico o idurónico).
• Tienen una carga negativa elevada.
• Esta carga negativa que les dan los grupos ácidos (COO-) y los sulfatos (SO3) hace que sean hidrofílicos, y que por tanto, puedan interactuar con los cationes aumentando su concentración en el interior, y por lo tanto, entrará agua en la célula. Esto favorece que la presión de turgencia aumente y que las cadenas sean más rígidas al ocupar un volumen más grande.
• Este hecho le confiere una consistencia gelatinosa.
Adrián Alonso – Biología Celular 1 La mayoría de los GAGs (excepto el hialurónico) se unen a proteinas y forman proteoglucanos. La proteina hace de eje central al cual se unen varias cadenas de GAGs. Éstas a parte de la matriz celular, también se encuentran en la membrana celular como conectores. Un ejemplo de proteoglucanos son los agregados de agrecan y ácido hialurónico que forman los cartílagos. El ácido actúa como una cadena central donde se unen los agrecanos (son proteoglucanos)estabilizados por proteinas. Forman agregados gelatinosos.
1.1.2. Proteinas fibrosas estructurales Colágeno En mamíferos representa el 25% de la masa proteica total.
Composición y estructura: • Cadena formada por repeticiones de la secuencia de 3 aminoácidos: Gly-X-Y. El primero es una glicina, en la posición X habrá una prolina y en la Y la hidroxiprolina. Las prolinas estabilizan la cadena y las glicinas regulan la hélice.
• Cada 3 cadenas se enrollan en una triple hélice estabilizada por puentes de hidrógeno y enlaces covalentes entre X e Y.
Funciones: Su función es proporcionar resistencia a las fuerzas tensoras.
Tipos: Hay 42 genes que codifican el colágeno, por lo tanto, la combinación de estos 42 genes dan lugar a muchas formas. Principalmente hay: Adrián Alonso – Biología Celular 2 Según sus asociaciones distinguimos entre: • Colágenos formadores de fibrillas.
• Colágenos asociados a fibrillas.
• Colágenos formadores de redes.
Colágenos formadores de fibrillas Las cadenas están formadas por 1000 aminoácidos sin interrupción. Se forman en forma de proteoglucanos y después se liberan fuera de la célula. El colágeno siempre se encuentra en el exterior de la célula y las fibrillas se asocian entre ellas por puentes de hidrógeno y enlaces entre lisinas e hidroxiprolinas.
Síntesis Se sintetiza en forma de procadenas α, las cuales son más largas que las cadenas de colágeno maduro porque tienen cadenas de aminoácidos a los extremos (propéptidos).
Conforme va entrando en el retículo estas cadenas se modifican: 1. Unión de residuos hidroxilos en prolina y lisina.
2. Adheción de azúcares (galactosas) a las hidroxilisinas.
3. Asociación de 3 procadenas α por puentes disulfuro (permiten que las 3 cadenas esten perfectamente alineadas) en el extremo C-t, de allí los puentes avanzan hasta el extremo N-t.
Así se forma el procolágeno.
4. Se establecen puentes de hidrógeno entre las 3 cadenas por la hidroxiprolina y la hidroxilisina de las 3 cadenas.
5. Se dirige al apatato de Golgi, donde se le añaden azúcares.
6. Excreción o exocitosis liberando las moléculas al exterior.
7. Una vez en el exterior de la célula, un enzima que lee los aminoácidos de los propéptidos los corta y obtenemos el colágeno maduro.
8. Al perder los propéptidos, la molécula se vuelve muy insoluble y hace que se asocien varias moléculas y formen las fibrillas de colágeno.
Las fibrillas también se pueden asociar entre sí formando fibras más gruesas.
Los propéptidos son importantes porque: • Los puentes disulfuro entre ellos producen la alineación de las cadenas.
• Hacen que las fibrillas no se formen dentro de la célula, ya que la célula moriría.
Adrián Alonso – Biología Celular 3 Colágenos asociados a fibrillas Las cadenas están formadas por repeticiones Gly-X-Y interrumpidas por pequeñas secuencias no helicoidales que las hacen ser más elásticas. Durante su formación no pierden los propéptidos terminales, por lo que no pueden formar fibrillas.
Sus principales funciones son unir las fibrillas entre sí y a otros componentes de la matriz.
Colágenos formadores de redes Son fibras elásticas que se asocian en redes y le dan a la célula la capacidad de expandirse y contraerse. Esto se consigue gracias a la interacción de fibras largas inelásticas que limitan la expansión de las fibras elásticas.
El colágeno de tipo IV forma unas redes de composición específica tipicas de las matrices extracelulares de la lámina basal. Los propéptidos de los extremos de las redes no se eliminan cuando se forman redes o asociaciones. Primero forman dímeros, los cuales se asocian entre sí formando una capa plana.
Elastina Es una proteina que es muy abundante en los tejidos que necesitan expandirse y después volver a su situación inicial (pulmones).
Es una proteina hidrofóbica, rica en prolina y lisina que no tiene azúcares ni hidroxilisinas (si tiene hidroxiprolinas). Su síntesis se realizar a partir de precursores.
Forma redes por puentes cruzados entre las cadenas laterales de los restos de lisina. Esta red es capaz de estirarse con la tensión y volver a su forma inicial cuando la tensión desaparece.
1.1.3. Proteinas fibrosas adhesivas Son proteinas con múltiples dominios de unión. Sus funciones son: • Unir los componentes de la matriz entre sí.
• Unir las células y la matriz.
• Ayudar a la migración y la forma a la célula.
Principalmente hay dos tipos: fibronectina y laminina.
Fibronectina • • • • • • Glicoproteina dímera, constituida por 2 cadenas polipeptídicas de 2500 aminoácidos unidas por puentes disulfuro.
Cada subunidad tiene una serie de dominios con diferentes funciones separados por cadenas flexibles de polipéptidos.
Tiene diferentes lugares de unión, para los GAGs, el colágeno y para la célula.
Actúa como puente de unión y conexión de diferentes partes de la matriz.
Puede varia de una célula a otra ya que solo derivan de un gen. Las diferencias se adoptan según el procesamiento al que se someten.
Tienen un receptor específico (integrina) para la superficie celular que une las células con la matriz.
Adrián Alonso – Biología Celular 4 Laminina • • • • Forman trímeros de subunidades α β y γ.
Tiene diferentes lugares de unión para el colágeno, para receptores de la célula...
Puede autounirse entre sí formando redes que son presentes en embriones.
Aparece principalmente en la lámina basal.
1.2. Comunicación célula – matriz extracelular Los principales receptores celulares responsables de la unión entre la célula y la matriz son las integrinas. Sus principales características son: • Son proteinas transmembranales.
• Tienen dos subunidades: α y β.
• Se unen a secuencias cortas de aminoácidos presentes en los diferentes componentes de la matriz extracelular.
Sus principales funciones son: • Unir la célula y la matriz.
• Anclaje del citoesqueleto, el cual es el responsable de la estabilidad de las uniones anteriores. Con dos tipos de anclajes o adhesiones focales o hemidesmosomas.
La célula puede decidir la composición de la matriz extracelular y arrastrarse a través de esta puede alterar la composición i/o orientación de la matriz.
La comunicación celular con la matriz puede ser recíproca: • Matriz → Célula: cambio en el exterior detectado por la integrina, la información llega al núcleo. (EJEM: alteración en la expresión génica).
• Célula → Matriz: cambios en la composición y estructura de la matriz. (EJEM: transmisión de señales de una célula a otra).
El funcionamiento de la comunicación celular es: • Orientación del citoesqueleto de la célula para orientar las fibras de colágeno de la matriz.
• La información llega a otras células y cambian su orientación. Fabrica fibras de colágeno con esta orientación y así sucesivamente.
Adrián Alonso – Biología Celular 5 1.3. Enfermedades relacionadas con la matriz extracelular • • • • • Osteogénesis imperfecta: mutación en el gen que codifica el colágeno de tipo I. Casos graves: muerte perinatal, casos leves: fragilidad ósea y tendones débiles.
Condrodisplasias: mutación en el gen que codifica el colágeno de tipo II. Produce alteraciones en los cartílagos, deformidades en los huesos y articulaciones y enanismo.
Síndrome de Ehler-Danlos: mutación en el gen que codifica para el colágeno de tipo III.
Produce fragilidad de pelos y vasos sanguíneos y articulaciones hipermóviles.
Síndrome de Marfan: mutación en el gen que codifica la fibrilina. Alteraciones en los tejidos conjuntivos ricos en fibras elásticas (EJEM: aorta).
Escorbuto: deficiencia de vitamina C (ácido ascórbico) en la dieta. Como consecuecia se produce la inhibición de la hidroxilación Pro y Lys. y por tanto, la no asociación procadenas α del colágeno. Provoca fragilidad de los vasos sanguíeos y caida de los dientes.
2. La pared celular vegetal Se trata de un cojunto insoluble de macromoléculas, que en el caso de plantas superiores, estan compuestas principalmente de polisacáridos que forman estructuras que pueden ser modificadas a lo largo de la vida de la planta en función de sus necesidades y condiciones ambientales.
Composición • • • • • Celulosa (40% del peso seco): es una cadena lineal de más de 500 residuos de glucosas unidos entre ellos. El conjunto de cadenas largas son llamadas microfibrillas (60-70 cadenas en paralelo unidas por puentes de hidrógeno: 3-10 Ø). Estas microfibrillas dan resistencia a fuerzas tensoras.
Hemicelulosa (20% del peso seco): son polisacáridos muy ramificados y heterogéneos.
Forman cadenas lineales de un solo tipo de azúcar de la que sobresalen cortas cadenas laterales de diferentes tipos de azúcares que se unen a las microfibrillas de celulosa y dan fuerza mecánica a la pared.
Pectina (30% del peso seco): son polisacáridos ramificados y heterogéneos que contienen residuos de ácido galacturónico de carga neta negativa que le permite unirse a iones y a el agua para formar geles. Son abundantes en la lámina media y le confiere resistencia a fuerzas compresivas.
Extensina (10% del peso seco): es una glucoproteina que confiere resistencia y regula el crecimiento de la célula. Abundante en tejidos de soporte estructural.
Lignina: polímeros de alcoholes aromáticos insolubles que le confieren resistencia y densidad a la pared. Persente en tejidos leñosos. Confiere rigidez.
Adrián Alonso – Biología Celular 6 Funciones • • • Determina la forma de la célula.
Evita los fenómenos de turgencia y que explote la célula.
Le da protección a la célula.
Pared primaria Es una pared más delgada y flexible y por lo tanto, tiene menos celulosa. Permite el crecimiento y el desarrollo de la célula. Las fibras de celulosa están distribuidas al azar.
Pared Secundaria Pared más gruesa y con una alta concentración de celulosa y tiene lignina. Se forma cuado la célula ha acabado de crecer y puede tener diversas capas. Las fibras de celulosa estan organizadas en estructur laminar lo que aumenta la rigidez de las células.
Presión de turgencia: es importante para mantener la planta vertical. Determina el crecimiento celular. Crea una presión sobre la pared que permite a la célula crecer.
Adrián Alonso – Biología Celular 7 Tema 5: Uniones y adhesión celular 1. Uniones celulares Se clasifican según la función que realizan dentro de la célula.
1.1. Uniones herméticas u oclusivas Son típicas de las células epiteliales. Están formadas por una red de cordones selladores que recorren las membranas y que las unen con las células adyacentes por ciertos puntos. Cada uno de estos corfones está formado por un conjunto de proteinas adherentes que interaccionan con las de otras membranas.
Las principales proteinas transmembranales que forman los cordones son: • Claudinas: son esenciales para la formación y función de las uniones estrechas. Según el tipo de claudinas las uniones tendrán una permeabilidad específica.
• Ocludinas: no se conoce el funcionamiento.
• Tricelulina: está relaciona con la ocludina y sella las membranas entre sí.
En el punto donde hay interacción entre claudina y ocludina de forma complementaria se formaran las uniones.
Adrián Alonso – Biología Celular 1 Funciones Estos tipos de uniones son muy importantes en las células epiteliales, ya que les dan las características que las definen. Sus funciones principales son: • Unir las células: mediante estas uniones se consigue una unión tan estrecha que resulta impermeble.
• Mantener la polaridad de la célula: por culpa del transporte de Na+- glucosa, las concentraciones de los dos componentes son diferentes en cada dominio de la célula, dándole polaridad.
• Actúan como barrera selectiva e impermeable a macromoléculas (pero permeable a pequeñas moléculas según el tipo de epitelio).
• Impiden la difusión lateral de glucolípidos y proteinas de membrana entre los 2 dominios.
• Formar una barrera impermeable: separando en dos dominios o composiciones la parte extracelular de la célula: ◦ Dominio apical: donde se encuentran las proteinas de transporte por permeasas (entran glucosa y Na+) ◦ Domino basolateral: donde se encuentran las proteinas de canal.
Es decir, tendremos 2 tipos de membrana según su composición, la cual es separada por las uniones herméticas.
1.2. Uniones adherentes o ancorantes Son especialmente abundantes en tejidos sometidos a estres mecánico como la epidermis, el musculo cardiaco o el esquelético.
El papel principal en estos tipos de uniones lo llevan a cabo las proteinas transmembranales de adhesión, las cuales atraviesan la membrana y presentan un dominio intracelular unido al citoesqueleto y un dominio extracelular que puede estar unido a otros componentes, segun a que componentes esten unidos se clasifican en dos tipos: • Enlaces célula-célula: normalmente la proteina que da termino a la unión entre las células es la cadherina. A la vez, estas proteinas son especializadas y se unen a un tipo de filamento del citoesqueleto: ◦ Uniones adherentes: la cadherina se une a los filamentos de actina del citoesqueleto.
◦ Desmosomas: la cadherina se une a los filamentos intermedios del citoesqueleto.
• Enlaces célula-matriz: normalmente la proteina que da lleva a cabo la unión entre las células y la matriz es la integrina. A la vez estas proteinas son especializadas y se unen a un tipo de filamento del citoesqueleto: ◦ Contactos focales: la integrina se une a filamentos de actina.
◦ Hemidesmosomas: la integrina se une a filamentos intermedios.
Adrián Alonso – Biología Celular 2 1.2.1. Bandas de adhesión Son un tipo de unión que se realiza mediante una cadherina. El dominio citosólico se une a los filamentos de actina mediante unas proteinas de anclaje intracelular, y por la parte extracelular se unen de forma homofílica con cadherinas de las células adyacentes. Por lo tanto, concectan los filamentos de actina de dos células adyacentes.
Son típicas en las células epiteliales y conforman una unión célula-célula.
Las proteinas de anclaje intracelular son: • α- o β-catenina • Catenina-p120: colabora en la regulación del ensamblaje del complejo de unión ya que en presencia de esta proteina, las uniones son mas numerosa y con más fuerza.
• Otras proteinas: vinculina, α-actinina.
La proteina de unión transmembranal es la E-cadherina.
Las uniones adherentes se presentan de diferentes formas: • Uniones puntuales: presentes en todas las células.
• Discos intercalados: presentes en el músculo cardiaco y actúan con los desmosomas uniendo las células contráctiles.
• Cinturón de unión: uniones entre filamentos de actina que están paralelos a la membrana plasmática y que se pueden contraer mediante la acción de la miosina. De esta manera si los filamentos se contraen, la lámina epitelial se pliega.
1.2.2. Placas de adhesión o contactos focales Es una unión que conecta los filamentos de actina del citoesqueleto con la matriz extracelular mediante integrinas (receptor de fibronectina).
Es una unión muy común en células de cultivo y fibroblastos.
La unión a los filamentos de actina se hace mediante un complejo de unión entra la subunidad β y los filamentos de actina formados principalmente por (proteinas de unión intracelular): • Talina: se une al filamento de actina de forma débil, de manera que necesita la ayuda de la vinculina a la cual se une para formar una unión más fuerte.
• Vinculina: mediante la α-actinina se une a los filamentos de actina con el apoyo de la paxilina.
• α-actinina: crea una unión fuerte con los filamentos de actina.
• Filamina.
Las proteina de uniones transmembranaleses unicamente la integrina (receptor de fibronectina): es un heterodímero transmembranal que consta de 2 subunidades. Sus dominios extracelulares conectan con la matriz, mientras que el dominio citoplasmático de la subunidad β participa en la unión de los filamentos de actina.
Adrián Alonso – Biología Celular 3 1.2.3 Desmosomas Son un tipo de unión que se realiza mediante cadherinas. Se trata de una unión célula-célula y que conecta los filamentos intermedios de las células adyacentes.
El dominio citosólico se une a filamentos intermedios mediante unas proteinas de unión intracelular, y la parte extracelular se unen de forman hidrofílica con cadherinas de las células adyacentes.
Le confieren resistencia mecánica a las células y son uniones muy comunes en vertebrados.
La estructura básica de los desmosomas son un conjunto de filamentos que cambian según los tipos de cadherina, y un cojunto de proteinas unidas que forman una placa. Entre las dos membranas celulares se pueden apreciar las uniones entre las cadherinas.
Las proteinas transmembranales o cadherinas son de dos tipos: • Desmogleina.
• Desmocolina.
Las proteinas de unión intracelular son: • Placoglobina y placofilia: unen las cadherinas y la desmoplaquina.
• Desmoplaquina: unen el resto de proteinas de unión con los filamentos intermedios.
Adrián Alonso – Biología Celular 4 1.2.4. Hemidesmosomas Es una unión que conecta los filamentos intermedios del citoesqueleto con la matriz extracelular (lámina basal) mediante integrinas.
Anclan las células a la matriz y confieren resistencia mecánica al tejido epitelial.
Las proteinas de uniones intracelulares son la plectina y la distonina (ambas son plaquinas).
La única proteina de unión transmembranal es la integrina α6β4.
1.3. Uniones comunicantes o de canal 1.3.1 Uniones GAP Están presentes en la mayoria de células animales. Permiten el intercambio de iones y pequeñas moléculas entre células vecinas. Es decir, unen citoplasmas mediante canales de libre transporte.
Permitir el paso directo de iones y pequeñas moléculas implica que las células cecinas tengan características de composición y carga similar.
Las conexinas son proteinas que están formadas por 4 hélices transmembranales. Un cojunto de 6 conexinas forma un conexón. Cuando 2 conexones situados en dos membranas vecinas están alineadas forman un canal acuoso continuo que conecta los dos citoplasmas.
Una unión GAP consiste en un conjunto de canales situados de forma paralela entre ellos de manera que forman una especie de colador.
Según si los canales están formados por la unión de diferentes tipos de conexones distinguimos: • Homotípico: los conexones son homoméricos y con el mismo tipo de conexina.
• Heterotípico: los conexones presentan dos conexones homoméricos formados por conexinas de diferentes tipos.
Los canales GAP no están permanentemente abiertos, sino que alternan entre estados abiertos y cerrados. El canal se cerrará con un pH básico intracelular o un aumento de la concentración de Ca2+. El canal se abrirá con un pH intracelular ácido y una baja concentración de Ca2+.
Adrián Alonso – Biología Celular 5 1.3.2. Plasmodesmos Son el único tipo de unión entre células vegetales. Son canales que atraviesan las paredes celulares de cada célula y conectan los citoplasmas de las células adyacentes.
Forman unos canales con un diámetro de entre 20 y 40 nm. En el centro del canal se encuentra el desmotúbulo, una estructura cilíndrica que es una continuación del REL de cada célula.
2. Adhesión celular Son un tipo de unión muchas veces transitoria y a veces actúan como precursos de las uniones celulares. Muchas de las proteinas que participan en la adhesión celular participan en las uniones.
En este tipo de unión participan las CAMs, que son moléculas de adhesión celular. Se dividen en función de si necesitan o no Ca2+ para funcionar: 2.1. CAMs Ca2+ dependientes 2.1.1. Cadherinas Proteinas que forman uniones mediante el Ca2+, la eliminación de éste provoca que las uniones de cadherinas se desorganicen y en algunos casos esto es suficiente para separar las células. En otros casos es necesaria la actuación de una enzima.
La familia de las cadherinas se clasifica en dos grandes grupos: • Cadherinas clásicas: las principales son las N-, E- y R-cadherina. Las principales funciones son unir células entre ellas y algunas actúan como transmisores de señales. Tienen dominios intra y extracelulares similares.
• Cadherinas no clásicas: las secuencias son más diferentes y principalmente se expresan en el cerebro. Tienen funciones adhesivas y también de señalización.
Adrián Alonso – Biología Celular 6 Las uniones de las cadherinas son homofílicas, es decir, las moléculas de cadherina de un subtipo se unen a moléculas del mismo subtipo de células adyacentes.
Según el modelo actual la interacción tiene lugar entre los extremos N-terminal de las proteinas de cadherinas y la distancia que queda entre las membranas las células viene determinada por el número de repeticiones del dominio de cadherina. Normalmente hay 5 dominos unidos entre ellos y una parte más delgada denominada bisagra.
El Ca2+ se une a las regiones bisagra dandole rigideza a la cadherina. Cuando se pierden los dominios se vuelven flexibles y hacen que las uniones sean débiles. Para evitarlo, las cadherinas se unen lateralmente entre ellas formando uniones más fuerte, llamadas dímeros.
Las principales funciones de estas uniones son: • La alta especificidad, ya que las uniones son hemofílicas y permiten que las uniones entre las células se establezcan de forma específica. Esto permite que las células siempre tiendan a organizarse con las de mismo tipo o tejido.
• Controlan de forma selectiva la mezcla de células, ya que la expresión de un tipo u otro de cadherina implicará la formación de una agregación diferente de células.
2.1.2. Integrinas Las integrinas son proteinas transmembranales que unen la célula con la matriz extracelular. Estas a la vez tienen la capacidad de transmitir señales. Al unirse a la matriz pueden enviar señales al interior que hagan cambiar la conformación de la célula. En cambio, ciertas composiciones internas de la célula pueden hacer que la integrina se una más o menos fuerte a la matriz.
Actúan como receptores de componentes de la matriz extracelular (interacción heterofílica).
Hay una gran variedad de integrinas pero la mayoria siguen una estructura básica. Cada integrina está formada por 2 subunidades α y β, las cuales están unidas entre ellas de forma no covalente.
Cada subunidad tiene un dominio C-terminal corto citosólico y un dominio N-terminal mucho más largo en la parte extracelular.
La parte extracelular tiene un dominio que se une específicamente a una secuencia de aminoácidos de alguno de los componentes de la matriz extracelular. En cambio, la parte intracelular se une a un complejo de proteinas que la unen al citoesqueleto.
Adrián Alonso – Biología Celular 7 Las integrinas cambian entre dos conformaciones. Incialmente se encentran plegadas con uniones entre las 2 subunidades. Hay dos tipos de señales que las activan: • Fuera-Dentro: cuando el ligando correspondiente se la matriz extracelular se une a la integrina, esta reacciona separandose y dejando al descubierto una unión activa para talina (principal proteina de unión al citoesqueleto), en la parte intracelular permitiendo así la unión de la integrina al citoesqueleto.
• Dentro-Fuera: las cadenas de talina compiten con la subunidad citosólica α por la unión al dominio β. Si la talina consigue engancharse activa y separa las 2 subunidades y deja el extremo extracelular expuesto para la unión con la matriz.
2.1.3. Selectinas Las selectinas son proteinas de membrana capaces de reconocer glúcidos mediar diferentes uniones en el compartimento vasculas (unión heterofílica). Su función principal es regular la circulación de leucocitos facilitar su llegada a los tejidos donde son necesarios. Es decir, llevan a cabo una unión débil entre leucocitos y las células endoteliales que más tarde pasarán a formar una unión fuerte similar a la integrina. Deja pasar los leucocitos de los vasos sanguíneos a las células donde hay una inflamación. Solo participan en sistemas de adhesión.
Cada selectina es una proteina transmembranal con un dominio extracelular de lectinas que se unen a azúcares específicos (oligosacáridos) de las células adyacentes. A continuación tiene un dominio homólogo al EGF seguido de una serie de dominios repetidos.
En la parte interna de la selectina se unen filamentos de actina mediante proteinas que no se conocen del todo.
Existen 3 tipos de selectinas: L-, P- y E-selectina.
y y Como ya hemos dicho su principal función es llevar a cabo una unión debil entre los leucocitos y la membrana de la célula donde están presentes, para que después los leucocitos establezcan uniones más fuertes mediante integrinas. El proceso consiste en los siguientes pasos: 1. El leucocito tiene dos tipos de receptores, los de la selectina formados por carbohidratos específicos y los del PAF. Además, tiene una serie de integrinas en la membrana. La célula endotelial tiene diversas selectinas y dos tipos de ICAM.
2. Cuando el leucocito se une mediante los receptores a una de las selectinas de la célula se activa la célula endotelial y el leucocito comienza a girar.
3. Cuando los dos receptores de selectina están unidos a una, el leucocito queda activado Adrián Alonso – Biología Celular 8 gracias a la acción del PAF, que es un fosfolípido de la celula endotelial activada, que se ha unido a su receptor activando la integrina del leucocito.
4. El leucocito sigue girando hasta que la integrina (activada) se une a el ICAM-2 formando una unión más fuerte.
5. El leucocito está unido a la célula por 2 integrinas y comienza a difundirse hacia el interior de ésta.
2.2. CAMs Ca2+ independientes La superfamilia de las inmunoglobulinas (lg) está formada por un conjunto de proteinas que pueden ser de muchos tipos. Según el tipo de unión se clasifican en: • NCAM: principalmente en células nerviosas y llevan a cabo adhesiones por interacción homofílica.
• ICAM: en células endoteliales activadas y llevan a acabo una adhesión por interacciones heterofílicas con integrinas.
Estan formadas por una rama o proteina transmembranal (NCAM) o dos ramas (ICAM). A partir de aquí cada rama está formada por un conjunto de dominios, entre los cuales el más común es el dominio de unión lg qe está formado por puentes disulfuro.
Los extremos N-terminales de la proteina siempre están fuera, y los extremos C-terminales en el interior.
Adrián Alonso – Biología Celular 9 Tema 6: Compartimentos intracelulares y tráfico de proteinas 1. Compartimentación celular La existencia de orgánulos celulares en las células eucariotas tiene varias funciones: • Separar las reacciones que tienen lugar en la célula, sin que intervengan unas con otras.
• Aumente mucho la cantidad de membrana de la célula. Esto es importante, ya que muchas enzimas son proteinas de membrana, asi que cuanta más membrana tengamos, más cantidad de enzimas tendremos.
Origen evolutivo del núcleo y de los orgánulos endomembranosos El núcleo surje a partir de la envajinación de la membrana plasmática rodeando el material genético.
De ahí surge también el RE, y de él, los lisosomas, endosomas y vacuolas.
El espacio que hay dentro del Aparato de Golgi, el espacio intermembranoso del núcleo y el exterior celular son topológicamente iguales, lo que quiere decir que pueden intercambiar entre sí proteinas.
Todos los orgánulos están conectados entre sí y con la membrana plasmática mediante vesículas, por las que transportan lípidos y proteinas.
Origen evolutivo de las mitocondrias y los cloroplastos Estos orgánulos surgieron a partir de la fagocitosis de bacterias aeróbicas (mitocondrias) y fotosintéticas (cloroplastos). Estas bacterias empezaron una relación de simbiosis con la célula que las había fagocitado. Más tarde se produjo la transmisión de material genético de la célula hasta las bacterias, lo que produjo una dependencia total.
Debido a su distinto origen evolutivo, estos orgánulos quedan aislados del sistema de vesículas.
Adrián Alonso – Biología celular 1 2. Tráfico intracelular de proteinas Las proteinas codificadas por el material genético que se encuentra en el núcleo son sintetizadas en los ribosomas libres del citosol. Estas proteinas pueden seguir dos rutas distintas: • Algunas proteinas acaban de sintetizarse en estos ribosomas y se liberan al citosol. Algunas de estas proteinas se quedan ahí, y otras son importadas al núcleo (nunca a la membrana del núcleo), y al interior o a la membrana (dependiendo de si son solubles o son proteinas de membrana) de los peroxisomas, cloroplastos o mitocondrias. (IMPORTACIÓN POSTRADUCCIONAL) • En otros casos el ribosoma empieza a sintetizar la proteina y, mientras lo hace, se asocia rápidamente al RE. Esta proteina se introduce en el RE o en su membrana. Puede quedar ahí o incorporarse a la membrana del núcleo por un movimiento de difusión simple.
También pueden ir a la membrana o al interior del aparato de Golgi, donde se podrán quedar o ir a un endosoma o a un lisosoma (al interior o a la membrana). Desde la pared del aparato de Golgi también pueden incorporarse a la membrana plasmática o liberarse al exterior.
(IMPORTACIÓN CONTRADUCCIONAL) Mecanismos de distribución intracelular de proteinas Gated transport (transporte regulado a través de poros nucleares) Transmembrane transport (translocación de proteinas a través de membranas) Vesicular transport (transporte a través de vesículas) Adrián Alonso – Biología celular 2 Señales de direccionamiento intracelular de proteinas Hay dos tipos de señales: • Señal de secuencia: secuencias seguidas de aminoácidos que actúan como secuencia señal.
Suelen separarse de la proteina cuando la proteina llega a su destino (son las más abundantes) • Señal de región: varias secuencias cortas de aminoácidos. Cuando la proteina está plegada, las diferentes secuencias de aminoácidos quedan juntas. NUNCA se eliminan.
Adrián Alonso – Biología celular 3 Tema 7: Núcleo • • • • Ocupa aproximadamente el 10% del volumen celular.
La mayoría de las células poseen un solo núcle, pero hay células sin núcleo (eritrocitos de los mamíferos), con 2-3 núcleos (hepatocitos) y células con aproximádamente 100 núcleos (células tejido muscular estriado) La forma de los núcleos suele ser esférica, pero puede ser alargada (celulas tejido muscular liso) ó multilobular (leucocitos).
El tamaño suele ser alrededor de 5μm, puedo ser de hasta 500μm (oocitos amfibios).
1. Envoltura nuclear La envoltura nuclear está compuesta por una membrana nuclear interna, una externa, la lámina nuclear y los poros nucleares.
Sus principales funciones son: • Delimitar el núcleo fisica y funcionalmente.
• Organización interna del núcleo (unión de la cromatina a la membrana nuclear) • Actúa como una barrera selectiva.
1.1. Membranas nucleares Se trata de 2 membranas continuas. La membrana externa es continua del RE. Estas 3 membranas (interna, externa y RE) son continuas pero tienen una composición proteica diferente. Esto es posible por los mecanismos de restricción del movimiento de difusión lateral de las proteinas.
Adrián Alonso – Biología Celular 1 1.2. Lámina nuclear Está constituida por filamentos intermedios nucleares (tipo V) unidos a la membrana nuclear interna, constituidos a su vez por unas proteinas llamadas láminas (A,B y C). Su función principal es dar soporte a la envoltura nuclear.
Cuando la célula entra en mitosis se produce la fosforilación de la lámina, se despolimerizan los filamentos intermedios, y con ellos la lámina.
La membrana al no tener soporte, desaparece. Después de la mitosis, las láminas se desfosforalizan y se vuelven a unir. Por ello, la lámina nuclear SOLO está presente durante la INTERFASE.
1.3. Poros nucleares El complejo del poro nuclear tiene un peso molecular de alrededor de 50 millones Da, un diámetro de 100 nm y unas 30 proteinas (nucleoporinas). Existen entre 3000 – 4000 poros por núcleo.
Esta estructura está formada por 2 anillos (nuclear y citosólico), de los cuales salen las fibrillas (fibras proteinas). Las de la banda nuclear forman la cestilla nuclear.
En el centro de cada poro hay un gran complejo proteico denominado Complejo del Poro Nuclear (NPC) 1.4. Transporte bidireccional nucleo-citoplasma Este transporte se realiza por los canales acuosos de diámetro aproximadamente 9 nm, por los que pasan libremente moléculas de hasta 40000 Da por difusión pasiva.
Por ellos se realiza: • Importación de proteinas: proceso selectivo que necesita energía. Permite aumentar el diámetro de los poros hasta un máximo de 40nm.
• Exportación de tRNA, mRNA, rRNA y proteinas.
Adrián Alonso – Biología Celular 2 1.4.1. Importación de proteinas Se trata de un proceso selectivo, por el cual solo pueden entrar en el núcleo proteinas con señales NLS (señales de localización nuclear) que son reconocidas por los receptores (carioferinas) que reconocen las señales de las proteinas.
Estas señales NLS pueden estar en los extremos o en el medio de la cadena proteica. Cuando la proteina se pliega, la señal siempre debe quedar expuesta al exterior.
Estas señales NLS básicas, son ricas en Lys y Arg, y NUNCA se eliminan despues de la importación, ya que tendrán que volver a entrar en el núcleo después de la división celular.
Ciclo de importación de proteinas solubles con NLS básico 1. Ensamblaje del complejo de importación: proteina, importina α e importina β. Estas importinas actúan como receptores de importación.
2. Translocación del complejo de importación a través de NPC: las importinas β reconocen Adrián Alonso – Biología Celular 3 unas repeticiones de 2 aminoácidos de las proteinas que forman los poros nucleares.
3. Desensamblaje del complejo de importación, mediante la interacción de Ran-GTP con la importina β. Por su elevada afinidad por la importina β, Ran-GTP se asocia a ella y le provoca un cambio de conformación que provoca la separación de la importina α, la importina β y la proteina.
4. Reciclaje de las importinas y Ran. Se produce la exportación hacia el citoplasma de los complejos importina β/Ran GTP e importina α/Ran-GTP/CAS (CAS= repector de exportación de la importina α, ya que reconoce las repeticiones FG). En el citosol, asociado a las fibrillas citosólicas de los poros, se encuentra RanGAP (una proteina activadora GTPasa) que hace que GTP se hidrolice a GDP y se libere Pi. Esto provoca un cambio de conformación de Ran, por el cual se liberan α, β y CAS. Ran vuelve al núcleo unido a NTF2 y dentro se encuentra con Ran GEF, que actúa como un factor de intercambio de nucleótidos de guanina que hace que Ran libere GDP y capte GTP.
Ran GAP: SOLO se encuentra en el citosol.
Ran GEF: SOLO se encuentra en el núcleo.
Regulación del proceso de importación de proteinas Para evitar que una proteina con NLS sea importada al núcleo (cuando no es necesaria) existen varios mecanismos: • Fosforilando los aminoácidos que forman NLS, para que las importinas no las reconozcan.
Cuando es necesario que entren en el núcleo, se desfosforalizan.
• Se adjunta al NLS una proteina inhibidora para que las importinas no las reconozcan.
Cuando es necesario que entren en el núcleo, se degrada la proteina inhibidora.
Modelo de importación de proteinas de la membrana nuclear interna Las proteinas de la membrana nuclear se sintetizan en los ribosomas del RE. Como la membrana nuclear externa y la membrana del Re son continuas, las proteinas llegan hasta la membrana nuclear externa por difución lateral. Para pasar a la membrana interna del núcleo tiene que pasar por los poros nucleares. El proceso será como el de las proteinas solubles, pero pasarán unidas a un lateral del poro (y no por el centro como las proteinas solubles). Para ello también portan señales NLS.
Adrián Alonso – Biología Celular 4 1.4.2. Exportación de proteinas y RNAs Se trata de un proceso selectivo, en el que solo se transportan las proteinas que portan una señal NES (señal de exportación nuclear) que se encuentra en la superficie de las proteinas plegadas y que NO se destruyen. Estas señales son reconocidas por receptores, como en el caso de la importación.
Modelo de exportación de proteinas solubles con NES rico en leucina La proteina con NES es reconocida por el receptor de exportación (exportina) y se une a ella.
También se une Ran GTP y salen por el poro nuclear al exterior.
En el exterior, Ran GAP provoca la hidrólisis de Ran GTP en Ran GDP y Pi. Esto provoca la desunión de los 3 elementos. La exportina entra sola en el núcleo de nuevo, la proteina RAN entra con NTF2. Ran GEF en el interior, produce el cambio Ran GDP por Ran GTP.
Modelo de exportación de mRNAs Cuando el RNA se va sintetizando se le asocian unas proteinas. Unas de estas proteinas son hnRNP (ribonucleoproteinas nucleares heterogéneas), que son importantes para que el RNA pueda ser expulsado del núcleo, ya que son señales de exportación y reconocen las secuencias FG. El RNA sale del núcleo gracias a estas proteinas. Antes de salir del núcleo, las proteinas asociadas al RNA que no portan las señales se liberan.
En el citoplasma, las proteinas hnRNP se liberan.
Adrián Alonso – Biología Celular 5 2. Matriz Celular Es una red tridimensional de fibras proteicas, formando una estructura análoga a la del citoesqueleto en el citosol. No se conocen todas las proteinas que forman esta red. Sus principales funciones son: • Hacer de soporte para las estructuras del núcleo.
• Interviene en la organización de la cromatina en el núcleo.
4. Nucleolo Esta compuesto por rRNA (ya que es sintetizado en el propio nucleolo), proteinas (proteinas implicadas en la sintesis de rRNA y las que forman parte de los ribosomas) y DNA.
El DNA está presente en las regiones organizadoras del nucleolo (NOR), que contienen los genes rRNA y en humanos están localizados en los cromosomas 13, 14, 15, 21 y 22 (al estar duplicados, están presentes en 10 cromosomas).
Dentro del nucleolo hay distintas regiones: la región que contiene el RNA, la región que contiene el DNA y la región en las que se encuentran las subunidades ribosómicas.
El número de nucleolos varía en función de la célula. Cuanto más activa es una célula más grande es su nucleolo o más número de nucleolos tendrá.
En un mismo tipo celular el número y el tamaño celular pueden variar en funciín del estado en el que se encuentre la célula.
Cuando empieza la mitosis, el nucleolo se fragmenta en tantos nucleolos como regiones NOR haya en la célula (en humanos 10).
En la metafase, el nucleolo desaparece por completo.
En la telofase, aparecen de nuevo los nucleolos, tantos como regiones NOR.
Después de la división celular, todos los nucleolos se unen formando un único nucleolo.
Adrián Alonso – Biología Celular 6 Genes RNA ribosómicos Cada una de las subunidades ribosomales está formada por una proteina y RNA ribosómico. En total, en un ribosoma hay 4 moléculas de rRNA, 3 de ellas codificadas en un mismo gen.
• Gen rRNA 5,8S 18S y 28S: Se encuentra en el nucleolo. Se poseen multiples copias en tandem (200 copias en humanos) repartidas en las regiones NOR de varios cromosomas.
Poseen una alta frecuencia de transcripción.
Por transcripción de este gen se genera rRNA 45S precursor.
• Gen rRNA 5S: Se poseen multiples copias en tandem (2000 copias en humanos). Están localizadas en el cromosoma 1 en los humanos y poseen una alta frecuencia de traducción. Está fuera del nucleolo.
Se poseen varias copias y una elevada frecuencia de transcripción para poder hacer copias más rápidamente.
Procesamiento rRNA precursor En el interior del nucleolo, el 45S RNA precursor se une a proteinas del citoplasma (proteinas ribosomales y proteinas implicadas en el procesamiento del rRNA precursor).
También se une el RNA 5S que proviene de fuera del nucleolo.Todo esto unido forma un precursor del ribosoma. Las proteinas implicadas en el procesamiento del rRNA provocan una serie de cambios químicos que acaban con el corte del 45S RNA en 3 rRNA.
Esto forma las 2 subunidades ribosomales, que salen del nucleo y maduran. La maduración final de las subunidades ribosomales tiene lugar en el citosol para evitar que sinteticen proteinas en el interior nuclear.
A partir del rRNA 45S precursor, mediante modificaciones químicas y su escisión, se forman 3 rRNA.
Adrián Alonso – Biología Celular 7 4. Cromatina 4.1. Composición química DNA Tipos de secuencias de DNA Hay 3 tipos en función de su grado de repetición en el genoma: • DNA no repetitivo (~50%): ◦ Genes de copia única (~15%) ◦ Genes duplicados y divergentes (~15%): son genes que evolutivamente surgen de la copia de otro gen y a lo largo del tiempo ha sufrido cambios.
▪ Familias de genes funcionales.
▪ Pseudogenes (no funcionales).
◦ Secuencias de DNA espaciador (~20%) • DNA moderadamente repetitivo (~50%) ◦ Secuencias de DNA codificantes (<1% repetidas en tandem) ▪ Genes tRNA.
▪ Genes rRNA.
▪ Genes histonas.
◦ Secuencias de DNA no codificantes (~50%): se encuentran dispersas por el genoma y se pueden mover. En función de como se muevan pueden ser: ▪ Transposones.
▪ Retrotransposones (virales y no virales) • DNA altamente repetitivo (~5%), llamado DNA satélite: ◦ DNA satélite "clásico": secuencias de 5-100 pb repetidas miles de veces. Se encuentran en los centrómeros de todos los cromosomas y en el brazo q de los cromosomas 1, 9, 16 y Y humanos.
◦ DNA minisatélite: secuencias de unos 15 pb repetidas entre 1000 y 3000 veces. Se encuentran en los telómeros (repeticiones TTAGGG) y en otras localizaciones.
◦ DNA microsatélite: secuencias de 2-5 pb repetidas un máximo de 100 veces que se encuentran dispersas en el genoma. Se encuentran en 3000 puntos del genoma humano.
Proteinas • • Histonas: ◦ Moléculas pequeñas, muy conservadas evolutivamente y ricas en aminoácidos básicos (Lys y Arg).
◦ Tienen carga positiva, lo que les permite interaccionar con el DNA (carga negativa) independientemente de la secuencia (interacciones iónicas y puentes de hidrógeno).
◦ Responsables del empaquetamiento del DNA.
◦ Se dividen en 2 grupos: ▪ Histonas nucleosómicas (102-135 aa): H2A, H2B, H3 y H4.
▪ Histona H1 (220 aa) No histonas: ◦ Moléculas grandes y ácidas. Es un grupo muy heterogéneo.
◦ Se une a secuencias especificas del DNA.
◦ Se dividen en dos grupos: ▪ Implicadas en el empaquetamiento y la organización del DNA.
▪ Implicadas en la replicación, reparación y transcripción del DNA.
Adrián Alonso – Biología Celular 8 4.2. Estructura de la cromatina El DNA tiene unos 2 metros de longitud, y el radio del núcleo se encuentra entre 5-6 μm. Por ello, el DNA debe de estar altamente empaquetado para poder estar en el interior del núcleo, pero a su vez, debe de estar accesible a proteinas.
Las estructuras de empaquetamiento del DNA son: • • Adrián Alonso – Biología Celular Fibra de 11 nm (rosario): Cada bolita corresponde a las partículas nucleosómicas. Cada una de estas partículas está formada por una molécula de DNA (147pb) y un octámero de histonas (2 copias de cada tipo de histona nucleosómica) El DNA se enrolla al octámero dando 1,65 vueltas. A esta estructura se la denomina partícula nucleosómica. Estas partículas están separadas entre sí por un segmento de DNA (50pb).
Cada una de estas partículas más el segmento de DNA (50pb) forman un nucleosoma (octámero de histonas + DNA [200 pb]) Fibra de 30 nm (solenoide): La fibra de 11 nm se enrolla sobre sí misma formando una espiral (solenoide). Cada vuelta posee 6 nucleosomas. El responsable de la formación del solenoide es la histona H1, que se encuentra en el interior de los nucleosomas. Se une por su parte central al DNA que enrolla al octámero de histonas y sus puas interaccionan unas con 9 otras. Las puas de las histona nucleosómicas actúan con otras histonas nucleosómicas y ayudan al mantenimiento de la estructura.
• Fibra de 300 nm: Se forma a partir de las plegaciones de las fibras de 30 nm. Esto se mantiene así plegado ya que la parte base de cada pliegue interacciona con las fibras proteicas de la matriz nuclear. Cada nansa contiene entre 10-100 pb y permite generar diferentes regiones en el cromosoma.
Los genes aquí se encuetran poco accesibles. Para acceder a ellos descondensamos la nansa que nos interesa. Esto se hace mediante proteinas DNA-biding. Se traducen los genes y se vuelve a plegar mediante otros complejos de remodelación.
HASTA AQUÍ LLEGAN LAS ESTRUCTURAS DE PLEGAMIENTO DE LA CROMATINA EN LA INTERFASE Adrián Alonso – Biología Celular 10 EN EL CROMOSOMA MITÓTICO • Fibra de 700 nm: se forma formando espirales con las estructuras anteriores. Esta estructura forma el brazo del cromosóma mitótico.
4.3. Organización de la cromatina en el núcleo interfásico Hay 2 tipos de cromatina dependiendo de su grado de condensación: • Eucromatina: se encuentra descondensada en interfase (grado variable) y condensada en mitosis. Con tiene los genes traduccionalmente activos.
• Heterocromatina: altamente condensada en interfase. Corresponde al 10% del genoma en mamíferos. Posee una replicación tardia (se replica al final de la fase S). Es traduccionalmente inactiva y se suele encontrar asociada a la envoltura nuclear. Hay 2 tipos: ◦ Constitutiva: Se encuentra en los centrómeros, los telómeros... En todas las células y a lo largo de toda la vida del individuo.
◦ Facultativa: en algún momento de la vida del organismo o en algunas células está en forma de eucromatina y heterocromatina.
Las moléculas de los distintos cromosomas se encuentran organizados en el núcleo interfásico. Cada cromosoma ocupa un territorio cromosómico. Cada cromosoma interacciona con la envoltura nuclear.
4.4. Organización y estructura del cromosoma Los humanos poseemos 44 (22) cromosomas autosomas (iguales en todos los sexo) y 2 cromosomas sexuales (XX ó XY).
Para que una molécula de DNA se pueda considerar como un cromosoma debe de cumplir 2 condiciones: • Se pueda replicar.
• Se pueda transmitir a la descendencia.
Para ello debe poseer 3 secuencias: • Un origen de replicación.
• Telómeros (DNA minisatélite), que sirven para: ◦ Definir los extremos y delimitar al cromosoma.
◦ Intervienen en el proceso de replicación.
• Centrómeros (DNA salétite clásico) que permiten a los microtúbulos del huso unirse al cromosoma en la mitosis.
Adrián Alonso – Biología Celular 11 En un careotipo se ordenan los cromosomas por tamaño y por morfología. En cuanto a su morfología, podemos distinguir 3 tipos de cromosomas: • Metacéntricos: centrómero en el centro y brazos iguales (cromosoma 1).
• Submetacéntricos: brazos más largos unos que otros. El brazo corto es el brazo p y el largo es el brazo q (cromosomas 5 y 6).
• Acrocéntricos o telocéntricos: centrómero en un extremo (cromosoma 13).
Para realizar un careotipo y ordenar los cromosomas usamos las técnicas de bandas. Se ven las bandas de los distintos cromosomas que son distintas para cada uno de ellos y nos permiten distinguirlos.
Hay otras técnicas más modernas para realizar el careotipo de manera automática, como la hibridación insito fluorescente (FISH).
Se trata de incubar en un porta la secuencia de DNA con una sonda que marcará cada cromosoma de distinto color.
Adrián Alonso – Biología Celular 12 Tema 8: citosol 1. Composición y organización estructural El citosol es una solución acuosa con consistencia de gel. Esta compuesto por sustancias como agua (70-85%), proteinas (20-30% mayoritariamente enzimas), RNAs, azúcares, nucleótidos, ATP/ADP, iones y compuestos del metabolismo intermediario...
El citosol incluye cuerpos de inclusión (que acumulan sustancias de reserva) como gránulos de glucógeno, gotas lipídicas... También incluye el citoesqueleto, ribosomas, proteosomas (complejos proteicos encargados de la degradación de proteinas)...
En el citosol además, existe una compartimentación funcional.
2. Funciones del citosol Las principales funciones del citosol son: • Almacén de sustancias de reserva.
• Centro del metabolismo intermediario (reacciones de síntesis y degradación).
• Síntesis y plegamiento de proteinas.
• Modificación postraduccional y procesamiento de proteinas.
• Degradación de proteinas.
• Regulación tráfico intracelular de proteinas.
• Transmisión de señales.
2.1. Plegamiento de proteinas Las proteinas se pueden plegar de muchas formas, pero solo hay una forma correcta para que tenga su función adecuada.
El plegamiento de las proteinas es un proceso espontáneo, pero muy lento y susceptible a errores.
Para evitar estos errores intervienen las xaperonas (proteinas heat-shock o hsp), que son proteinas que ayudan al plegamiento de otras proteinas. Hay dos tipos: • Xaperonas moleculares: son pequeñas proteinas que pueden actuar sobre proteinas cuando se sintetizan o cuando se han sintetizado y se han plegado mal.
Las xaperonas reconocen sus regiones hidrofóbicas y se unen a ellas. Las xaperonas portan ATP unido a ellas, y al unirse a las proteinas, este ATP se hidroliza. Para liberarse de la proteina cambia el ADP por ATP, cambia su conformación y queda libre.
◦ Si una proteina se pliega bien, las regiones hidrofóbicas quedan en el interior.
◦ Si una proteina se pliega mal, las regiones hidrofóbicas quedan en la superficie de la proteina, las xaperonas las reconocen de nuevo y se vuelven a unir a ella.
EJEMPLOS: hsp70 citosólica, hsp70 matriz mitocondrial, BiP retículo endoplasmático.
Adrián Alonso – Biología Celular 1 • Xaperoninas: proteinas más grandes que las xaperonas. Solo actúan sobre una proteina que ya se ha acabado de sintetizar y se ha plegado mal. Si las xaperonas moleculares no pueden plegarla bien (regiones hidrofóbicas muy grandes), la introducen en las xaperoninas. Las xaperoninas reconocen las regiones hidrofóbicas e introducen las proteinas en su interior.
Las regiones hidrofóbicas quedan unidas al interior de las xaperoninas. Se une ATP y una subunidad que tapa el interior de la xaperonina. Se cambia de conformación y provoca el plegamiento de la proteina. Ésta se libera por hidrólisis de ATP.
2.2. Modificación postraduccional y procesado de las proteinas.
Regulan la actividad, la vida media o la localización intracelular de las proteinas.
• Modificaciones covalentes reversibles: hay 3 tipos: ◦ Fosforilación: adicción de grupos fosfatos ayudados por quinasas. Para eliminar este grupo se utiliza fosfatasa.
◦ Manilación: adicción de grupos metil ayudados por transferasas. Para eliminar este grupo se usa estarasa.
◦ Acetilación: adicción de grupos acetilos ayudados por acetilasas. Para eliminar este grupo se usa deacetilasa.
Adrián Alonso – Biología Celular 2 • Modificaciones covalentes permanentes: hay 3 tipos: ◦ Glucosilación: adicción de azúcares. No es frecuente en las proteinas del citosol. Solo enlaces del tipo O-linked.
◦ Acilación (ácido graso) y prenilación (grupo premil): adicción de un lípido para que se una a la membrana. Unicamente proteinas de membrana plasmática sintetizadas en el citosol.
• Procesado: modificación irreversible que no comporta cambios en los aminoácidos individuales. El más común es la escisión de aminoácidos del extremo N ó C-terminal.
Es frecuente en algunas enzimas que se sintetzan como precursores inactivos.
2.3. Degradación de proteinas: proteólisis intracelular Sus principales funciones son: • Degradación de proteinas lesionadas.
• Degradación de proteinas mal plegadas o anormales.
• Degradación de subunidades no ensambladas en complejos.
• Control de la vida media de las proteinas.
Proteólisis dependiente de ubiquitina Se marcan las proteinas con una cadena de mínimo 4 ubiquitinas. Esto lo hace el complejo enzimático de ubiquitinación, que esta formado por: • E1: Enzima activadora de la ubiquitina.
• E2: Ubiquitina ligasa.
• E3: Ubiquitina ligasa.
El objetivo de la marcación de la proteina con ubiquitinas esque ésta, sea reconocida.
Adrián Alonso – Biología Celular 3 E1 se une a una ubiquitina y gasta ATP, pasándole la ubiquitina a E2.
E3 reconoce la proteina que porta señales de degradación y E2 le une a dicha proteina la ubiquitina.
La proteina es reconocida por el proteosoma, que porta proteasas (enzimas que degradan proteinas).
Los proteosomas cogen la proteina (consumo de ATP), las despliegan y la introducen en su interior, donde la parten en segmentos que salen al citosol.
Las ubiquitinas se liberan antes de destruir la proteina.
El marcaje de una proteina con ubiquitina no siempre manifiesta que esta proteina tenga que degradarse: Señales para la ubiquitinación • • Proteinas mal plegadas, anormales o lesionadas: señales expuestas en la superficie (inexistente o escondida en la proteina normal) Proteinas normales: ◦ La ubiquitina ligasa se encuentra inactiva y por eso no se une a la señal de la proteina.
Hay 3 modos de activación: fosforilación, unión de un ligando o adicción de una subunidad.
◦ La señal se encuentra inactiva. Hay 3 modos de activarla: fosforilación, liberación de una parte de la proteina o la creación del desastibilador N-terminal. Siempre que en el extremo N-t tengamos: Met, Cys, Ala, Ser, Thr, Gly o Val la proteina no será degradada (regla del extremo N-terminal).
Adrián Alonso – Biología Celular 4 Las xaperinas y los proteosomas forman el llamado control de calidad de las proteinas que se encarga de destruir las proteinas mal plegadas, anormales o lesionadas..
Cuando el control falla se forman agragados proteicos (las proteinas mal plegadas se unen entre sí).
Estos agregados pueden ser tan grandes que causen la muerte de la célula.
Las agregaciones proteicas provocan enfermedades como: • Alzeimer o Huntington.
• Scrapie (ovejas), encefalopatia espongiforme bobina (BSE, vacas), Creutzfeldt-Jacob (humanos).
Están causados (estos últimos) por prions: proteinas que inducen el mal plegamiento de otras proteinas. Forman agregados (placas amiloides) que matan a la célula.
Adrián Alonso – Biología Celular 5 Tema 9: Retículo endoplasmático 1. Introducción al sistema membranoso Todos los orgánulos del sistema membranoso interno están conectados entre sí por vesículas. Los espacios interiores de estos orgánulos y el exterior celular, son topológicamente iguales, por lo que pueden intercambiar sustancias mediante este sistema de vesículas.
Este sistema de vesículas porsee tres vias: vía biosintética-secretora, vía endocítica y via de recuperación.
2. Estructura y composición del Retículo endoplasmático Es un orgánulo presente en todas las células eucariotas. Se sitúa cerca del núcleo, ya que sus membranas son continuas. Se divide en 2 partes: • Retículo endoplasmático rugoso (RER): Es la parte más abundante en todas las células. Se trata de una red de cisternas con ribosomas adosados a su cara externa. Se encarga de la síntesis de proteinas.
• Retículo endoplasmático liso (REL): Se trata de un sistema de tubos. Se encarga de almacenar calcio, sintetizar lípidos y de la detoxificación celular (solo en algunas células).
Se encuentra poco desarrollado, salvo en células que lo necesitan especialemente como células del tejido muscular liso (acumulan calcio), células hepáticas y renales (detoxificación celular).
La membrana del RE constituye alrededor del 50% del total de las membranas celulares y la luz del RE constituye un 10% del volumen celular.
Las principales funciones del RE son: • Biosíntesis de lípidos y proteinas de membrana.
• Biosíntesis de proteinas solubles (destinadas al interior del sistema membranoso interno o al exterior celular).
• Almacenamiento de Ca2+.
3. Funciones del REL 3.1. Síntesis de lípidos Todos los lípidos de membrana excepto la esfingomielina, los glucolípidos, algunos lípidos de la memnbrana mitocondrial y los lípidos de la membrana de los cloroplastos, son sintetizados en el REL.
La síntesis de los lípidos comienza con la incorporación a la capa externa de la membrana del REL de 2 ácidos grasos que se han sintetizado en el citosol.
Adrián Alonso – Biología Celular 1 A continuación se produce una reacción para activar estas moléculas, y se unen 2 cuas de ácido graso a un glicerolfosfato. Se elimina el grupo fosfato del glicerolfosfato y se une un grupo específico (EJEM: colina).
En el REL se sintetizan todos los fosfolípidos, las ceramidas (para sintetizar en el Aparato de Golgi esfingomielina y glucolípidos) y el colesterol.
A medida que se sintetizan nuevos fosfolípidos, se produce un crecimiento de la monocapa citosólica. Para equilibrar este crecimiento desigual de la membrana necesitamos un movimiento de flip-flop. Este movimiento es muy frecuente en esta membrana, y está catalizado por unas flipasas denominadas scramblase.
Si el lípido está destinado a otro orgánulo del sistema membranoso interno o a la membrana plasmática se transporta mediante vesículas. Como hay lípidos específicos de una monocapa concreta de la membrana plasmática, necesitamos flipasas específicas que produzcan un movimiento de flip-flop para ordenarlos en la membrana.
Si el lípido está destinado a la membrana de la mitocondria, se transporta mediante unas proteinas intercambiadoras de fosfolípidos. También es posible que exista un contacto directo entre las membranas del RE y la de la mitocondria. No se conoce con exactitud el mecanismo.
3.2. Detoxificación celular Se realiza principalmente en el REL de hepatocitos y células renales y pulmonales. Se trata de la conversión de sustancias tóxicas liposolubles en hidrosolubles, para que sean elimindas del organismo.
4. Funciones del RER 4.1. Síntesis de proteinas A medida que la proteina se sintetiza en el ribosoma del RER se va introduciendo en él. Para que el ribosoma se asocie al RER, las proteinas deben de tener una secuencia señal que hará que este ribosoma se asocie a la membrana del retículo. Esta señal posee entre 15 y 30 aminoácidos, y se divide en 3 regiones: • N: aminoácidos con carga + (Lys, Arg, His).
• H: 7-16 aminoácidos hidrofóbicos (Ala, Val, Leu...) Parte más importante de la secuencia.
• C: 4-6 aminoácidos polares (Gly, Ser, Thr, Cys...) Adrián Alonso – Biología Celular 2 4.1.1. Proteinas solubles 1. Inicio de la síntesis proteica.
2. Unión SRP a la secuencia señal. Se produce la interacción SRP- Ribosoma, que provoca: 1. Enlace GTP a SRP (P54) 2. Stop de la síntesis proteica.
3. Interacción SRP-receptor SRP (unido a GTP).
4. Interacción ribosoma-complejo Sec61 (translocón). Liberación de SRP-secuencia señal y SRP-receptor SRP, mediante la hidrólisis de GTP. Reinicio de la síntesis proteica.
Interacción de la secuencia señal (H)-complejo Sec61 y TRAM, lo que provoca: 1. Fuerte asociación ribosoma-traslocón.
2. Abertura del translocón.
5. Eliminación secuencia señal (peptidasa de la señal). [Proceso cotraduccional] 6. Interacción con xaperonas (Bip). Glucosilación (oligosacaril transferasa) [Proceso cotraduccional].
7. Fín de la síntesis proteica y translocación de la proteina. Liberación del ribosoma al citosol y cierre del translocón.
8. Liberación de la proteina a la luz del RER y plegamiento.
Partícula de reconocimiento de la señal (SRP) y translocón Adrián Alonso – Biología Celular 3 Translocación Postraduccional Hay proteinas solubles que se pueden introducir en el RE de manera postraduccional. Es un proceso excepcional en mamíferos.
Estas proteinas se sintetizan en los ribosomas del citosol, donde se liberan. Estos ribosomas no se asocian al RE, ya que la secuencia señal es diferente a las de las proteinas de las de la vía cotraduccional y no es reconocida por SRP.
Esta secuencia es reconocida por un complejo proteico (complejo Sec63) asociado a la membrana del RE, que inserta a la proteina en el canal de translocación. Estas proteinas se transportan antes de ser plegadas. Para conseguir que no se plieguen antes, las mantenemos asociadas a xaperonas citosólicas. Las xaperonas se liberan una vez que las proteinas entran en el RE. Para que pueda pasar la proteina necesitamos una fuerza que la introduzca en el RE. Esta fuerza es producida por xaperonas del interior del RE, las xaperonas Bip, que se unen a las regiones hidrofóbicas de las proteinas, hidrolizando ATP. Se liberan cambiando el ADP por ATP y así, tiran de la proteina. Una vez se libera una xaperona, se une otra, y así sucesivamente.
NO PARTICIPA LA SRP NI SU RECEPTOR Y NECESITA ATP.
4.1.2. Proteinas de membrana En el RE se sintetizan 2 tipos de proteinas de membrana: proteinas transmembranales y las proteinas asociadas a GPI (glucosilfosfatidilinositol) Las proteinas de membrana, a su vez, pueden ser de un solo paso (tipo I, II y III) o de varios pasos (tipo IV).
• Tipo I: señal en el extremo N-t (se elimina). Siempre el extremo N-t en el interior del RE y C-t en el citosol.
• Tipo II y III: secuencia señal interna (NO se elimina). Forma parte del dominio transmembranal de la proteina.
◦ Tipo II: N-t está en el citosol y C-t en el interior del RE.
◦ Tipo III: N-t está en el interior del RE y C-t en el citosol.
Adrián Alonso – Biología Celular 4 Proteinas transmembranales de un solo paso Pueden tener las señales en el extremo N-t o en secuencias internas (NO se eliminan).
Secuencia señal en el extremo N-terminal (tipo I) El mecanismo de translocación es el mismo que el de las proteinas solubles (cotraduccional).
Primeros pasos son indénticos a las proteinas solubles. La diferencia está en que estas proteinas portan otra secuencia de aminoácidos hidrofóbicos (dentro de la cadena proteica) que para la translocación de la proteina. Esta secuencia se denomina STA. La proteina queda introducida en la membrana, con su extremo N-t en el interior del RE y el extremo C-t en el citosol.
Secuencia señal interna (tipos II y III) La secuencia señal sirve además para parar la translocación y queda en el interior de la membrana.
Esta secuencia se denomina SA. La diferencia entre el tipo II y el tipo III es la orientación de sus extremos N-t y C-t. Las señales de estas proteinas poseen cargas. Las cargas positivas siempre han de estar en el citosol y las cargas negativas en el exterior celular.
En el tipo II, el extremo N-t está en el citosol (carga +).
En el tipo III, las cargas tienen la orientación inversa, por lo que necesitamos girar la proteina 180º antes de insertarla en la membrana. El extremo C-t quedan en el citosol (carga +).
Adrián Alonso – Biología Celular 5 Proteinas transmembranales multipaso (tipo IV) La señal suele ser interna (SA). También porta otras señales como STA dependiento del número de dominios transmembranales de la proteina.
Depués de la secuencia STA se puede sintetizar más proteina con más secuencias SA, que se introducen en los nuevos traslocones hasta encontrar el siguiente STA...
Las señales se alternan entre STA y SA.
Cuando la primera señal es una SA-III, la siguiente será obligatoriamente SA-II.
Las poteinas de tipo IV pueden ser: • Tipo A: el extremo N-t está en el costado citosólico.
• Tipo B: el extremo N-t está en el costado interior del RE.
Proteinas ancladas a la membrana por unión covalente a un lípido (GPI) Adrián Alonso – Biología Celular 6 El proceso de síntesis es el mismo que las proteinas solubles. La secuencia señal se encuentra en el extremo N-t. Portan una secuencia señal STA en el extremo C-t. La proteina se transloca integramente hasta el extremo C-t (STA). Hay una enzima que corta la señal STA y engancha la proteina a un GDI. El destino de estas proteinas es la monocapa externa de la membrana plasmática.
4.2.Modificación de las proteinas 4.2.1. Formación de puentes disulfuro Estos enlaces son muy importantes para que la proteina se pliegue correctamente y por lo tanto tenga la función correcta. Los puentes disulfuro se producen entre las sisteinas de una cadena proteica. Dentro del RE hay un ambiente oxidante que favorece la formación de estos enlaces. Los puentes disulfuro solo se crean en el dominio que está en el interior del RE.
Estos enlaces se forman incorrectamente, ya que se realizan de manera cotraduccional, entre la sisteinas 1 y 2 .... y harán que no se pliegue bien. Una xaperona denominada PDI reconoce las proteinas mal plegadas, rompe estos enlaces, despliega la proteina y forma correctamente los puentes disulfuro.
4.2.2. Glucosilación Es una modificación poco frecuente en las proteinas sintetizadas en el citosol, pero muy frecuente en las proteinas sintetizadas en el RER. Las funciones de esta modificación son: • Correcto plegamiento de la proteina.
• Estabilidad de la proteina.
• Envio de la proteina a su destino final.
• Adhesión intracelular.
• Reconocimiento celular.
La glucosilación tiene lugar en 2 etapas: 1. Glucosilación en el RER: adicción y modificación de oligosacáridos N-unidos (unidos al grupo NH2 de Asn). Proceso cotraduccional.
2. Modificación oligosacarios N-unidos. Adicción de oligosacáridos O-unidos (unidos a grupos OH de Ser, Thr o hidroxiLys).
Glucosilación en el RER • Adicción de oligosacáridos N-unidos: solo so glucosiladas las Asn de las secuencias: ◦ Asn – X – Ser ◦ Asn – X – Thr X ≠ Pro Esta Asn se denomina Asn diana. El responsable de unir el oligosacarido es una enzima del interior del RER, el oligosacariltrasferasa. El oligosacarido consta de 14 azúcares. Se forma a partir de los azúcares provenientes del citosol y se une a un lípido de la membrana llamado Dolichol. La enzima se limita a "cogerlo" del Dolichol y unirlo a las proteinas.
Estos 14 aminoácidos son: 2 N-acetylglucosamina, 9 manosas y 3 glucosas.
Después de su formación el oligosacarido sufre una serie de modificaciones.
Adrián Alonso – Biología Celular 7 • Modificación del oligosacário N-unido: El oligosacarido pierde 1 glucosa, 2 glucosas y 1 manosa.
(Glc)3(Man)9(GlcNAc)2 → (Man)8(GlcNAc)2 Estas modificaciones son iguales para todos los oligosacaridos.
El oligosacarido posee un núcleo que NUNCA se modifica: 2 N-acetylglucosamina y 3 manosas.
4.2.3. Plegamiento El plegamiento es producido gracias a la ayuda de las xaperonas. Las más abundantes en el interior del RER son las xaperonas Bip. Las xaperonas reconocen las regiones hidrofóbicas de las proteinas, se unen a ellas y las protegen de un plegamiento prematuro. Esto conlleva un gasto de ATP.
También existen otras xaperonas como la Calnexina y la calreticulina, que necesitan calcio para poder funcionar.
Se trata de xaperonas especiales, ya que no reconocen las regiones hidrofóbicas. Para poder actuar una enzima llamada glucosyl transferasa que reconoce las regiones hidrofóbicas de las proteinas se une a ellas y les transfiere una glucosa N-unida. Esta glucosa terminal es reconocida por la calnexina, que con ayuda de ATP la despliega para que se vuelva a plegar correctamente.
4.2.4. Oligomerización Solo para proteinas que forman parte de complejos proteicos.
EJEM: anticuerpo. Se sintetizan sus distintas cadenas, se pliega y se unen (oligomerización).
4.3. Control de calidad Una vez finalizada la sintesis y la modificación, las proteinas se incorporan a una vesícula de transporte en dirección al Aparato de Golgi. Se fusionan sus membranas e introducen en el interior del Aparato de Golgi las proteinas y los lípidos sintetizados en el RE.
Solo las proteinas bien plegadas y correctamente modificadas podrán acceder a las vesículas. Si las proteinas no están bien plegadas, las xaperonas se unirán a ellas impidiendo que se introduzcan en las vesículas.
El objetivo del control de calidad es eliminar las proteinas anormales y que éstas no puedan llegar a sus destinos finales. Las proteinas anormales se translocan hasta el citosol por el translocón, con la participación de las xaperonas citosólicas (de forma similar a la translocación postraduccional). En el citosol, es marcada con ubiquitinas y degradada en el proteosoma. Este control es muy importante para el correcto funcionamiento de la célula.
A veces el control de calidad es muy estricto, y destruye proteinas buenas. Esto da origen a enfermedades como la fibrosis quística. Mutación bomba ABC, permite que la proteina se sintetice en el RER, no se pliega correctamente (aunque serían funcionales en el citosol) y se envían al citosol para su destrucción.
Adrián Alonso – Biología Celular 8 Tema 10: Aparato de Golgi Las funciones principales del aparato de Golgi son: • Modificación de los oligosacáridos de las proteinas.
• Metabolismo de lípidos.
• Distribución de lípidos y proteinas a sus destinos finales.
• Síntesis de polisacáridos complejos.
1. Estructura y composición del Aparato de Golgi El aparato de Golgi está formado por un sistema de sacos/cisternas que forman unas pilas llamadas dictiosomas. En cada dictiosoma hay entre 4 y 20 cisternas. En cada célula hay entre 1 y 100 dictiosomas.
El aparato de Golgi es un orgánulo con polaridad, posee dos caras: • Cara Cis: cara de entrada (más próxima al RE) • Cara Trans: cara de salida.
Esta polaridad permite distinguir las cisternas por su posición: cisternas cis, cisternas medial o cisternas trans. Las distintas cisternas tienen distinta composición proteica y distinta función.
Existen unas estructuras especiales denominadas redes. Hay dos tipos: redes cis Golgi (CGN) y redes trans Golgi (TGN).
Entre el RE y el aparato de Golgi existen muchas vesículas encargadas del transporte de proteinas y lípidos del RE al aparato de Golgi y a sus destinos finales.
En las células en las que el RE y el aparato de Golgi están más separados, existe un complejo denominado agrupación túbulo vesicular.
Para explicar la estructura y funcionamiento del aparato de Golgi existen dos modelos: • Modelo de transporte vesiculas (A): el aparato de Golgi es un orgánulo estático, en el que cada cisterna es distinta a otra (distinta composición). Cuando las proteinas y los lípidos pasan de una cisterna a otra, lo hacen mediante vesículas. Extiste un transporte anterógrado y un transporte retrógrado.
• Modelo de maduración cisternal (B): el aparato de Golgi es un orgánulo muy dinámico, en el que las cisternas están en movimiento y representan el distinto estado de maduración desde CIS hasta TRANS. No se necesitan vesículas para transportar componentes de una cisterna a otra, ya que se mueven con las propias cisternas. Solo se necesitan vesículas para el transporte retrógrado (recuperar componentes).
El comportamiento real del aparato de Golgi sería una mezcla de ambos modelos. El modelo B es cierto, pero proteinas que necesitan atravesar rápidamente el aparato de Golgi, lo hacen a través de vesículas.
Adrián Alonso – Biología Celular 1 2. Bases del transporte vesicular Todas las vesículas poseen un revestimiento proteico que cumple 2 funciones: • El ensamblaje de estos revestimiento es el que da fuerza para producir el envaginamiento de la membrana.
• Seleccionar las proteinas que se incorporan a la vesícula.
2.1. Tipos de vesículas y formación Pasos en la formación de las vesículas: 1. Reclutamiento de la proteina de unión al GTP.
2. Inicio del ensamblaje del revestimiento y envaginación de la membrana.
3. Reclutamiento de proteinas específicas de la vesícula: 1. Proteinas integrales de carga.
2. Receptores de proteinas solubles de carga.
3. V-SNARE.
4. Rab.
4. Libeeración vesícula de la membrana y pérdida del revestimiento.
5. Fusión de la vesícula con la membrana diana.
Dependiendo del revestimiento de la vesícula, podemos distinguir 3 tipos de vesículas: • Cop I.
• Cop II.
• Clatrina y de proteinas adaptadas.
El revestimiento de las proteinas reconoce unas secuencias señales de las proteinas, llamadas secuencias de clasificación, que permiten que estas proteinas entren en la vesícula.
Vesículas revestidas de clatrina y de proteinas adaptadas Participan en: • Transporte proteinas lisosomales (TGN → endosomas tardíos/lisosomas).
• Endocitosis (membrana plasmática → endosomas tempranos) Su revestimiento está formado por dos capas, una externa de clatrina y una interna de proteinas adaptadas.
La clatrina es un complejo proteico que consta de 3 cadenas pesadas y 3 ligeras, que se asocian entre sí formando el trisquel de clatrina. La unión de los distintos trisqueles genera la fuerza necesaria para llevar a cabo la envaginación de la membrana. Existen aproximadamente 36 trisqueles por vesícula.
Las proteinas adaptadas con complejos proteicos formados por 4 subunidades (adaptinas). Se encuentran colocadas entre la membrana de la vesícula y el revestimiento externo de clatrina. Tiene dos funciones: • Unir la capa externa a la membrana de la vesícula.
• Seleccionar que proteinas se incorporan a la vesícula.
Hay distintos tipos dependiendo de sus diferentes señales de clasificación: • AP1: transporte de proteinas lisosomales solubles y de membrana de TGN a endosomas tardíos.
• AP2: transporte de material endocitado de la membrana plasmática a los endosomas tempranos.
• AP3: transporte directo de TGN a lisosomas (prot. membrana) o vesículas de almacenamiento (ex. Melanosomas).
• GGA: transporte de TGN a endosomas tardíos.
Adrián Alonso – Biología Celular 2 Formación de vesículas de clatrina en la TGN: Necesitamos unas proteinas que estimulan su formación, las llamadas ARF que se encuentran unidas a GDP y están inactivas (solubles en el citosol). Se activan estas proteinas en el punto de la membrana donde hay que crear una vesícula. Una proteina GEF induce el cambio de GDP por GTP de la ARF. Esto hace que cambie su conformación y la cua lipídica que porta, se incorpora a la membrana. Se empieza a ensamblar el revestimiento y la envaginación de la membrana. Cuando la vesícula se ha formado, participa la proteina llamada dynamina (GTPasa) que se une al cuello de la vesícula, hidroliza GTP y estrangula la membrana, liberando la vesícula. Una vez liberada la ARF se inactiva hidrolizando el GTP a GDP, cambia su conformación y se libera de la membrana de la vesícula, y con ella, se libera también el revestimiento.
Formación de vesículas de clatrina en la membrana plasmática En este caso el estimulador es un lípido, fosfoinositida. Es un derivado del fosfatidilinositol, variando sus grupos fosfatos.
Este lípido se encuentra distribuido en las diferentes membranas de las células eucariotas. La que está en la membrana plasmática es concretamente el PI (4,5)P2. Realiza una función análoga a la del ARF con las vesículas de clatrina de la red trans Golgi.
En esa región de la membrana convertimos PI en PI (4,5)P2, comienza el reclutamiento del revestimiento de las vesículas y a partir de aquí, el funcionamiento es igual al anterior.
Para liberarse del revestimiento,una fosfatasa que se encuentra en las membranas, le quita los 2 fosfatos al PI (4,5)P2 y se convierte en PI, liberando así el revestimiento cuando la vesícula ya se ha liberado.
Vesículas revestidas de COP I Participan en el transporte vesicular retrógrado de la via biosintética-secretora: • Recuperación de proteinas residentes en el RE (AG → RE).
• Recuperación de proteinas residentes en el AG (TGN → CGN; transporte intra-AG).
El revestimiento de estas vesículas es un complejo proteico (coatomer) formado por 7 subunidades.
Solo posee una capa que realiza la función análoga a la de la clatrina y las proteinas adaptadoras.
MISMO proceso de formación que las vesículas de clatrina del Golgi.
Adrián Alonso – Biología Celular 3 Vesículas revestidas de COP II: Participan en el transporte vesicular anterógrado del RE al AG.
Su revestimiento está formado por dos capas: • Capa externa: sec 13/31. Función análoga a la clatrina.
• Capa interna: sec 23/24. Función análoga a la de las proteinas adaptadoras.
El estimulo para iniciar la formación de la vesícula es la proteina Sar 1 (funcionamiento igual a ARF) 2.2. Fusión de las vesículas con la membrana diana Las vesículas se mueven por el citosol unidas a los microtúbulos. El sistema que permite el reconocimiento entre la membrana de la vesícula y su membrana diana está basado en 2 proteinas: • Rab: está unida a GTP (inactiva, soluble en el citosol). Hay una proteina GEF específica para Rab que se activa y hace que Rab cambie GTP por GDP. Esta proteina se incorpora a la vesícula cuando se forma. Hay varios tipos, dependiendo de las vesículas y su distino.
• SNARE: pueden ir en la membrana de la vesícula (v-SNARE) o en la membrana diana (tSNARE). Se colocan v-SNARE en las vesículas en formación, que son complementarias con las t-SNARE de su membrana diana.
El proceso de fusión de las membranas tiene 2 etapas: 1. Rab y su receptor complementario se encuentran. La vesícula se une a la membrana.
2. Interacción entre v-SNARE y t-SNARE complementarias, enrollándose de manera estrecha.
Comienza la fusión de las membranas.
Rab hidroliza GTP y se inactiva.
Las proteinas SNAREs quedan enganchadas en la membrana diana. La proteinas NSF se coloca entre ambas SNARE y consumiendo ATP las desenrolla. La t-SNARE se queda en la membrana diana, y la v-SNARE se transporta por vesículas retrógradas.
Adrián Alonso – Biología Celular 4 3. Transporte del retículo al aparato de Golgi y dentro del Golgi.
3.1. Transporte vesicular entre el retículo y el aparato de Golgi y dentro del Golgi.
Una vez que las partículas se han acabado de sintetizar en el RE se introducen en vesículas de revestimiento COP II con destino a la agrupación tubulo vesicular del aparato de Golgi.
El movimiento de las vesículas y de las cisternas del AG tiene lugar por los microtúbulos. De las agrupaciones tubulo vesiculares y de las primeras cisternas del AG suegen vesículas COP I, de transporte retrógrado, para devolver proteinas (como las que forman las vesículas del COP II).
Entre las cisternas del Golgi hay vesículas retrógradas (COP I) que retornan las proteinas de las cisternas que maduran a la cisterna anterior, para mantener así su composición.
En las vesículas de COP II en principio solo entran proteinas que NO tienen como destino el RE (tanto de membrana como solubles). Las proteinas de membrana se podrán introducir en las vesículas ya que portan una señal de clasificación de proteinas destinadas al AG: DXE (asp-X-Glu) reconocida por sec 24 (capa interna de la vesícula).
Las proteinas solubles son reconocidas por los receptores de la capa externa.
En principio, las proteinas residentes en el RE no tendrán las señales necesarias para incorporarse a las vesículas. Estas proteinas forman agregados entre sí que impiden que se introduzcan en las vesículas. Para formar estos agregados se reconocen entre sí mediante reconocimiento Kin.
Muchas proteinas residentes en el RE se cuelan de manera pasiva en las vesículas (sobre todo las proteinas solubles) ya que la selección en el RE es poco efectiva.
3.2. Recuperación de proteinas residentes del retículo endoplasmático Exsite un mecanismo para recuperar de nuevo las proteinas residentes del RE: • Proteinas solubles: poseen una secuencia KDEL (Lys-Asp-Glu-Leu) en C-ter. Esta secuencia no sirve para retenerla en el RE, sino para transportarla del AG al RE. Las secuencias son reconocidas por los receptores KDEL, que son muy abundantes en las agrupaciones tubulo vesiculares y en las redes cis Golgi, que las introducen en las vesículas de reciclaje hasta el RE. El receptor se separa en un pH más básico de la secuencia KDEL. Por eso, en el Golgi se unen a ellas y en el RE se separan. Estos receptores viajan constantemente ya que son reconocidos por la secuencia KKXX (Lys-Lys-X-X) del dominio citosólico y son reconocidas por las vesículas COP I.
• Proteinas de membrana: son recicladas por poseer una secuencia KKXX (Lys-Lys-X-X) en C-ter (el mismo que el receptor KDEL).
Muchas proteinas residentes en el RE necesitan modificaciones en sus oligosacáridos que solo pueden realizarse en el AG. Esta es una razón de que el sistema de retención de proteinas del RE sea tan poco eficaz.
Adrián Alonso – Biología Celular 5 3.3. Modificaciones de los oligosacáridos de las proteinas A medida que las proteinas viajan por el AG sufren una serie de modificaciones: • Modificación de los oligosacáridos N-unidos.
• Adicción oligosacáridos O-unidos.
• Modificación específica (para que puedan llegar a los lisosomas) de los oligosacáridos de las hidrolasas ácidas (enzimas específicas de los lisosomas).
3.3.1. Modificación de oligosacáridos N-unidos El oligosacárido es el mismo para todas las proteinas. Las modificaciones del RE son siempre las mismas. Una vez que el oligosacárido llega al AG se modifica. Las modificaciones implican adicción o eliminación de azúcares (en el RE solo eliminación) y serán distintas en los diferentes oligosacáridos.
Esta diferente modificación genera los 3 tipos de oligosacáridos que encontramos en las proteinas maduras: • Ricos en manosa: NO se transforman casi en el AG (solo se elimina alguna manosa). NO se añade nada.
• Complejos: MUY modificados en el AG. Se añaden y eliminan azúcares. No todos serán iguales, ya que hay pasos comunes como la adicción de 2 N-acetylglucosamina y hay pasos opcionales.
• Híbridos: una mezcla de los anteriores. Una rama se modifica mucho y otra no.
Adrián Alonso – Biología Celular 6 Un oligosacárido es modificado de una u otra manera dependiendo de su posición en la proteina plegada. Los que están dentro de la proteina son poco modificados por las enzimas del AG. Los que están en la superficie serán muy modificados por las enzimas del AG.
Una misma proteina puede ser sintetizada en diferentes tipos de células, como estas células pueden tener enzimas ligeramente diferentes en el AG, los oligosacáridos son ligeramente diferentes dependiendo de la célula.
3.3.2. Modificación de oligosacáridos O-unidos Se trata de oligosacários más simples unidos a OH de Ser, Thr o hidroxiLys. Se construyen residuo a residuo sobre la proteina: 1. N-acetilgalactosaminasa transferasa (se encuentra en la red cis Golgi) -> +1 N-acetilGal.
2. Galactosiltransferasa (se encuentra en las cisternas trans) -> +1 Gal.
3. NANA transferasa (se encuentra en las cisternas trans / red trans Golgi) -> +1/2 NANA.
Adrián Alonso – Biología Celular 7 3.3.3 Modificación oligosacáridos de hidrolasas ácidas Estas modificaciones tienen como resultado la creación de un marcador Manosa 6 fosfato. Es el marcador responsable de marcar estas proteinas como lisosomales para que puedan llegar a su destino final (lisosomas).
Las modificaciones son realizadas en la red cis Golgi por 2 enzimas: • N-acetilglucosamina fosfotransferasa: reconoce a las proteinas por una región señal y les transfiere un grupo fosfato y una N-acetilglucosamina.
• N-acetilglucosaminasa: elimina la N-acetilglucosamina.
Estas modificaciones hacen que estas proteinas no puedan seguir siendo modificadas en el AG.
3.4. Metabolismo de lípidos y de polisacáridos • • Síntesis de lípidos: se sintetizan esfingolípidos y glucolípidos. No se sintetizan de 0, sino a partir de ceramida (sintetizada en el RE). Se sintetizan en la monocapa interna de la membrana del AG. Por ello los azúcares quedan en el interior del AG y en la membrana plasmática quedarán en la monocapa externa.
Síntesis de polisacáridos complejos: ◦ Células vegetales: hemicelulosa y pectina (forma parte de la pared celular).
◦ Células animales: glucosaminoglucanos (excepto el ácido hialurónico).
4. Distribución de proteinas en la red trans Golgi Todas los materiales que pasan por el AG llegan a la red trans Golgi, donde se organizan: • Polisacáridos: exterior celular.
• Lípidos: membrana plasmática o membrana de endosomas y lisosomas.
• Proteinas: ◦ Solubles: luz de los endosomas y lisosomas o al exterior celular.
◦ De membrana: membranas de los endosomas y lisosomas.
La red trans Golgi es el centro de distribución de material en la vía biosintética-secretora.
4.1. Transporte de proteinas lisosomales Se trata de proteinas solubles (hidrolasas ácidas) que degradan otros tipos de moléculas. Cuando llegan a la red trans Golgi se encuentran unos receptores específicos para la manosa 6 fosfato, que las capta e introduce en unas vesículas que van a los endosomas tardíos, que se convierten en lisosomas cuando las membranas se fusionan. Son vesículas de clatrina con dos posibles tipos de adaptadores AP1 o GGA. Las señales de clasificación son 4 aminoácidos (Tyr-X-X-θ ; θ = aa hidrofóbico).
El pH básico de los endosomas hace que el receptor de la manosa 6 fosfato se libere cuando la vesícula y el endosoma se fusionan. Este receptor se recicla mediante vesículas de transporte retrógrado hacia la red trans Golgi o la membrana plasmática.
Adrián Alonso – Biología Celular 8 Las hidrolasas sufren cambios en los lisosomas: • Se destruye el grupo fosfato.
• Procesado proteolítico (que las activa). Evita que sean funcionales hasta que no llegan a su destino final. Solo son activas en pH ácido (endosomas o lisosomas).
Muchas de estas proteinas son exportadas al exterior celular, ya que no necesitan poseer una señal para viajar en esta vía y lo hacen por error. Por ello, en la membrana plasmática tendremos receptores de manosa 6 fosfato para poder recuperar estas proteinas mediante vesículas de clatrina AP2 que reconocen la secuencia señal de estos receptores.
Las proteinas de membrana de los endosomas/lisosomas tienen 2 vías para llegar a su destino: • La misma vía que las proteinas solubles. Proteinas con la misma señal en su dominio citosólico.
• Otras vesículas de clatrina AP3 desde la red trans Golgi directamente al lisosoma.
4.2. Secreción de proteinas Las proteinas no residentes en el AG y que no tengan la secuencia señal para ir a los lisosomas son expulsadas al exterior celular. Este proceso de secreción tiene varias funciones: • Aporta lípidos y proteinas de membrana.
• Liberación de proteinas al glucocalix o la matriz extracelular.
• Liberación de moléculas señal.
Hay dos vias de secreción: • Vía constitutiva: TODAS las células. Es la vía por defecto.
• Vía regulada: algunas células.
Adrián Alonso – Biología Celular 9 4.2.1. Secreción constitutiva Es la vía por defecto. Las proteinas no necesitan una señal para viajar en esta vía. Por esta vía viajan componentes de la membrana plasmática, del glucocalix o de la matriz extracelular y proteinas del serum.
Estas vesículas tienen un revestimiento de COP I ? No requieren una señal en la mayoría de las células, solo en células polarizadas (tienen 2 dominios diferentes de membrana plasmática: apical y vasolateral). Estos dos dominios de membrana tienen una composición proteica diferente. Puede haber 2 vías para enviar la proteina a la membrana: • Directa: en la red trans Golgi se separan las proteinas en función de su dominio destino. Se empaquetan en diferentes vesículas.
• Indirecta: todas las proteinas se empaquetan en las mismas vesículas de transporte. Todas las vesículas se fusionan en el dominio vasolateral. Una vez se han fusionado, las proteinas del dominio apical son reconocidas por portal una señal y son empaquetadas a otras vesículas de transporte que, pasando por los endosomas, llegan al dominio apical. Este transporte de proteinas del dominio vasolateral al dominio apical se denomina transcitosis.
Todas las células polarizadas pueden utilizar la vía indirecta y solo algunas usan la vía directa.
Dependiendo de ellos distinguimos 3 tipos de células: 4.2.2. Secreción regulada Células especializadas en la secreción de hormonas peptídicas, neurotransmisores, enzimas digestivas, proteinas de la leche...
Se diferencia de la via constitutiva en: • Las proteinas necesitan una señal.
• Las vesículas no se fusionan directamente con la membrana, sino que se acumulan y se fusionan cuando llega una señal, que provoca un aumento de Ca2+ en el interior de la célula.
Las vesículas son más grandes que en la vía constitutiva y con un revestimiento de Clatrina ?.
Cuando se libera de la red trans Golgi se llaman gránulos inmaduros de secrección y a medida que avanzan hacia la membrana plasmática sufren un proceso de maduración, en el cual tiene lugar: • Condensación del material debido a la acidificación y el reciclaje de la membrana.
• Procesamiento proteolítico (sirve para activar el material).
Adrián Alonso – Biología Celular 10 4.3. Retención de proteinas residentes en el aparato de Golgi Todas las proteinas residentes en el AG son proteinas transmembranales. El sistema de retención de proteinas del AG es un sistema muy eficiente y esta basado en: • Formación de agregados proteicos por el dominio transmembranal que evitan que las proteinas se incorporen a las vesículas.
• Los dominios transmembranales de estas proteinas son más cortos que los de las regiones lipídicas (donde se forman las vesículas), lo que provoca su exclusión de las vesículas de secreción.
Adrián Alonso – Biología Celular 11 Tema 11: Endosomas, lisosomas y vacuolas Los endosomas y lisosomas se encuentran al final de la biosintética-secretora. También participan en la vía endocítica. El material llega del exterior a los endosomas primarios, de ahí a los tardios y posteriormente a los lisosomas.
1. Endosomas Son orgánulos membranosos que representan ~1% del volumen celular. Hay unos 200 por célula.
1.1. Clasificación de los endosomas Pueden ser de 2 tipos: • Periféricos o tempranos: están más cerca de la membrana plasmática. Son los primeros en recibir el material endocitado.
• Perinucleares o tardíos: cerca del núcleo. Son los que reciben más tarde el material endocitado.
Poseen pH básico ya que en su membrana hay bombas de protones. El pH disminuye (se acidifica) cuanto más dentro de la célula están.
Los distintos endosomas representan distintos estados de maduración (como las cisternas del AG). Una vesícula endocitada se llegará a un lisosoma primario que selecciona el material: • Reciclaje: endosoma de reciclaje.
• Degradador: viaja al interior celular, el pH cada vez es más ácido. Se generan vesículas internas. Se convierte en un cuerpo multivesicular y despues en un endosoma tardío. Cuando recibe las hidrolasas ácidas se convierte en un lisosoma.
Adrián Alonso – Biología Celular 1 1.2. Función de los endosomas: endocitosis La endocitosis consiste en el transporte de vesiculas con material que proviene del exterior celular o la membrana plasmática hasta el interior celular. Sus principales funciones son: • Ingestión de nutrientes.
• Respuesta a señales extracelulares.
• Renovación de la membrana plasmática.
En función de que mecanismo se utilice para fabricar las vesículas y del tamaño de éstas, se distinguen dos tipos de endocitosis: • Fagocitosis: en organismos pluricelulares solo se produce en células especializadas. Permite captar del exterior grandes partículas. No se produce una envaginación de la membrana, sino una evaginación. Las vesículas no portan un revestimiento proteico.
• Pinocitosis: permite captar pequeñas moléculas o fluido extracelular. Se produce en todas las células del organismo. Se trata de vesiculas más pequeñas y hay varios subtipos: ◦ Evaginación de la membrana (macropinocitosis) ◦ Envaginación de la membrana. Las vesículas portan revestimiento proteico: ▪ Clatrina.
▪ Caveolina.
▪ Vías independientes de clatrina y caveolina.
La mayoría de las moléculas que se incorporan en la pinocitosis lo hacen de manera selectiva, unos receptores de la membrana plasmática seleccionan los elementos que son transportados. Esto permite concentrar las moléculas que se han de introducir sin necesidad de introducir un exceso de fluido extracelular. En el fluido que captan las vesículas están diluidas pequeñas moléculas que entran en las vesículas de manera no selectiva. Esta diferente entrada de moléculas distingue otros dos tipos de pinocitosis: • Pinocitosis de fase fluida (no selectiva).
• Pinocitosis mediada por receptores (selectiva).
El destino final del material endocitado es: • Degradación en los lisosomas.
• Reciclaje de la membrana plasmática.
• Transporte a través de la célula (transcitosis, en células polarizadas).
1.2.1. Fagocitosis La fagocitosis trata de la ingestión de partículas o de células enteras. En organismos unicelulares se trata de su vía de alimentación. En los pluricelulares se encuentra restringida a dos tipos de células: macrófagos y neutrófilos (defensa y eliminación de restos celulares y células lesionadas). Implica Adrián Alonso – Biología Celular 2 una evaginación de la membrana plasmática. Las vesículas o fagosomas no portan ningún tipo de revestimiento. Estas vesículas se fusionan con los endosomas tardíos y una vez unidas las hidrolasas ácidas, se convierten en lisosomas. También se pueden unir directamente a los lisosomas ya formados. En los lisosomas el material que portan las vesículas será degradado. Hay material que no se puede degradar (microorganismos) que se acumulan en el lisosoma en forma de cuerpos residuales, que a veces pueden ser expulsados al exterior.
La fagocitosis es un proceso regulado que necesita una señal para que tenga lugar. Las células fagocitarias poseen en sus membranas plasmáticas unos receptores que reconocen estas señales: • Células propias: ◦ Células lesionadas -> Integrinas ? ◦ Células apoptoticas -> Fosfatidilserina en la monocapa externa de la membrana.
• Microorganismos: ◦ Oligosacarios (diferentes a los de nuestras células) en su superficie.
◦ Componentes del complemento o anticuerpos unidos a su superficie.
Cuando comienza el proceso, la membrana se envagina alrededor del material gracias a los filamentos de actina. En la región de la membrana donde se localiza la señal se produce una rápida polimeración de actina que envuelve el material hasta englobarlo en su interior.
Se consigue por un mecanismo de cremallera: necesitamos un contacto constante entre la señal y el receptor de la membrana, lo que permite que la membrana avance sobre el material.
1.2.2. Macropinocitosis Permite incorporar fluido extracelular y moléculas disueltas en él. Es un proceso regulado (necesita un estímulo para iniciarse) que puede tener lugar en todas las células. Se trata de una vesícula sin revestimiento. En este proceso participan los filamentos de actina, formando una evaginación de la membrana. La vesícula se libera de la membrana en forma de macropinosoma, y se fusiona a los endosomas tempranos.
1.2.3. Endocitosis dependiente de clatrina Es un proceso que tiene lugar en todas las células, mediante la envaginación de la membrana.
Utiliza vesículas revestidas de clatrina + AP2. Se trata de un proceso constitutivo (no necesita activación y ocurre continuamente). Permite la entrada de fluidos y moléculas pequeñas (de forma selectiva o NO). Los adaptadores AP2 reconocen varias secuencias de clasificación: • Tyr-X-X-θ ; θ = aa hidrofóbico.
• Leu-Leu.
• Asn-Pro-X-Tyr.
Permite ingerir nutrientes, interviene en procesos de señalización y permite regular el número de proteinas transportadoras presentes en la membrana plasmática.
Adrián Alonso – Biología Celular 3 Vía general de la endocitosis dependiente de clatrina Una vez la vesícula ha sido formada, se separa de la membrana plasmática mediante la actuación de dinamina.
Una fosfodasa desfosforiliza PI (4,5)P2. La vesícula se fusiona con los endosomas tempranos. En la mayoría de los casos, el pH ácido del interior de los endosomas tempranos hacen que los receptores cambien de conformación y se liberen a la luz del endosoma las moléculas que transportan unidas. Los receptores se acumulan en una región del endosoma que se acaba liberando y fusionando a los endosomas de reciclaje y posteriormente llegan a la membrana plasmática.
Su paso por los endosomas de reciclaje permite retener un tiempo los receptores para que dejen de introducir material si hay suficiente cantidad de este material en el interior celular.
El material se mantiene en el cuerpo principal del endosoma temprano, que forma vesículas internas y se convierte en un cuerpo multivesicular. Este cuerpo vesicular se transforma en un endosoma tardío, y al unirse a las vesículas que provienen del AG (contienen las hidrolasas ácidas), se convierte en un lisosoma, que degrada el material.
Ejemplo: ingestión de colesterol Las partículas LDL (lipoproteina de baja densidad) sirven para transportar el colesterol hasta las células para que éstas lo utilicen para fabricar membranas. El colesterol no puede viajar solo ya que no es soluble en agua.
Estas partículas poseen un núcleo interno (muy hidrofóbico) formado por ésteres de colesterol, revestido por una monocapa de fosfolípidos y colesterol y una proteina que envuelve toda la partícula, la apoproteina B, que es la responsable de que estas partículas sean reconocidas por los receptores de endocitosis.
La célula que necesida colesterol fabrica receptores LDL que se ponen en su membrana por difusión lateral. Estos receptores se colocan en las regiones de la membrana donde se forman las vesículas.
Estos receptores LDL pueden estar unidos a colesterol o no. En esa región de la membrana se forma una vesícula de clatrina, que se fusiona con el endosoma temprano, libera el receptor y el LDL. El LDL se mantiene en el cuerpo del endosoma temprano hasta que éste se convierte en un lisosoma.
LDL es hidrolizado por las hidrolasas y el colesterol pasa al citosol, y puede ser utilizado para fabricar membranas.
Adrián Alonso – Biología Celular 4 Existen enfermedades genéticas humanas (hipercolesterolemia familiar) que se basan en una mutación en el gen que codifica para el receptor LDL y hacen que éste no sea activo: • El receptor LDL no es sintetizado.
• El receptor LDL no puede entrar en las células ya que no posee el sitio de unión en su región citosólica y no se puede unir a las vesículas.
• No se puede unir LDL, por lo que no puede introducir colesterol.
Posibles destinos de los receptores y sus ligandos cuando no se separan en el endosoma temprano Los receptores y ligandos que no son separados en el endosoma temprano debido a su pH ácido, pueden seguir distintas vías: 1. Reciclaje a la membrana.
2. Transportados de una región a otra de la membrana en células polarizadas (trancitosis).
3. Degradación en el lisosoma.
Adrián Alonso – Biología Celular 5 1. Reciclado: transferina.
La transferina es una proteina soluble que permite a las células captar hierro del exterior.
Cuando esta proteina capta hierro, se pasa a denominar hierrotransferina. Ésta se une a los receptores específicos de la superficie de la célula y se introduce en ella mediante vesículas de clatrina. Éstas se fusionan con los endosomas tempranos.
El pH ácido de los endosomas no modifica la conformación del receptor y éste permanece unido a la transferina. El hierro se libera para que pueda ser utilizado por la célula. La transferina y el receptor se reciclan a la superficie celular.
Como el pH aquí es neutro, se libera la transferina del receptor.
2. Transcitosis: captación de anticuerpos de la leche materna.
Los anticuerpos llegan al intestino. Las células de la pared intestinal, poseen en su cara orientada a la luz del intestino (dominio apical) receptores específicos para introducir los anticuerpos en vesículas de clatrina. Esta vesícula pierde el revestimiento y se fusiona con el endosoma temprano. El pH ácido de este orgánulo no consigue separar el anticuerpo de su receptor. Viajan juntos hacia el endosoma de reliclaje, y de ahí, hasta el dominio vasolateral.
Aquí el pH es neutro, lo que provoca que el anticuerpo se separe de su receptor y pueda pasar a la sangre.
Para poder reciclar cada receptor a la zona de la membrana que le corresponde, la célula posee 2 endosomas tempranos (vasolateral y apical) y solo 1 endosoma tardio.
Adrián Alonso – Biología Celular 6 3. Degradación: ingestión de EGF (factor de crecimiento epidérmico).
Se trata de una molécula señal que induce el crecimiento y división de las células.
Este proceso se trata de una manera de detener el proceso de cremiento por parte de las células.
La molécula EGF llega a los receptores de la superficie de las células y ésta crece. Cuando ya ha crecido, debe para este proceso, por lo que degrada los receptores de EGF de su superficie.
Los receptores entran en la célula SOLO si llevan unido EGF (no pueden entrar receptores vacios, como en el caso del LDL). Se forma una vesícula de clatrica, que pierde su revestimiento y se fusiona con un endosoma temprano. El pH ácido del endosoma no es capaz de separar EGF y su receptor y ambos llegan unidos a los lisosomas donde son degradados. El receptor se trata de una proteina transmembranal, por lo que las hidrolasas ácidas solo podrán degradar la parte de la proteina que quede en el interior del lisosoma. Para evitarlo, se introducen los receptores en las vesículas que forman el cuerpo multivesicular. De esta manera podrán ser degradados integramente.
En cada vesícula viajan receptores que tienen un destino final distinto (reciclaje, degradación...).
El endosoma temprano los separa por diferentes motivos como: los receptores que tienen que ser degradados estàn marcados con 1 o 2 moléculas de ubiquitina. Esta marca de ubiquitina estará en el dominio citosólico del receptor. Los receptores son reconocidos por unos complejos del citosol (ESCRT-0 , ESCRT-I , ESCRT-II , ESCRT-III), que generan una envaginación del endosoma y que hacen que estos receptores se concentren en la zona de la membrana que se envagina y por lo tanto en las membranas internas, lo que permiten que sean degradados.
Adrián Alonso – Biología Celular 7 1.2.4. Endocitosis dependiente de caveolina Se forman en todas las células. Se trata de vesículas con un revestimiento de claveolina, denominadas claveolas. Se forman por un proceso de envaginación de la membrana. La caveolina es una proteina que se inserta en las membranas (en la monocapa citosólica) de las vesículas. Estas vesículas no poseen receptores para seleccionar la carga de la vesícula. El material se selecciona según el lugar donde se forman las vesículas. Estas vesículas se forman en los microdominios lipídicos (ricos en colesterol y glucoesfingolípidos). Los receptores que se acumulen en los microdominios serán los que entrarán en las vesículas e introducir material.
Estas vesículas solo se forman en respuesta a una señal. Las vesículas de caveolina están mucho tiempo unidas a la membrana, lo que les permite realizar otras funciones como la de señalización celular. La liberación de la vesícula solo se realiza cuando llega una señal: • Mediante el consumo de ATP, la fosforilación de la caveolina.
• La actuación de la dinamina.
Una vez que se ha liberado de la membrana, la caveola puede fusionarse con el endosoma temprano o con un compartimento intermedio de pH neutro (caveosoma) y posteriormente con el endosoma temprano.
1.2.5. Endocitosis independiente de clatrina y caveolina • • • • Diferentes vías y tipos de vesóculas que se forman en microdominios lipídicos (diferentes a aquellos donde se forman las caveolas).
La liberación de las vesículas de la membrana puede ser dependiente o independiente de la dinamina.
La carga se selecciona por acumulación de las proteinas en los microdominios lipídicos, ya que no existen adaptadores (igual que las caveolas).
Incluye vías constitutivas y vias reguladas.
2. Lisosomas Solo están presentes en las células animales. Todos los materiales que llegan a los lisosomas son degradados por las hidrolasas ácidas (enzimas degradativas, solo activas a pH ácido).
El número y el tamaño de los lisosomas viene determinado por el tipo de célula y el estado metabólico en el que se encuentre. Están especializadas en la digestión de moléculas.
Solo podemos distinguirlos de los endosomas mediante una tinción específica para las hidrolásas ácidas o mediante tinción en función del pH.
Poseen un pH ácido ya que poseen bombas de protones de tipo V, que consumen ATP para Adrián Alonso – Biología Celular 8 introducir H+ en su interior. Esto tiene 2 funciones: • Mantener el pH ácido de los lisosomas.
• Elimina H+ del citosol, lo que ayuda a mantener su pH constante.
Si los lisosomas solo poseyeran bombas de H+, se crearía un potencial de membrana. Por eso también poseen canales de Cl- ,que introducen en su interior Cl- y contrarresta las cargas positivas de los H+.
2.1. Obtención del material de digestión El material que ha de ser degradado en los lisosomas puede provenir de 4 vías distintas: • Fagocitosis/endocitosis: material proveniente del exterior. Su digestión se conoce como heterofagia.
• Degradación de material de la propia célula. Un orgánulo que tiene que ser degradado se rodea de una doble membrana (proveniente del REL?) que provoca una vesícula (autofagosoma) que se fusiona con los endosomas tardios. Su digestión se conoce como autofagia.
• Degradación de proteinas citosólicas que portan una secuencia KFERQ (Lys-Phe-Glu-ArgGln). Estas proteinas se marcan con ubiquitina y son degradadas en el lisosoma gracias a que la secuencia KFERQ es reconocida por unos receptores de la membrana del lisosoma.
Las proteinas son introducidas en el lisosoma por xaparonas. Su digestión se conoce como Autofagia mediada por xaparonas.
Adrián Alonso – Biología Celular 9 Dependiendo del tipo de digestión, poseen distintas funciones: • Heterofagia: ◦ Defensa.
◦ Eliminación de células viejas.
◦ Reabsorción y degradación de moléculas extracelulares.
◦ Señalización.
• Autofagia: ◦ Renovación de los componentes celulares.
◦ Regulación de la secreción regulada.
2.2. Defectos genéticos en las hidrolasas ácidas Enfermedades de acúmulo lisosomal • • • Hurler: falta la enzima para la degradación de GAGs. Produce enanismo, desarrollo psicomotor retardado, rigideza de las articulaciones, cardiopatia... Deterioramiento progresivo y muerte alrededor de los 10 años.
Tay-Sachs: falta la enzima para la degradación de los glangliósidos. Produce deterioramiento mental y motor a partir de los primeros meses de vida. Provoca la muerte antes de los 5 años.
Gaucher: falta la enzima para la degradación de los glucocerebrósidos.
Forma leve: esplenomegalia, hepatomegalia y lesiones oseas.
Forma grave: afecta al sistema nervioso y causa la muerte prematura (20-30 años).
Estas 3 enfermedades se deben a una mutación en el gen que codifica para solo una hidrolasa ácida.
• Celulas l: mutación en el gen que codifica la N-acetilglucodamina fosfotransferasa, lo que provoca que no haya M6P en las hidrolasas ácidas. El lisosoma sin hidrolasas ácidas creará inclusiones que provocarán la muerte celular. Provoca retraso mental, hepatoesplenomegalia... (en los primeros meses de vida). Muerte antes de los 5 años.
3. Las vacuolas de las células vegetales En las células vegetales, en las cuales no hay lisosomas, el orgánulo encargado de digerir el material proveniente de los procesos endocíticos es la vacuola. Posee las siguientes funciones: • Digestión de moléculas.
• Almacenamiento de nutrientes, iones, pigmentos, sustancias de desecho...
• Control de la presión osmótica (puede acumular grandes cantidades de agua, lo que genera la presión de turgencia) El número y la medida de las vacuolas depende del tipo de célula y del estado de desarrollo en el que se encuentre: • Células jóvenes: muchas vacuolas de pequeño tamaño.
• Células adultas: 1 vacuola de gran tamaño.
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