Sem. BC 12: Biología celular en la célula tumoral y muerte celular programada

Programa

– Proteínas codificadas por protooncogenes. Proteínas codificadas por genes supresores de tumores. Pérdida de control del crecimiento normal. Mutaciones oncogénicas en las proteínas que promueven la proliferación celular.

-Mutaciones que provocan la pérdida de la inhibición del crecimiento celular y control del ciclo celular.

-Concepto de neoplasia. Adquisición de fenotipo invasivo. Crecimiento tumoral y metástasis. Tropismo celular metastásico. Angiogénesis tumoral.

-Enfoques moleculares para el diseño de estrategias para el tratamiento de neoplasias.

Antes de comenzar esta última entrega de biología celular, quisiera pedir disculpas por haber tenido tan tirada la página. La verdad es que, como todos, estuve muy ocupado con el parcial de anatomía, le di mucha importancia a pasarlo , dejando un poco de lado las publicaciones.

Un punto que me parece relevante a una semana de rendir el examen, es el cómo se estudia la materia. INTEGRAR Y NO MEMORIZAR, pues la mitad del parcial consta de casos clínicos.  Traten de darle mucha importancia a los siguientes temas:

  • Cáncer, diría que es lo mas tomado
  • Señalización
  •  ADN, ARN todo
  • Citoesqueleto

Obvio el resto es importante, pero ya con el parcial encima es preferible priorizar

Muy feliz, por terminar ya con los seminarios de esta parte de la materia, no molesto más y los dejo

 

Las células neoplásicas o tumorales tienen una capacidad proliferativa descontrolada y deficiente proceso de apoptosis. Se expanden en una forma autónoma (clones) y no cumplen un rol funcional para el organismo

Las células tumorales que se hallan confinadas al sector de origen sin capacidad de invadir tejidos vecinos normales conforman los llamados tumores benignos, mientras que la malignidad se manifiesta cuando las células neoplásicas alcanzan los tejidos vecinos a través de las vías sanguíneas o linfáticas diseminándose por otras partes del organismo, la metástasis

Una diferencia relacionada entre las células normales y cancerosas es que muchas de estas últimas son capaces de crecer en ausencia de factores de crecimiento necesarios para las células normales, lo que contribuye a la proliferación descontrolada de las células tumorales. En algunos casos, las células cancerosas producen factores de crecimiento que estimulan su propia proliferación, el cáncer autocrino o estimulación autocrina del crecimiento, por lo que las células cancerosas dependen en menor medida de los factores de crecimiento que provengan de otras fuentes fisiológicas normales

La regulación de las células cancerosas mediante las interacciones célula-célula y célula-matriz, también se produce de una manera menos rigurosa que en el caso de las células normales. La mayoría de las células cancerosas tiene menos capacidad de adhesión que las células normales, lo que es debido, generalmente, a una expresión reducida de las moléculas de adhesión de la superficie celular

Debido a que las moléculas de adhesión celular tienen un bajo nivel de expresión, las células cancerosas están poco restringidas por las interacciones con otras células y con otros componentes tisulares, lo que proporciona a las células malignas la capacidad de invadir y dar lugar a metástasis. La poca adhesividad de las células cancerosas también da lugar a alteraciones morfológicas y del citoesqueleto: muchas células tumorales son más redondeadas que las normales, en parte debido a que no se unen de una manera tan firme ni a la matriz extracelular ni a la células vecinas

Otras características importantísimas de las células tumorales:

  • Las células transformadas suelen secretar proteasas que digieren los componentes de la matriz extracelular, lo que permite a las células cancerosas invadir los tejidos normales adyacentes. Por ejemplo, la secreción de proteasas que degradan colágeno parece ser un factor importante en la capacidad de los carcinomas (cánceres que afectan a los epitelios, 90%) de digerir y penetrar a través de la lámina basal invadiendo el tejido conectivo subyacente
  • Las células cancerosas secretan factores de crecimiento que promueven la formación de nuevos vasos sanguíneos (angiogénesis). La angiogénesis es necesaria para mantener el crecimiento de un tumor por encima de un tamaño de 1.000.000 de células, punto en el que se requieren nuevos vasos sanguíneos para proporcionar oxígeno y nutrientes a las células tumorales en proliferación. La formación de estos nuevos vasos es importante no sólo para mantener el crecimiento del tumor, sino también en la metástasis. Las células tumorales pueden penetrar fácilmente en los nuevos capilares formados en respuesta a la estimulación angiogénica, lo que proporciona una nueva oportunidad para que las células cancerosas entren en el sistema circulatorio y comience el proceso de metástasis
  • La mayoría de células diferenciadas o se dividen con muy poca frecuencia o no se dividen. Las células cancerosas en vez de llevar a cabo su programa de diferenciación normal, se bloquean en un estado temprano de diferenciación, lo que concuerda con su proliferación activa continua
  • La muerte celular programada o apoptosis, es un componente del programa de diferenciación celular de muchos tipos celulares, incluyendo a las cuerpos formes. Muchas células cancerosas no sufren apoptosis, por lo que tienen ciclos vitales más largos en comparación con las células normales. Esta incapacidad de las células cancerosas de sufrir la muerte celular programada contribuye de una manera sustancial al desarrollo del tumor.
  • Las células normales sufren apoptosis tras la lesión del ADN, mientras que esto no les sucede a las células cancerosas. En este caso, la incapacidad de sufrir apoptosis contribuye a que las células tumorales sean resistentes a la radiación y a muchas drogas quimioterapéuticas, que actúan dañando el ADN. Por tanto, la supervivencia celular anómala, así como la proliferación celular, desempeñan un papel fundamental en el crecimiento inexorable de las células cancerosas en el animal

Proto-oncogenes y oncogenes

Los proto-oncogenes, son genes reguladores importantes ya que en muchos casos codifican proteínas que intervienen en las vías de la transducción de señales que controlan la proliferación celular normal. Los oncogenes son formas de sus correspondientes proto-oncogenes que se expresan de manera anómala o que han mutado. Debido a estas alteraciones, los oncogenes inducen una proliferación anormal y el desarrollo del tumor

Cuando un proto-oncogen sufre una alteración por mutación, una alteración en sus funciones o pierde la regulación por parte de los genes supresores de tumores, adquiere una actividad promotora de crecimiento tumoral. O sea, induce la proliferación celular descontrolada y una amplificación génica, que da como resultado una expresión génica elevada

La amplificación del ADN es frecuente en las células tumorales, con una frecuencia 1.000 veces mayor que en las células normales, y la amplificación de los oncogenes puede desempeñar un papel en la progresión de muchos tumores hacia un crecimiento más rápido y un mayor carácter maligno

Los protooncogenes codifican las proteínas necesarias que intervienen en el control de la mayor parte de los mecanismos por los que se regula la proliferación celular como:

  • Factores de crecimiento
  • Receptores de factores de crecimiento
  • Receptores hormonales

Factores de transmisión intracelular o segundos mensajeros como:

  • Proteínas con actividad tirosinquinasa
  • Proteínas de unión a guanosina trifosfato
  • Factores de transcripción nuclear

 

Genes supresores de tumores

Un gen supresor tumoral es un gen que reduce la probabilidad de que una célula en un organismo multicelular se transforme en una célula cancerígena.​ Los genes supresores de tumores se encuentran en las células normales y generalmente inhiben la proliferación celular excesiva. Una mutación o una deleción de un gen supresor tumoral, aumentará la probabilidad de que se produzca un tumor, al perder su función. De esa manera, un gen supresor tumoral alterado es similar a un oncogén

En las células normales, las proteínas codificadas por los genes supresores de tumores detienen la progresión del ciclo celular en respuesta a un daño en el ADN o a señales de supresión del crecimiento provenientes del medio extracelular. Cuando los genes supresores de tumores están mutados o son inactivos, las células no pueden responder normalmente a los puntos de control del ciclo celular, o son incapaces de realizar muerte celular programada si el daño del ADN es demasiado importante. Esto conduce a un incremento en las mutaciones y a la incapacidad de la célula de dejar el ciclo celular cuando debería convertirse en quiescente. Cuando los dos alelos de un gen supresor de tumores son inactivos, y hay otros cambios en la célula que la mantienen creciendo y dividiéndose, las células pueden convertirse en tumorigénicas. En muchos tumores, estos genes están ausentes o inactivados, por lo que no intervienen reguladores negativos de la proliferación celular, lo que contribuye a la proliferación anormal de las células tumorales

Las proteínas codificadas por la mayoría de los genes supresores de tumores inhiben la proliferación o la supervivencia de la célula. Por lo tanto, la inactivación de los genes supresores de tumores conduce al desarrollo del tumor eliminando proteínas de regulación negativa. En varios casos las proteínas supresoras de tumores inhiben las mismas vías reguladoras que se activan por los productos de los oncogenes. Varios genes supresores de tumores codifican proteínas reguladoras de transcripción. Otros de los productos de estos genes regulan la progresión del ciclo celular siendo capaces de actuar como oncogenes. Los productos de los genes supresores de tumor inhiben la proliferación celular, por lo que su pérdida funcional da lugar a que la célula prolifere con más facilidad

Los productos de estos genes actúan a través de mecanismos muy diversos:

  • Inhibiendo la progresión de las células a través del ciclo celular
  • Haciendo que las células entren en apoptosis
  • Manteniendo la estabilidad del genoma (replicación, reparación y segregación)

A diferencia de los protooncogenes, en los genes de supresión tumoral es necesario que los dos alelos estén inactivados para que se altere el comportamiento celular. Los genes supresores de tumores pertenecen a distintos tipos de proteínas, como factores de crecimiento, de adhesión celular, control del ciclo celular, factores de transcripción, reparación del ADN

El desarrollo del cáncer es un proceso con numerosas etapas en el que las células sanas progresan de forma gradual hasta convertirse en células cancerosas. En estas etapas, tanto la activación de los oncogenes como la inactivación de los genes supresores de tumores son pasos críticos en la iniciación y progresión del tumor. Con el paso del tiempo, el daño acumulado en varios genes es el responsable del incremento de la capacidad de proliferar, de invadir otros tejidos y de generar metástasis, característico de células cancerosas.

Estos tumores implican mutaciones de oncogenes o genes supresores de tumores con cuatro actividades distintas:

  • Oncogenes ras o raf que afectan a la vía ERK
  • Proteínas supresoras de tumores implicadas en la señalización de TGF-β
  • Componentes supresores de tumores de la vía Wnt
  • p53

p53

“La p53 no es un componente de la regulación del ciclo de una célula sana, sino que sería un guardián que se forma ante todo daño del ADN siendo extremadamente sensible ya que pequeñas dosis de radiación desencadenan su producción. La p53 tiene la capacidad de interrumpir el ciclo en cualquier momento del ciclo celular, estimulando la producción de un inhibidor universal de todas las kinasas dependiente de ciclinas, p21

 

Rb

Rb (también denominada pRB) es la proteína del retinoblastoma, una proteína supresora de tumores que se encuentra alterada en muchos tipos de cáncer, como el cáncer de pulmón, el melanoma, el cáncer de próstata o el cáncer de mama, entre otros. Originalmente se detectó esta alteración en cáncer de retina, de donde deriva su nombre

Una de las funciones principales de pRb es la inhibición de la progresión del ciclo celular antes de la entrada en mitosis, de manera que la célula no entra en división hasta que está preparada para ello y se dan las condiciones adecuadas: pRb impide por tanto la proliferación celular. Por ello, la inactivación de pRb puede suponer la aparición de un cáncer, ya que con ello se elimina un importante freno a la proliferación celular

 

BCRA 1 y 2

Tanto el gen BRCA 1 como el gen BRCA 2 son genes humanos que producen proteínas supresoras de tumores. Estas proteínas, a su vez, ayudan a reparar el ADN dañado y, por lo tanto, garantizan la estabilidad del material genético de las células. Sin embargo, cuando uno de estos dos genes tiene una mutación o alteración y, por ejemplo, deja de producir la proteína supresora, las células presentan un riesgo mayor de desarrollar alteraciones genéticas que podrían conducir al cáncer.

Las mutaciones que afectan a estos dos genes aumentan concretamente el riesgo de sufrir cáncer de mama y cáncer de ovario en las mujeres. En el caso concreto del cáncer de ovario, las mutaciones en ambos genes son las responsables de hasta el 15% de los casos de esta enfermedad. Los cánceres asociados a estas mutaciones también tienden a presentarse a una edad más joven que los no hereditarios.

¿Qué provoca estas mutaciones?

Se trata de mutaciones hereditarias, de forma que pueden heredarse de la madre o del padre. El hijo de un padre portador de una mutación tiene un 50% de probabilidades de heredar la mutación

 

MicroARN en cáncer

Dejo un paper sobre éste asunto, muy simple y fácil de entender:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1665920116300803

Bibliografía recomendada:

La Célula, por Cooper & Hausman. 6ta Edición. Capítulo 18.

Sem. BC 10: Señalización celular

Programa

-Interacciones célula-matriz y célula-célula (cercanas y a distancia: autócrino; yuxtacrino, parácrino, endocrino)

– Vías y redes de señalización y transducción: tipos de moléculas señalizadoras; tipos de receptores; moléculas adaptadoras, cascadas de amplificación intracelular, redes de transducción, retroalimentación, relaciones cruzadas y redundancia.

– Análisis de las vías de señalización:

  1. a) según criterio topológico: vías de señalización con amplificación de señal global en la célula/ vías de señalización localizada: balsas lipídicas (microdominios de membrana y señalizaciones focales) y su importancia biomédica.
  2. b) según criterio funcional: vías de señalización que regulan expresión génica/ vías de señalización que regulan permeabilidad de membrana / vías de señalización que regulan dinámica del citoesqueleto (remodelación)/ vías de señalización que regulan actividades metabólicas.
  3. c) vías de señalización a analizar:

Vías de señalización con receptor acoplado a proteína G: cAMP-PKA-CREB /// PLC-IP3 y DAG

Vías de señalización con receptor tirosina kinasa (RTK): Ras-MAPkinasas (Erk) /// PI-3 kinasa-Akt

Vías de señalización de hormonas esteroideas (Dominios HRE en genes diana)

Vías de señalización bidireccionales EphA/B-EphrinA/B

 

El organismo se comporta de manera unitaria, ante la ausencia de señales las células entran en apoptosis

Existen muchos tipos de señales y varias maneras de clasificares estas señales:

  • Molécula de señalización
  • Espacialmente
  • Naturaleza química

Moléculas que funcionan como señalizadores:

  • Hormonas: que pueden tener origen lipídico (testosterona, estrógeno, etc) o peptídico (como la parathormona[PTH])
  • Factores de crecimiento: como por ejemplo, epidérmico, fibroblástico, etc
  • Neurotransmisores: actuando en la sinápsis química, como por ejemplo, la noradrenalina, acetilcolina, etc
  • Morfógenos: como por ejemplo, ácido retinoico
  • Moléculas de adhesión celular, por ejemplo, cadherinas, integrinas

Espacial:

  • Endócrina: la población que emite la señal es lejana a la población que la recibe (es transmitida por el torrente sanguíneo)
  • Paracrinas: la población que recibe la señal es cercana a la población que la recibe (distintos grupos celulares)
  • Autocrinas: la población que recibe la señal es cercana a la población que la recibe (mismos grupos celulares)
  • Yuxtacrinas o dependientes de contacto: la señal está ligada a la superficie de la célula o matriz extracelular
  • Sináptica: dada entre neuronas y células efectoras (otra neurona o fibra muscular), cercanía muy grande -> pequeño espacio “espacio sináptico”

Naturaleza química:

  • Peptídicas: (hidrofilica), que van a tener sus receptores en la membrana de las células
  • Lipídicas: (hidrofobica), que van a tener sus receptores en el interior de la célula, pues pueden atravesar fácilmente esta

Existen tres grandes receptores de membrana:

  • Canales iónicos: se abre un canal (temporalmente) que permite el paso de iones como Ca, K, Na, etc
  • Receptores de membrana acoplados a proteína G
  • Receptores de membrana acoplados a enzimas o que tienen actividad enzimática

Ejemplos de señalización:

Contracción muscular

El mecanismo responsable del acortamiento del sarcomero se inicia en la placa neuromuscular. Cuando un impulso nervioso provoca la descarga de acetilcolina en la placa neuromuscular, la unión de este neurotransmisor con su receptor produce la despolarización de la membrana plasmática de la fibra por la entrada de sodio a través de canales de receptores ionotrópicos; de este modo, el interior de la célula se hace más positivo, es decir, que la célula se despolariza

Este cambio de polaridad se extiende rápidamente en forma de onda de despolarización a lo largo de toda la membrana plasmática y, a través de los tubos T, llega a la profundidad de la fibra muscular

En los tubos T existen complejos moleculares que se consideran marcadores de canales de calcio y se ubican enfrentados a subunidades proteicas equivalentes en las cisternas terminales del retículo sarcoplásmico. Al producirse la despolarización de la fibra muscular, se da un cambio conformacional de los receptores presentes en los tubos T que, como ya se ha mencionado, están estrechamente relacionados con las cisternas terminales. Este cambio conformacional provoca la activación de canales de calcio presentes en las cisternas del retículos sarcoplásmico y la salida de este ión, difundiéndose rápidamente hacia todo el sarcoplasma

El calcio así liberado por el retículo sarcoplásmico se une a la troponina C presente en los filamentos finos del sarcómero (actina), lo que genera un cambio conformacional de esta molécula

Este cambio de conformación de la troponina C tracciona otro componente de ese complejo proteico, la troponina T, que se encuentra unida a la Se produce así un deslizamiento de la tropoomiosina hacia el surco existente en la doble cadena de actina del filamento fino; de este modo libera los sitios de unión de la actina con la miosina y permite la unión de estas dos moléculas

Incialmente, la miosina se une fuertemente a la actina. La cabeza globular de la miosina en esta etapa se mantiene en un ángulo de 90° con relación a su porción fibrilar, y en esta posición acumula energía generando un estado de tensión

Es en este momento cuando el ATP se fija a la región con actividad ATPasa de la cabeza de miosina. Se hidroliza el ATP generando ADP, y la energía liberada promueve una modificación de la posición de la cabeza de miosina con relación a su porción fibrilar pasando de 90° a 45°, produciendo un desplazamiento de 10 nm hacia el centro del sarcómero. Disminuye entonces la afinidad de la unión entre la miosina y la actina y ambas moléculas se separan

Al recuperar su posición original en un ángulo de 90° con relación a su porción fibrilar, la cabeza de miosina se desplaza enfrentándose a un nuevo sitio de unión con la actina del filamento fino

En este momento, la cabeza de la miosina se encuentra enfrentada (no unida) a la actina y ante la presencia de calcio se une fuertemente a ella y vuelve a iniciarse el ciclo

Este ciclo se repite numerosas veces y con cada ciclo los filamentos de actina son traccionados por la miosina una y otra vez hacia el centro del sarcómero

La contracción cesa con la repolarización de la membrana plasmática de la fibra muscular y el reingreso de calcio desde el sarcoplasma hacia la luz del retículo sarcoplásmico. La relajación del músculo estriado esquelético es pasiva y se debe a la contracción del músculo antagónico

Crecimiento axonal -> músculo

  • Gracias a efrina y EPH
  • No es ligando soluble
  • Se da cuando dos células se encuentran yuxtapuestas
  • Unión provoca autofosforilación y una cascada de señalización
  • Bidireccional, puede transmitir (el ligando) señales intracelulares

 

Receptores acoplados a proteína G

Los receptores acoplados a proteína G (GPCR) son una gran familia de receptores de superficie celular

Todos los miembros de la familia GPCR tienen siete segmentos de proteína diferentes que cruzan la membrana y transmiten señales dentro de la célula mediante un tipo de proteína llamada proteína G

Los GPCR son diversos y se unen a muchos tipos de ligandos diferentes. Una clase particularmente interesante de GPCR son los receptores olfativos (de olor). Hay alrededor de 800 de ellos en los humanos y cada uno se une a su propia «molécula de olor», como un químico particular en un perfume o cierto compuesto producido por el pescado en descomposición, y produce una señal que se envía al cerebro

Cuando su ligando no está presente, el receptor acoplado a proteína G espera inactivo en la membrana plasmática. En algunos tipos de GPCR el receptor inactivo ya se encuentra unido a su blanco señalizador, una proteína G

Las proteínas G son de diferentes tipos pero todas se unen al nucleótido trifosfato de guanosina (GTP), al que pueden degradar (hidrolizar) para formar GDP. Una proteína G unida a GTP está activa o «encendida», mientras que si está unida a un GDP, estará inactiva o «apagada». Las proteínas G que se asocian a GPCR son de un tipo compuesto por tres subunidades conocido como proteínas G heterotriméricas. Cuando se unen a un receptor inactivo, están en su forma «apagada» (unidas a un GDP)

prot g

Sin embargo, la unión con un ligando cambia el panorama: el GPCR se activa y hace que la proteína G cambie el GDP por GTP. La proteína G activada se divide en dos partes (una de ellas se denomina subunidad α, la otra consta de las subunidades β y γ), que se separan del GPCR. Las subunidades pueden interactuar con otras proteínas, lo que desencadena una vía de señalización que conduce a una respuesta

Finalmente la subunidad α hidroliza el GTP a GDP, lo que inactiva la proteína G. Luego la proteína G inactiva se reensambla como una unidad de tres partes asociada al GPCR. La señalización celular que utiliza receptores asociados a proteína G es cíclica y puede repetirse una y otra vez en respuesta a la unión con el ligando

Los receptores acoplados a proteína G tienen diferentes funciones en el cuerpo humano y la alteración de la señalización por GPCR puede provocar enfermedades

Balsas lipídicas

Las balsas de lípidos son microdominios moleculares situados en la membrana plasmática, que consisten en asociaciones estables entre los esfingolípidos, glicolipidos y el colesterol

Por ello, estos grupos forman una fase lipídica más densa que los glicerofosfolípidos, y así constituyen zonas especiales de la membrana plasmática que funcionan como «balsas» que flotan entre el conjunto de los demás lípidos

Se sabe que estas balsas intervienen en gran número de funciones celulares (y cada vez se descubren más), como pueden ser la respuesta a la invasión de patógenos, la homeostasis del colesterol, angiogénesis, transducción de señales, etc

Formarían una pequeña plataforma, donde están integrados una serie de receptores. La función sería la de generar un micro-dominio, donde los estados de fosforilación podrían ser modificados por kinasas y fosfatasas locales, generando una cascada de transducción. Por otro lado, las balsas perecen estar implicadas también en in mecanismo de protección de la señalización

Estas unidades en la membrana plasmática son muy diversas y dinámicas en cuanto a tamaño y composición, y tienen asociadas proteínas de membrana que les confieren distintas propiedades y funciones. Por lo tanto, teniendo en cuenta estas balsas de lípidos, debemos ver la membrana plasmática como un componente celular heterogéneo en el cual se disponen numerosas balsas de lípidos que cambian en sus propiedades y definen funciones distintas en las regiones de la membrana celular

Recomiendo muchísimo este articulo para entender las bases de la señalización:

https://es.khanacademy.org/science/biology/cell-signaling/mechanisms-of-cell-signaling/a/introduction-to-cell-signaling

Bibliografía recomendada:

La Célula, por Cooper & Hausman. 6ta Edición. Capítulo 10

Sem. BC 11: Diferenciación celular en organismos multicelulares

Programa:

-Diferenciación celular. Regulación de la expresión génica en la diferenciación celular en respuesta a señales ambientales.

-Potencialidad Evolutiva. Totipotencialidad. Pluripotencialidad. Divisiones celulares simétricas -asimétricas y su relación con destinos celulares. Polaridad celular y su relación con destinos celulares. Stems cells. Clonación.

– Compromiso, especificación y diferenciación durante el desarrollo embrionario. Identidad de posición durante el desarrollo embrionario. Concepto de morfógeno. Citodiferenciación durante el desarrollo embrionario.

Desarrollo embrionario

  • Célula cigota -> embrión altamente complejo
  • Coordinando procesos complejos -> sin organizador externo
  • 7×1013 células en humano adulto -> 200 tipos celulares
  • Proliferación y movimiento celular

Diferenciación celular: adquisición de características fenotípicas asociadas a la especialización celular -> ciertos grupos de genes son asociados a todos los grupos celulares:

  • Housekeeper o constitutivas: por ejemplo, proteína histona, citoesqueleto -> tubulina, actina, etc
  • Otros son especializados

Antes se creía que la especialización implicaba pérdida de genes -> se mantuvo por mucho tiempo

Experimento: primeros pasos en clonación

  1. Se le extrajo el núcleo a célula epitelial madura
  2. Se le introdujo a un cigoto anucleado
  3. Célula cigota se desarrolla
  • Hay casos reversibles e irreversibles, entonces, dependiendo del compromiso celular
  • Existe, antes de la diferenciación, una reducción del potencial evolutivo -> compromiso

Ejemplo:

  • Macizo celular interno: embrión
  • Trofoblasto: placenta
  • Pierden entonces, potencial evolutivo ambas poblaciones celulares con respecto al cigoto. Aun así hay mucha capacidad evolutiva

 

Cambios celulares -> no visibles -> dependen del compromiso:

  • Especificación: lábil o reversible
  • Determinación: irreversible

 

¿Cómo se regula?

Puntos de regulación génica -> comienzo de represión génica -> distintos mecanismos

 

Factores específicos de la transcripción

  • Proteínas que se unen a elementos reguladores del ADN
  • Enharcers/Silenciadores
  • Reclutan complejos enzimáticos que modifican el ADN -> descondensación/condensación, reclutando por ejemplo:
  1. Acetilasa/Desmetilasa: descondensación de la cromatina (efecto positivo)
  2. Metilasa/Desacetilasa: condensación de la cromatina (efecto negativo)
  • Interactúan con ARN polimerasa II, esta no puede iniciar sólo con unirse al ADN, necesita factores de transcripción ya sean específicos o constitutivos
  • Se necesita un subconjunto de factores de específicos -> 1 gen, un factor especifico de la transcripción puede formar parte de varios subconjuntos -> CONTROL COMBINATORIO -> eficiente

¿Cómo aparecen estos factores?

  • Distintos tipos de interacciones, yuxtacrinas (dependientes de contacto), por ejemplo: Wnt/Frizzled
  • Cascada de señalización -> B-catenina -> factores específicos de la transcripción -> diferenciación celular

Interacciones inhibitorias: ejemplo clásico -> Delta/Notch

  • Señalización mediada por contacto
  • Se regula negativamente expresión del ligando Delta
  • Célula, al expresar Delta -> otras no lo expresan -> otras lo expresan: generando un patrón muy ordenado, de regulación negativa

Gradientes de morfógenos

  • Sustancia soluble
  • A cierta distancia: paracrinas, autocrinas

Campo morfogenético

  • Células que pueden responder al morfógeno
  • No es respuesta de tipo todo/nada: dependen de la concentración y proximidad de la fuente de morfógeno
  • Ejemplos clásicos:
  1. FGF
  2. BMP-4, BMP-6
  3. SHH
  4. Etc

MicroARN: regulación post traduccional, negativa del mARN

  • 20 a 21 nucleótidos
  • Se unen a RISC (aumentar tasa de silenciamiento)
  • Se guían al mARN blanco por complementariedad de bases
  • Reprime traducción en el ribosoma
  • Pueden inhibir a factores de transcripción

Memoria celular:

  • 2 tipos de células diferentes pueden responder de manera distinta, dependerá del interior de la célula
  • Por ejemplo, pueden haber/no haber receptores para ciertos ligandos, diferencias en cantidades de factores de transcripción específicos, diferencias en la historia de señalización previa de la célula
  • Se heredan proteínas especificas a células hijas, entonces, se heredan las modificaciones del genoma, ya por epigenética (metilaciones, acetilaciones, fosforilaciones), condensaciones o laxitudes
  • En consecuencia, se restringe el potencial evolutivo poco a poco por factores de la transcripción, condensaciones, acciones del microARN, etc

Célula madre:

  • Capacidad de auto-renovación (distinto de capacidad de proliferar)
  • Genera al menos una célula que sea también célula madre
  • Se explica por dos fenómenos de asimetría:
  1. ARN’s, que se localizan de manera diferente en el interior de la célula
  2. Medioambiente diferencial (nichos de célula madre), relaciones diferenciales con matriz extracelular y las células yuxtapuesta
  • Tipos de células madre:

1.-Totipotenciales: pueden dar origen a todos los tipos celulares (8 primeras células en humanos) -> las 8 primeras blastómeras

2.- Pluripotenciales: gran potencial evolutivo, pero no es total, como por ejemplo el macizo celular interno o las células del trofoblasto

3.-Multipotenciales: poseen mayor grado de restricción y diferenciación, en adultos encontramos este tipo de células madre, como por ejemplo las células madre hematopoyéticas, espermatogonias

Sem. BC 9: Integración celular en un organismo celular

Programa:

-Concepto y componentes de un nicho celular. Matriz extracelular. Adhesiones célula-célula; célula-matriz.

Transformación celular-pérdida de adhesión.

-La matriz extracelular en tejidos epiteliales y en tejidos no epiteliales.

-Remodelación de matrices. Rol de las metaloproteasas.

 

Unión celular:

1.- Célula a célula

2.- Célula a componentes de la matriz extracelular

Con estos dos criterios se generan 4 subtipos de uniones

Uniones de anclaje: 4 categorías

  • Adherentes
  • Desmosomas
  • Estrechas u oclusivas
  • Comunicantes o GAP

Anclan componentes del citoesqueleto con otras células o con la matriz extracelular

  • Filamentos de actina (microfilamentos) con otra célula o con matriz extracelular
  • Filamentos intermedios con otra célula o con matriz extracelular

 

Moléculas de adhesión: cadherinas

  • Proteína transmembrana
  • Porción extracelular (N-terminal) poseen dominios cadherina -> se une a otra cadherina
  • Depende de calcio (iones), por eso el nombre CAdherina
  • Se unen extracelularmente las dos cadherinas, dependiendo del ión calcio extracelular
  • Cadherinas clásicas:
  1. E-Cadherina: epitelios
  2. N-Cadherina: tejido nervioso y muscular
  3. P-Cadherina: placenta
  • Son estrictamente homogénicas (E-Cadherina con E-Cadherina), lo que permite:
  1. El reconocimiento específico en la morfogénesis embrionaria
  2. Separación de grupos celular
  3. Diferentes niveles de expresión de cadherina -> distintos tipos de uniones específicas

 

I

Uniones adherentes

  • Utiliza filamentos de actina (microfilamentos)
  • Usan moléculas de cadherina clásicas
  • Comunes en epitelios, no así en tejidos mesenquimáticos
  • Zónula adherens -> concentración de uniones adherentes
  • Ocupa el principio del velcro, múltiples uniones débiles -> sumatoria -> unión fuerte
  • Si se aumenta la fuerza de tensión entre células con uniones por cadherinas, esta señal se transmite al interior de la célula -> se reclutan filamentos de actina para así resistir tracción

 

Desmosomas

  • Utiliza filamentos intermedios
  • Usan moléculas de cadherina no clásicas
  • En células epiteliales y musculares
  • Se pueden observar entre límites de células musculares cardiacas (cardiomiocitos), en forma de discos intercalares:
  1. Epitelios: filamentos intermedio -> queratina
  2. Musculares: filamento intermedio -> desmina
  • Uniones con forma de disco -> localizados en forma de botones

 

Estrechas u oclusivas

  • Típicas de células epiteliales -> formar barrera de permeabilidad
  • Proteínas que forman hebras: claudina y ocludinas
  • Cuando las uniones se yuxtaponen logran su función de hebra ocluyente
  • Se restringen a una zona bien apical y lateral -> Zónula ocludens, que va entonces por encima de las uniones adherentes

 

Uniones comunicantes o GAP

  • Función opuesta a ocludens
  • Puente acuoso (formado por dos hemicanales unidos) entre dos células yuxtapuestas -> difunden moléculas de poco tamaño
  • Iones, monosacáridos, ATP. Los iones van a acoplar las células desde un punto de vista eléctrico, como ocurre en las neuronas de tipo eléctrico o las células musculares cardiacas que van a estar sincronizadas por este tipo de uniones GAP
  • No pasan proteínas (son muy grandes) por este tipo de unión
  • Son uniones muy frecuentes en: epitelios, células cardiacas y en las neuronas que tienen sinapsis de tipo eléctrico
  • Formadas principalmente por la proteína conexina 43 y 45, que son muy redundantes (protegiendo las posibles mutaciones)

 

Unión célula-matriz

  • Integrinas -> más de 24 clases, proteína transmembrana y filamentos de actina
  • Se unen a un componente específico de la matriz: por ejemplo la laminina o fibronectina
  • Dependen de iones en medio extracelular, por ejemplo Ca, K, P
  • Frecuente en células mesenquimáticas, se genera entonces:
  1. Protrusión del frente anterior
  2. Anclaje de la célula a la matriz
  3. Retracción del polo posterior

Unión integrina y filamentos intermedios

  • Exclusivamente en las células basales del epitelio con laminina (se une entonces a la membrana basal)

 

II

Matriz extracelular (ME)

  • Importante, por ejemplo en el hueso -> matriz extracelular osificada, en epitelio -> lámina basal
  • Hay componentes comunes a toda ME: proteoglicanos, glicoproteínas, GAG’s, fibras colágenas

GAG’s:

  • Polisacáridos, no ramificados, que pueden o no estar sulfatados (enormes, hasta 30.000 subunidades)
  • Muy rígidos, con mucha carga negativa -> atraen agua, formando geles altamente hidratados
  • Producidos por células -> en aparato de Golgi, excepción: ácido hialurónico -> en matriz extracelular
  • No se encuentran libres, sino unidos a proteínas (proteoglicano), excepción: ácido hialurónico

Diferencias entre glicoproteínas y proteoglicanos:

Glicoproteínas: masa mayor aportada por proteínas y se encuentra N-glicosilado

Proteoglicanos: masa mayor aportada por polisacáridos y se encuentra O-glicosilado

Glicoproteínas adhesivas

  • Principalmente proteínas con decoraciones de polisacáridos
  • Pueden unirse a componentes de la matriz y superficie celular
  • 200 clases de glicoproteínas
  • Fibronectina y laminina -> se unen a integrinas

Fibronectinas

  • Se une a fibras de colágeno, integrinas, heparinas
  • 20 clases: varían sus dominios (uniones), codificada por un único gen gracias al splicing alternativo

Laminina

  • Heterodímeros -> redes 3D
  • En membrana basal de los epitelios

Componentes fibrilares: proteínas fibrosas que se hayan en la ME

  • Colágenas
  • Reticulares
  • Elásticas

Colágenas:

  • Empaquetamiento de fibrillas
  • Tripletes -> torsión -> hélice
  • Disposición ordenada y regular
  • Proteína más abundante en humano, 21 genes diferentes
  • Clasificados por su morfología final:
  1. Dermis: tipo I
  2. Reticulares: tipo III
  3. Cartílago: tipo IX, X, XI
  4. Etc

Reticulares -> tipo III

  • Delgadas
  • Frecuentes en tejidos linfoides: bazo, médula, timo, etc
  • Frecuente en hígado

Elásticas

  • Elastina, desmina, fibrilina
  • En paredes de vasos arteriales (por ejemplo)
  • Se evidencian con técnicas histológicas como: orceina y resorcina fucsina
  • Permiten la deformación y la vuelta a la forma original, se desenrollan -> aumentan longitud -> vuelta a forma original

Transición epitelio-mesenquimática

  • Tumores/Cresta neural/etc -> capacidad de migrar de la célula -> varía expresión del ADN

Productos proteicos -> pueden romper matriz y ayudan a migrar

  • Proteasas -> metaloproteasas -> enzimas que degradan componentes de ME, por ejemplo: fibronectina, colágeno, proteglucanos
  • Tumores: laminina (rompe lamina basal) -> acceder a los vasos sanguíneos -> metástasis

Entonces, a modo de conclusión, la ME siempre está siendo remodelada y modificada por células adyacentes. No es estática.

Balance tim/metaloproteasas -> estabilidad celular/dinamismo

Sem. BC 8: Bioenergética celular. Procesos metabólicos celulares.

Seminario de integración 8: Bioenergética celular. Procesos metabólicos celulares.

Programa:

– Obtención de energía. Transportadores (carriers de alta energía). Oxidación de glucosa y ácidos grasos. Generación de la fuerza protón-motriz para los procesos que requieren energía.

– Mitocondria y compartimentos involucrados en la bioenergética celular. Técnicas de fraccionamiento subcelular y submitocondrial para el estudio de componentes mitocondriales.

 

Bioenergética -> Mitocondrias y peroxisomas

415px-Animal_mitochondrion_diagram_es.svg
Mitocondrias:

  • Membrana interna y externa
  • Crestas
  • Matriz
  • Espacio intermembranoso

Membrana interna

  • Altamente regulada -> altamente impermeable
  • Tiene fosfolípidos propios

Gracias al fraccionamiento sub-mitocondrial se pueden obtener los diferentes componentes de las mitocondrias

Se hayan conectadas entre sí. También son muy dinámicas, movidas por proteínas asociadas al citoesqueleto

Su origen: endocitosis

  • Componentes de la membrana interna -> origen BACTERIANO
  • Componentes de la membrana externa-> origen EUCARIONTE

Las mitocondrias:

  • Se generan de otras mitocondrias
  • No “de novo”
  • No están totalmente codificadas en el genoma, poseen su propio genoma mitocondrial, “ADN procarionte”, sin intrones. Este ADN se hereda solo por la vía materna

Doble origen de las proteínas mitocondriales -> generadas por genoma eucarionte, implicando un importe de proteínas citosólicas a la mitocondria

  • Secuencia de importación mitocondrial -> a-hélice: carga positiva (+), no polares -> anfipáticas
  • TOM -> Extramembranosa
  • TIM (2) -> Intramembranosa

 

Pasos

1.-Las proteínas que entran a la mitocondria están totalmente traducidas, es estado desplegado -> interactúan con chaperonas (Hsp70, ATP dependiente) -> TOM -> reconocimiento

2.-TIM (2): diferencia de potencial:

Interior de la matriz: negativo (-)

Espacio intermembrana: positivo (+)

a-hélice: carga de electrones negativa -> favorece ingreso -> consume ATP

 

Funciones de las mitocondrias

  • Bioenergética: síntesis de ATP celular
  • Participa en síntesis de hormonas, a partir del colesterol, esteroidogénesis, que no se da en todas las células del cuerpo
  • Reservorio de calcio (secundario)
  • Señalización intracelular durante apoptosis -> vía mitocondrial

Reacciones químicas acopladas

A –> B + C: espontánea, generando ATP

B + C –> A: no espontánea, gasta ATP

Acoplamiento de ambas reacciones -> proximidad espacial de enzimas, energía liberada es usada por la otra reacción

ATP –> ADP + P

 

Reacción óxido-reducción por redox

Mitocondrias tienen capacidad de atracción -> reacción espontánea -> libera energía

Diferencia de potencial de reducción

Las coenzimas participan en la aceptación temporal de enzimas:

  • FAD –> FADH2
  • NAD+ –> NADH

Actúan como aceptadores temporales

 

Catabolismo de los hidratos de carbono:

  1. Glucolisis
  2. Ciclo de Krebs
  3. Catabolismo de ácidos grasos

 

Glucolisis

  • Glucosa -> ruptura -> piruvato
  • 2 moléculas de ATP por glucosa
  • Piruvatos por difusión simple a la mitocondria (purinas)
  • En matriz mitocondrial -> AcetilCoA (se rompe un carbono)
  • Complejo del piruvato -> generación de AcetilCoA

Ciclo de Krebs

  • Progresiva ruptura de enlaces covalentes -> CO2
  • Electrones libres -> coenzimas -> NADH y FADH2

Catabolismo de ácidos grasos

  • b-oxidación
  • Matriz mitocondrial
  • Fragmentación del ácido graso -> acortamiento

 

Mecanismo de producción del ATP

eltranmit

  • Electrones en coenzimas: liberados en complejos respiratorios
  • Bombeo de proteínas hacia espacio intermembrana, algunos componentes facilitan el transporte:

Grupos hemos: aceptan electrones temporalmente, reacción espontánea

Ferro-sulfoproteínas: aceptan electrones temporalmente, reacción espontánea

Ubiquinona: aceptan electrones temporalmente, reacción espontánea

  • Aceptor final -> O2 -> capta los electrones

electron_T3

Gradiente doble

  • Intermembrana: llegan electrones
  • Matriz: llegan protones

Entonces, ATP sintasa:

  • Por aquí llegan los protones -> choca ADP con el protón (ADP + P) -> ATP
  • Acoplamiento de energía liberada e ingreso del protón

 

Fosforilación oxidativa

  • Desacoplamiento mitocondrial: condiciones fisiológicas y patológicas
  • Es necesario el gradiente
  • EJ: grasa parda -> desacoplamiento -> calor (fríos intensos -> supervivencia)

 

Peroxisomas

  • Metabolismo O2 y reacciones especializadas
  • Presentes en todas la células humanas
  • Generan peróxido de hidrógeno (H2O2) -> enzima catalasa -> H2O
  • B-oxidación -> generación de AcetilCoA: ácidos grasos especiales, largos, vegetales -> cortados -> llevados a las mitocondrias
  • Origen: brotan del RE
  • Proteínas llegan totalmente traducidas al peroxisoma
  • Síndrome de Zellweger: alta concentración de ácidos largos de cadena larga, ausencia de peroxisomas, defectos hepáticos

Bibliografía recomendada:

La Célula, por Cooper & Hausman. 6ta Edición. Capítulo 11

Sem. BC 7: Dinámica del citoesqueleto y de las biomembranas II

Seminario de integración 7: Dinámica del citoesqueleto y de las biomembranas: Estructura y polaridad celular, transporte intracelular, migración y división celular

Programa:

I

-Migración celular direccional: señalización extracelular, adhesión celular, dinámica del citoesqueleto y de las biomembranas.

-Microtúbulos: polimerización y despolimerización, estabilización diferencial por proteínas asociadas, proteínas motoras y transporte de vesículas y de componentes del citoesqueleto.

-Microfilamentos: polimerización y despolimerización, estabilización diferencial por proteínas asociadas, proteínas motoras y transporte de vesículas y de componentes del citoesqueleto.

-Aparato de Golgi y distribución de biomembranas. Endosomas y reciclado de membranas, exocitosis, endocitosis.

-Concepto de nanotubos: ultraestructura y dinámica.

II

-Concepto de exosomas (vesículas liberadas al espacio extracelular): ultraestructura y dinámica.

-Contracción muscular: señalización inter e intracelular, dinámica del citoesqueleto y adhesión celular.

-Membrana plasmática y permeabilidad. Retículo endoplasmático y regulación de la concentración de calcio

-Microfilamentos y miosina como proteína motora. Filamentos intermedios (desmina) y anclaje y adhesión celular.

-Epitelios: polaridad celular, adhesión de larga duración y resistencia mecánica.

-Centrosoma, microtúbulos y polaridad celular. Filamentos intermedios y moléculas de adhesión como mediadores de resistencia mecánica,

-Fecundación: dinámica de biomembranas y citoesqueleto. Reacción acrosómica y reacción cortical como ejemplos de exocitosis. Fusión de membranas.

-División celular: dinámica del citoesqueleto y de las biomembranas.

 

Exosomas: ultraestructura y dinámica

exosomas2

Los exosomas son nanovesículas constituidas (al igual que las membranas celulares) por una bicapa lipídica, con un diámetro entre 50 y 100 nm

Estas vesículas extracelulares tienen origen endocítico, es decir se producen por el proceso de incorporación de moléculas al interior celular englobadas por membranas, normalmente vesículas. Se encuentran en la mayoría de los fluidos corporales y son capaces de trasladar diferentes biomoléculas como proteínas, lípidos, ADN, ARNm y ARN no codificante, variando su contenido dependiendo de las condiciones y del tipo de célula de origen

Los científicos están investigando activamente el papel que los exosomas pueden desempeñar en la señalización de célula a célula, con la hipótesis de que debido a que los exosomas pueden fusionarse y liberar sus contenidos en células distantes de su célula de origen (ver tráfico de vesículas de membrana), pueden influir en los procesos de la célula blanco. Por ejemplo, el ARN que se transmite de una célula a otra, conocido como «ARN lanza exosómico», podría afectar la producción de proteínas en la célula receptora. Al transferir moléculas de una célula a otra, los exosomas de ciertas células del sistema inmune, como las células dendríticas y las células B, pueden desempeñar un papel funcional en la mediación de respuestas inmunes adaptativas a patógenos y tumores

Por el contrario, la producción y el contenido del exosoma pueden verse influidos por señales moleculares recibidas por la célula de origen. Como evidencia de esta hipótesis, las células tumorales expuestas a la hipoxia secretan exosomas con mayor potencial angiogénico y metastásico, lo que sugiere que las células tumorales se adaptan a un microambiente hipóxico secretando exosomas para estimular la angiogénesis o facilitar la metástasis en un ambiente más favorable. Recientemente se ha demostrado que el contenido de proteína exosomal puede cambiar durante la progresión de la leucemia linfocítica crónica

Un estudio hipotetizó que la comunicación intercelular de los exosomas tumorales podría mediar más regiones de metástasis para el cáncer. Hipotéticamente, los exosomas pueden plantar información sobre el tumor, como el ARN contaminado, en nuevas células para prepararse para que el cáncer viaje a ese órgano en busca de metástasis. El estudio encontró que la comunicación exosomal tumoral tiene la capacidad de mediar metástasis a diferentes órganos. Además, incluso cuando las células tumorales tienen una desventaja para la replicación, la información sembrada en estas nuevas regiones, órganos, puede ayudar en la expansión de la metástasis específica de órganos

 

Contracción muscular: señalización inter e intracelular, dinámica del citoesqueleto y adhesión celular

Sarcomere.svg

Durante el proceso de contracción muscular, las fibras que componen un músculo esquelético se acortan. Este acortamiento se debe a una disminución de la longitud de numerosos sarcómeros. A nivel ultraestructural, la expresión de este acortamiento es una menor distancia entre los discos Z contiguos.

Si bien la contracción muscular es el resultado final del acortamiento de los sarcómeros, este proceso se produce como consecuencia de varios eventos ordenados en el tiempo y el espacio dentro de cada microfibrilla. La secuencia de eventos es la siguiente:

  1. El mecanismo responsable del acortamiento del sarcomero se inicia en la placa neuromuscular. Cuando un impulso nervioso provoca la descarga de acetilcolina en la placa neuromuscular, la unión de este neurotransmisor con su receptor produce la despolarización de la membrana plasmática de la fibra por la entrada de sodio a través de canales de receptores ionotrópicos; de este modo, el interior de la célula se hace más positivo, es decir, que la célula se despolariza
  2. Este cambio de polaridad se extiende rápidamente en forma de onda de despolarización a lo largo de toda la membrana plasmática y, a través de los tubos T, llega a la profundidad de la fibra muscular
  3. En los tubos T existen complejos moleculares que se consideran marcadores de canales de calcio y se ubican enfrentados a subunidades proteicas equivalentes en las cisternas terminales del retículo sarcoplásmico. Al producirse la despolarización de la fibra muscular, se da un cambio conformacional de los receptores presentes en los tubos T que, como ya se ha mencionado, están estrechamente relacionados con las cisternas terminales. Este cambio conformacional provoca la activación de canales de calcio presentes en las cisternas del retículos sarcoplásmico y la salida de este ión, difundiéndose rápidamente hacia todo el sarcoplasma
  4. El calcio así liberado por el retículo sarcoplásmico se une a la troponina C presente en los filamentos finos del sarcómero (actina), lo que genera un cambio conformacional de esta molécula
  5. Este cambio de conformación de la troponina C tracciona otro componente de ese complejo proteico, la troponina T, que se encuentra unida a la Se produce así un deslizamiento de la tropoomiosina hacia el surco existente en la doble cadena de actina del filamento fino; de este modo libera los sitios de unión de la actina con la miosina y permite la unión de estas dos moléculas
  6. Incialmente, la miosina se une fuertemente a la actina. La cabeza globular de la miosina en esta etapa se mantiene en un ángulo de 90° con relación a su porción fibrilar, y en esta posición acumula energía generando un estado de tensión
  7. Es en este momento cuando el ATP se fija a la región con actividad ATPasa de la cabeza de miosina. Se hidroliza el ATP generando ADP, y la energía liberada promueve una modificación de la posición de la cabeza de miosina con relación a su porción fibrilar pasando de 90° a 45°, produciendo un desplazamiento de 10 nm hacia el centro del sarcómero. Disminuye entonces la afinidad de la unión entre la miosina y la actina y ambas moléculas se separan
  8. Al recuperar su posición original en un ángulo de 90° con relación a su porción fibrilar, la cabeza de miosina se desplaza enfrentándose a un nuevo sitio de unión con la actina del filamento fino
  9. En este momento, la cabeza de la miosina se encuentra enfrentada (no unida) a la actina y ante la presencia de calcio se une fuertemente a ella y vuelve a iniciarse el ciclo (puntos 6-7)
  10. Este ciclo se repite numerosas veces y con cada ciclo los filamentos de actina son traccionados por la miosina una y otra vez hacia el centro del sarcómero
  11. La contracción cesa con la repolarización de la membrana plasmática de la fibra muscular y el reingreso de calcio desde el sarcoplasma hacia la luz del retículo sarcoplásmico. La relajación del músculo estriado esquelético es pasiva y se debe a la contracción del músculo antagónico

 

Membrana plasmática y permeabilidad. Retículo endoplasmático y regulación de la concentración de calcio

La permeabilidad de las membranas es la facilidad de las moléculas para atravesarla. Esto depende principalmente de la carga eléctrica y, en menor medida, de la masa molar de la molécula. Moléculas pequeñas o con carga eléctrica neutra pasan la membrana más fácilmente que elementos cargados eléctricamente y moléculas grandes. Además, la membrana es selectiva, lo que significa que permite la entrada de unas moléculas y restringe la de otra

Posee receptores químicos que se combinan con moléculas específicas que permiten a la membrana recibir señales y responder de manera específica, por ejemplo, inhibiendo o estimulando actividades internas como el inicio de la división celular, la elaboración de más glucógeno, movimiento celular, liberación de calcio de las reservas internas

Retículo endoplasmático

 

En las células musculares lisas y estriadas se encontraron una forma especializada de retículo endoplásmico liso conocida como retículo sarcoplásmico el cual es un importante almacén del calcio que se utiliza en el proceso de contracción muscular

Las cisternas del retículo endoplásmico liso también están especializadas en el secuestro y almacenamiento de calcio del citosol, gracias a las bombas de calcio ubicadas en sus membranas. Este calcio puede emerger masivamente en respuesta a señales extra o intracelulares a través de cascadas de segundo mensajero, y desencadenar respuestas de células tales como exocitosis. Otro ejemplo notable es el retículo sarcoplásmico (un nombre que recibe el retículo endoplasmático liso en las células musculares) que secuestra el calcio a través de una bomba de calcio en sus membranas. La secuenciación y la salida de calcio del retículo sarcoplásmico se produce en cada ciclo de contracción de la célula muscular

 

Microfilamentos y miosina como proteína motora. Filamentos intermedios (desmina) y anclaje y adhesión celular

Los filamentos intermedios son componentes del citoesqueleto cuya principal misión es permitir a las células o estructuras celulares soportar tensiones mecánicas. Esta función es obvia en las células animales, pero no en las células de las plantas donde el papel de resistencia mecánica lo llevan a cabo las paredes celulares

Se denominan intermedios porque su diámetro es de aproximadamente 8 a 15 nm, que se encuentra entre el de los filamentos de actina (7 a 8 nm) y el de los microtúbulos (25 nm). Aparecen en las células animales, aunque no en todas. Forman una red que contacta con el núcleo y se extiende hasta la periferia celular. Los filamentos intermedios son flexibles y resistentes, dos propiedades óptimas para soportar las tensiones mecánicas

Los filamentos intermedios se clasifican en 6 grupos o clases.

  • I y II son las queratinas ácidas y básicas respectivamente. Ambos tipos se combinan entre sí para dar las queratinas de las células, es decir, las queratinas son heteropolímeros. Las queratinas son abundantes en las células epiteliales.
  • III es una clase heterogénea donde destacan la vimentina, desmina, proteína glial fibrilar ácida y la periferina
  • IV es un grupo que incluye a los neurofilmentos, típicos de neuronas, a la semina, sincoilina y a la alfa­internexina
  • V es una clase que incluye a las láminas nucleares que forman la lámina nuclear, son los únicos filamentos intermedios que no se encuentran en el citoplasma
  • VI es una nueva clase añadida recientemente que incluye a proteinas de las lentes del ojo como filensina y la faquinina. La familia de filamentos intermedios con más diversidad en sus monómeros es la de las queratinas. Así, se han encontrado monómeros diferentes en epitelios diferentes, también aparecen queratinas especiales en el pelo, las plumas y las uñas. En cada caso los filamentos de queratina son el resultado de una mezcla de distintos tipos de monómeros de queratinas

 

Epitelios: polaridad celular, adhesión de larga duración y resistencia mecánica

Las células epiteliales están polarizadas en la mayoría de los casos, es decir, tienen:

  1. Un polo luminal o apical cuya superficie está en contacto con el exterior del cuerpo o con la luz del conducto o cavidad. Las especializaciones apicales son modificaciones que comprenden a la membrana citoplasmática y a la porción apical del citoplasma ellas son:

Microvellosidades: Son expansiones citoplasmáticas cilíndricas limitadas por la unidad de membrana cuya principal función es aumentar la superficie de absorción

Estereocilias: Son microvellosidades largas que se agrupan en forma de manojos piriformes. Son inmóviles, estarían relacionados con la absorción y transporte de líquidos. Se ubican en el epitelio del epidídimo o plexos coroideos

Cilios: Formaciones celulares alargadas dotadas de movimiento pendular u ondulante. Son más largas que las microvellosidades

Flagelos: Su estructura es semejante a la de una cilia aunque de longitud mayor

 

  1. Un polo basal cuya superficie está en contacto y paralela a la lámina basal sobre la que se apoya la célula. Pueden existir:

Invaginaciones: Son repliegues de la membrana más o menos profundos que compartimentan el citoplasma basal

Hemidesmosomas: Son desmosomas monocelulares que posibilitan la unión del epitelio a la lámina basal

  1. Superficies laterales que mantienen unidas las células entre sí, mediante las uniones celulares

Otros filamentos intermedios también forman heteropolímeros, es decir, asociaciones entre filamentos intermedios correspondientes a clases diferentes. Los filamentos de queratina en las células epiteliales suelen estar anclados a los desmosomas y a los hemidesmosomas. La importancia de esto queda patente en una enfermedad llamada epidermolisis bullosa simple, en la cual existen mutaciones que modifican la formación de los filamentos de queratina. El resultado es una piel muy vulnerable al daño mecánico, es decir, hace falta muy poca presión para separar las células y producir descamación. Ésta es sólo una de las más de 75 enfermedades humanas asociadas a defectos en los filamentos intermedios entre las que se encuentran miopatías, esclerosis lateral amiotrófica, Parkinson, cataratas, etcétera

Esta polaridad espacial afecta a la disposición de los orgánulos y a las distintas funciones de las membranas en las distintas superficies celulares

 

Centrosoma, microtúbulos y polaridad celular. Filamentos intermedios y moléculas de adhesión como mediadores de resistencia mecánica

La concentración de dímeros de tubulina que hay normalmente en el citosol no es suficiente para la formación espontánea de microtúbulos. Para que se forme un microtúbulo de nuevo debe ser nucleado o iniciado. Para ello existen los MTOCs (microtubule organizing centers), que son centros organizadores de microtúbulos. Estos son los lugares donde comienza la polimerización de un nuevo microtúbulo y donde suelen estar anclados sus extremos menos. En estos centros existen complejos moleculares especializados en nuclear microtúbulos. El más común de ellos son los anillos de gamma­tubulina, que son estructuras circulares que actúan como moldes sobre los que se inician los nuevos microtúbulos

El principal MTOC en las células animales es el centrosoma, el cual controla el número, localización y orientación de los microtúbulos en el citoplasma. Hay un centrosoma por célula, cuando ésta se encuentra en la fase G1 o G0 del ciclo celular, y se suele localizar cerca del núcleo. El centrosoma está formado por dos componentes: uno central formado por un par de centriolos dispuestos de forma ortogonal y otro periférico. El centrosoma no sólo participa en la polimerización de los microtúbulos sino que también es importante en la regulación del ciclo celular por la presencia en el material pericentriolar de numerosas proteínas que afectan al avance del ciclo celular y por la organización del huso mitótico. La duplicación de los centrosomas antes de llegar a la mitosis es fundamental para producir dos células hijas con «buena salud»

Aunque los filamentos intermedios son más estables en el tiempo que los microtúbulos o los filamentos de actina, también pueden desorganizarse y volver a polimerizar bajo ciertas condiciones celulares como durante el desplazamiento celular, división celular o cuando se responde a cambios en la dirección de las fuerzas tensoras que soportan las células

 

Fecundación: dinámica de biomembranas y citoesqueleto. Reacción acrosómica y reacción cortical como ejemplos de exocitosis. Fusión de membranas

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Al producirse la unión primaria entre la zona pelúcida y el espermatozoide, se desencadena la reacción acrosómica en varios puntos de la cabeza del espermatozoide. Esto produce una fusión entre la membrana plasmática del ovocito secundario y la membrana externa del acrosoma, liberando el contenido de éste al medio externo y dejando al espermatozoide protegido por la membrana acrosomal interna

El contenido de la vesícula (acrosoma) está compuesto esencialmente por enzimas hidrolíticas como la hialuronidasa, acrosina y tripsina, las cuales ayudan al espermatozoide a avanzar por la zona pelúcida (disolviendo la matriz intercelular de las células que rodean al ovocito) a razón de 1 μm/min hacia el ovolema; además de proteínas que ayudan a la fusión de la membrana interna del acrosoma a ésta capa con la consecuente liberación del contenido del espermatozoide (mitocondrias, flagelo, núcleo condensado y centrosoma del cuello) al citoplasma del ovocito. Las mitocondrias y el flagelo serán degradados, mientras que el resto de componentes tendrán importante función en la concepción

Es necesario que se produzca una correcta capacitación previa del espermatozoide para que se produzca esta reacción acrosómica. También algunas glicoproteínas de la zona pelúcida inducen la activación de la reacción acrosómica (ZP3), y se ha demostrado que otras participan en la interacción entre las membranas (ZP2)

Para evitar la polispermia, apenas llega el primer espermatozoide a la membrana plasmática del huevo y comienza la integración, se liberan los gránulos corticales los cuales contienen enzimas que evitan la unión de otros espermatozoides con la zona pelúcida. A diferencia de otros organismos como los erizos de mar, en mamíferos no se presenta un cambio de potencial de membrana

 

División celular: dinámica del citoesqueleto y de las biomembranas

Profase

ProphaseIF

  • Se produce en ella la condensación del material genético (ADN), para formar unas estructuras altamente organizadas, los cromosomas. Como el material genético se ha duplicado previamente durante la fase S de la Interfase, los cromosomas replicados están formados por dos cromátidas, unidas a través del centrómero por moléculas de cohesinas
  • Uno de los hechos más tempranos de la profase en las células animales es la duplicación del centrosoma; los dos centrosomas hijos (cada uno con dos centriolos) migran entonces hacia extremos opuestos de la célula. Los centrosomas actúan como centros organizadores de unas estructuras fibrosas, los microtúbulos, controlando su formación mediante la polimerización de tubulina soluble. ​ De esta forma, el huso de una célula mitótica tiene dos polos que emanan microtúbulos
  • En la profase tardía desaparece el nucléolo y se desorganiza la envoltura nuclear

 

Prometafase

  • La envoltura nuclear se ha disuelto, y los microtúbulos (verde) invaden el espacio nuclear. Los microtúbulos pueden anclar cromosomas (azul) a través de los cinetocoros (rojo) o interactuar con microtúbulos emanados por el polo opuesto. La envoltura nuclear se separa y los microtúbulos invaden el espacio nuclear
  • Cada cromosoma ensambla dos cinetocoros hermanos sobre el centrómero, uno en cada cromátida. Un cinetocoro es una estructura proteica compleja a la que se anclan los microtúbulos. Aunque la estructura y la función del cinetocoro no se conoce completamente, contiene varios motores moleculares, entre otros componentes
  • Cuando un microtúbulo se ancla a un cinetocoro, los motores se activan, utilizando energía de la hidrólisis del ATP para «ascender» por el microtúbulo hacia el centrosoma de origen. Esta actividad motora, acoplada con la polimerización/despolimerización de los microtúbulos, proporciona la fuerza de empuje necesaria para separar más adelante las dos cromátidas de los cromosomas

Metafase

MetaphaseIF

  • A medida que los microtúbulos encuentran y se anclan a los cinetocoros durante la prometafase, los centrómeros de los cromosomas se congregan en la «placa metafásica» o «plano ecuatorial», una línea imaginaria que es equidistante de los dos centrosomas que se encuentran en los 2 polos del huso. Este alineamiento equilibrado en la línea media del huso se debe a las fuerzas iguales y opuestas que se generan por los cinetocoros hermanos

Anafase

Anaphase_IF

  • Cuando todos los cromosomas están correctamente anclados a los microtúbulos del huso y alineados en la placa metafásica, la célula procede a entrar en anafase
  • Es la fase crucial de la mitosis, porque en ella se realiza la distribución de las dos copias de la información genética original
  • Entonces tienen lugar dos sucesos. Primero, las proteínas que mantenían unidas ambas cromátidas hermanas (las cohesinas), son cortadas, lo que permite la separación de las cromátidas. Estas cromátidas hermanas, que ahora son cromosomas hermanos diferentes, son separados por los microtúbulos anclados a sus cinetocoros al desensamblarse, dirigiéndose hacia los centrosomas respectivos
  • A continuación, los microtúbulos no asociados a cinetocoros se alargan, empujando a los centrosomas (y al conjunto de cromosomas que tienen asociados) hacia los extremos opuestos de la célula. Este movimiento parece estar generado por el rápido ensamblaje de los microtúbulos

Telofase

TelophaseIF

  • Es la reversión de los procesos que tuvieron lugar durante la profase y prometafase
  • La envoltura nuclear se reforma alrededor de ambos grupos cromosómicos, utilizando fragmentos de la envoltura nuclear de la célula original
  • Ambos juegos de cromosomas, ahora formando dos nuevos núcleos, se descondensan de nuevo en cromatina

Citocinesis

  • La citocinesis es un proceso independiente, que se inicia simultáneamente a la telofase. Técnicamente no es parte de la mitosis, sino un proceso aparte, necesario para completar la división celular
  • Anillo contráctil de actina en el lugar donde estuvo la placa metafásica, estrangulando el citoplasma y aislando así los dos nuevos núcleos en dos células hijas. Tanto en células animales como en plantas, la división celular está dirigida por vesículas derivadas del aparato de Golgi, que se mueven a lo largo de los microtúbulos hasta la zona ecuatorial de la célula

 

Bibliografía recomendada:

La Célula, por Cooper & Hausman. 6ta Edición. Capítulo 12

Histología médico-practica, por H.A. Brusco. 1era Edición. Capítulo 6, tejido muscular

Paper: atlas-celula-07-citoesqueleto

Algunos links:

Exosomas: https://es.quora.com/Qu%C3%A9-son-los-exosomas

Exosomas: https://en.wikipedia.org/wiki/Exosome_(vesicle)

Permeabilidad: https://es.wikipedia.org/wiki/Membrana_plasm%C3%A1tica#Permeabilidad

RE: https://es.wikipedia.org/wiki/Ret%C3%ADculo_endoplasm%C3%A1tico

División celular: https://es.wikipedia.org/wiki/Mitosis

 

 

Sem. BC 7: Dinámica del citoesqueleto y de las biomembranas I

Seminario de integración 7: Dinámica del citoesqueleto y de las biomembranas: Estructura y polaridad celular, transporte intracelular, migración y división celular

Programa:

I

-Migración celular direccional: señalización extracelular, adhesión celular, dinámica del citoesqueleto y de las biomembranas.

-Microtúbulos: polimerización y despolimerización, estabilización diferencial por proteínas asociadas, proteínas motoras y transporte de vesículas y de componentes del citoesqueleto.

-Microfilamentos: polimerización y despolimerización, estabilización diferencial por proteínas asociadas, proteínas motoras y transporte de vesículas y de componentes del citoesqueleto.

-Aparato de Golgi y distribución de biomembranas. Endosomas y reciclado de membranas, exocitosis, endocitosis.

-Concepto de nanotubos: ultraestructura y dinámica.

II

-Concepto de exosomas (vesículas liberadas al espacio extracelular): ultraestructura y dinámica.

-Contracción muscular: señalización inter e intracelular, dinámica del citoesqueleto y adhesión celular.

-Membrana plasmática y permeabilidad. Retículo endoplasmático y regulación de la concentración de calcio

-Microfilamentos y miosina como proteína motora. Filamentos intermedios (desmina) y anclaje y adhesión celular.

-Epitelios: polaridad celular, adhesión de larga duración y resistencia mecánica.

-Centrosoma, microtúbulos y polaridad celular. Filamentos intermedios y moléculas de adhesión como mediadores de resistencia mecánica,

-Fecundación: dinámica de biomembranas y citoesqueleto. Reacción acrosómica y reacción cortical como ejemplos de exocitosis. Fusión de membranas.

-División celular: dinámica del citoesqueleto y de las biomembranas.

 

Migración celular direccional: señalización extracelular, adhesión celular, dinámica del citoesqueleto y de las biomembranas

Quimiotaxis

El quimiotaxismo es un tipo de fenómeno en el cual las bacterias y otras células de organismos uni o pluricelulares dirigen sus movimientos de acuerdo con la concentración de ciertas sustancias químicas en su medio ambiente

La quimiotaxis permite a las bacterias encontrar alimento, nadando hacia la mayor concentración de moléculas alimentarias, como la glucosa, o alejarse de venenos como el fenol. En los organismos multicelulares es fundamental tanto en las fases tempranas del desarrollo (por ejemplo en el movimiento de los espermatozoides hacia el óvulo) como en las fases más tardías como la migración de neuronas o linfocitos; así como también para las funciones normales

Como ejemplos de quimiotaxismo se encuentran la respuesta de los leucocitos a las heridas, y la acción que ejercen las feromonas sobre animales de sexos opuestos de una misma especie. La quimiotaxis se denomina positiva si el movimiento es en dirección hacia la mayor concentración de la sustancia química en cuestión y negativa si es en dirección opuesta

El tamaño de las células eucariotas permite la posibilidad de detectar el gradiente lo cual resulta en una distribución de receptores dinámica y polarizada. La inducción de esos receptores a través de quimioatrayentes y quimiorepelentes resulta en una migración para alejarse o acercarse a las sustancias quimiotacticas

 

Haptotaxis

La Haptotaxis, es el fenómeno de motilidad direccional usualmente por un gradiente de adhesión celular o enlaces quimioatrayentes. El gradiente de los quimioatrayentes es expresado sobre una superficie o unido a esta, en base al nivel de propiedades adhesivas de su entorno, de tal forma que migran hacia superficies más adherentes

La orientación y composición de la matriz extracelular (ECM) afecta al entorno adhesivo de las células de tal forma que la densidad de ligandos como colágenos, fibronectinas y lamininas dirige el movimiento haptotáctico: la haptotaxis depende de la adhesión entre la célula y la ECM

 

Adhesión celular

Al referirnos a adhesión celular hacemos alusión a las uniones entre células y las uniones entre la célula y la matriz extracelular

En la adhesión celular participan moléculas de la membrana celular (proteínas de membrana) que presentan 3 dominios: el extracelular, el de membrana y el citoplasmático. Las 4 familias principales que intervienen directamente en la adhesión celular son la familia de las cadherinas, la super-familia de las inmunoglobulinas, la familia de las selectinas y la familia de las integrinas

Cadherinas

Como su nombre lo sugiere, las cadherinas son moléculas de adhesión celular calcio-dependiente. Ellas son críticas para el establecimiento y mantenimiento de las conexiones intercelulares, y parecen ser decisivas para la segregación espacial de los tipos celulares y para la organización de la forma animal (Takeichi 1987). Las cadherinas interactúan con otras cadherinas sobre células adyacentes, y están ancladas a la célula mediante un complejo de proteínas denominadas cateninas. Debido a que las cateninas se unen al citoesqueleto de la célula, se integran a las células epiteliales en una forma mecánica

 

En embriones de vertebrados, se han identificado varias clases principales de cadherinas:

  • L-CAM: es expresada en todos los embriones tempranos de mamíferos, incluso en el estado de cigoto. Posteriormente esta molécula es restringida a los tejidos epiteliales de los embriones y adultos
  • N-CAM: es vista primero en las células mesodérmicas en el embrión gastrulando debido a que pierden su expresión cadherina-E. También se expresa significativamente sobre las células del sistema nervioso central en desarrollo
  • cadherina-P (cadherina placentaria): aparece expresada primariamente en las células trofoblasticas (aquellas células placentarias de los embriones de mamíferos que contactan la pared uterina) y sobre el epitelio de la pared uterina
  • cadherina-EP (cadherina-C): es crítica para mantener la adhesión entre las blastómeras de la blástula de Xenopus y es requerida para los movimientos normales de la gastrulación

Las protocadherinas son moléculas de adhesión calcio-dependiente que difieren de las cadherinas clásicas en que carecen de conexiones al citoesqueleto a través de las cateninas. Las protocadherinas son muy importantes en la separación de la notocorda de otros tejidos mesodérmicos durante la gastrulación de Xenopus

 

Integrinas

La matriz extracelular está conectada directamente con las células a las que rodea. Algunos de los conectores clave son proteínas llamadas integrinas, las cuales están incrustadas en la membrana plasmática. Las proteínas en la matriz extracelular, como las moléculas de fibronectina, pueden actuar como puentes entre las integrinas y otras proteínas de la matriz extracelular como el colágeno. En la parte interna de la membrana, las integrinas están unidas al citoesqueleto

Las integrinas anclan la célula a la matriz extracelular. También le permiten percibir su entorno. Pueden detectar señales químicas y mecánicas provenientes de la matriz extracelular y disparar vías de señalización como respuesta

La coagulación de la sangre es otro ejemplo de la comunicación entre las células y la matriz extracelular

 

Superfamilia de las inmunoglobulinas

Tienen residuos homólogos a los de los anticuerpos, pero no tienen relación. Estos residuos suelen ser en torno a 5-7 y 7 median interacciones homofílicas, aunque a veces heterofílicas. Las inmunoglobulinas son las únicas proteínas de adhesión que no dependen de calcio. Puede interactuar con otras proteínas de adhesión aparte de las integrinas

 

Selectinas

Presentan lectinas con alta afinidad por azúcares presentes en las membranas de células adyacentes. Forman dímeros. Son de paso único. En sus dominios extracelular aparece asociado al final de la cadena un dominio de naturaleza lectina y lo que pasa es que se une a glucoproteínas o se une a glucolípidos (azúcares) que haya en la célula adyacente

 

Dinámica del citoesqueleto y de las biomembranas

El interior de la célula eucariota no es una masa amorfa y gelatinosa donde están diseminados al azar el núcleo y el resto de los orgánulos. Por el contrario, posee una organización interna establecida por una serie de filamentos proteicos que forman un entramado dinámico y se extienden a través del citoplasma, sobre todo entre el núcleo y la cara interna de la membrana celular, aunque también los hay intranucleares. A este conjunto de filamentos se le denomina citoesqueleto

No es una estructura inerte que funciona únicamente como andamiaje para dar soporte a las células y a sus diferentes estructuras. El citoesqueleto es una estructura muy cambiante, es decir, a pesar de su nombre, el citoesqueleto no es sólo los huesos de las células sino también sus músculos. Así, entre sus funciones están que las células se puedan mover, establecer la forma celular y poder cambiarla, establecer la polaridad de algunas células, la disposición adecuada de los orgánulos, la comunicación entre ellos, los procesos de endocitosis y exocitosis, la división celular (tanto meiosis como mitosis), lugar de anclaje de moléculas y orgánulos, resistir presiones mecánicas y reaccionar frente a deformaciones, entre otras muchas más

Su función mecánica es particularmente importante en las células animales, donde no existe una pared celular que de consistencia a las células. Sin el citoesqueleto la célula se rompería puesto que la membrana es básicamente una lámina de grasa

Hay tres tipos de filamentos que forman el citoesqueleto: los filamentos de actina o microfilamentos, los microtúbulos y los filamentos intermedios

 

Microtúbulos

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Los microtúbulos son un componente del citoesqueleto que tiene un papel organizador interno crucial en todas las células eucariotas. Llevan a cabo numerosas funciones tales como establecer la disposición espacial de determinados orgánulos, formar un sistema de raíles para la comunicación mediante vesículas o macromoléculas entre compartimentos celulares, son imprescindibles para la división celular puesto que forman el huso mitótico, ayudan en el desplazamiento celular, permiten la polarización de ciertos tipos celulares y son esenciales para la estructura y función de los cilios y de los flagelos

Son tubos largos y relativamente rígidos. Sus paredes están formadas por dímeros de proteínas globulares denominadas α y β. Estas parejas se alinean ordenadamente, mediante enlaces no covalentes, en filas longitudinales que se denominan protofilamentos

Los protofilamentos tienen una polaridad estructural: la α­-tubulina siempre formará un extremo del protofilamento y la β el otro. Todos los protofilamentos de un microtúbulo están orientados de la misma manera y por tanto el microtúbulo también es una estructura polarizada. Se denomina extremo menos al formado por las α-­tubulinas y más al formado por las β­-tubulinas

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Los microtúbulos son dinámicos ya que se suceden periodos de adición de nuevos dímeros de tubulina con otros de eliminación, es decir, polimerización y despolimerización, respectivamente.

Los nuevos dímeros de tubulina se añaden con una menor eficacia a la α­tubulina que a la β­tubulina, por lo que el extremo más es el lugar preferente de crecimiento del microtúbulo y predomina la polimerización respecto a la despolimerización. En el extremo menos predomina la despolimerización respecto a la polimerización. Por ello los microtúbulos suelen crecer por el extremo más y, si no está protegido, decrecer por el extremo menos. Sin embargo, el extremo más es muy dinámico y en él se suceden procesos de polimerización y despolimerización, algunos tan drásticos que pueden hacer desaparecer por completo al microtúbulo

 

Inestabilidad dinámica

Una vez se ha producido el comienzo de la formación de un microtúbulo la incorporación de nuevos dímeros de tubulina al extremo más hace que el microtúbulo crezca en longitud. Este crecimiento a veces se detiene repentinamente y el microtúbulo comienza a despolimerizarse, llegando a veces incluso a desaparecer, o más frecuentemente reinicia el proceso de polimerización. A estas alternancias entre polimerización y despolimerización es a lo que se llama inestabilidad dinámica. ¿Cómo se produce este fenómeno?

Los dímeros de tubulina libres en el citosol se encuentran unidos a una molécula de GTP, que se une a la subunidad β­tubulina. Cuando un dímero se une a un microtúbulo en crecimiento se produce una hidrólisis de GTP a GDP. Si la velocidad con la que se produce la unión de nuevos dímeros es mayor que la de hidrólisis del GTP siempre habrá un conjunto de dímeros en el extremo más que tendrán GTP unido. A este conjunto de dímeros­-GTP polimerizados se le llama casquete de GTPs. Ésta es una estructura que hace más estable el extremo más. Bajo estas condiciones el microtúbulo crecerá en longitud. La velocidad de polimerización, sin embargo, depende de las condiciones del entorno citosólico en las que se encuentre el extremo más del microtúbulo en crecimiento. Si la velocidad de polimerización es ralentizada la velocidad de hidrólisis de GTPs alcanza y supera a la de polimerización. Ello implica que llegará un momento en el que en el extremo más no habrá dímeros de tubulina­-GTP, sino dímeros de tubulina­-GDP, los cuales tienen una adhesión inestable entre ellos cuando se encuentran formando parte del extremo del microtúbulo. Esto provoca una despolimerización masiva y la liberación de los dímeros de tubulina­-GDP. Los dímeros de tubilina-­GDP que quedan libres son convertidos rápidamente en dímeros de tubulina-­GTP y por tanto pueden volver a unirse al extremo más de otro microtúbulo en crecimiento

 

MAP’s

Al igual que ocurre con los filamentos de actina, los microtúbulos tienen asociadas otras proteínas que se encargan de controlar la polimerización y despolimerización, así como su organización espacial. A estas proteínas se les denomina generalmente como proteínas asociadas a los microtúbulos o MAPs (microtubule associated proteins). La mayoría de ellas interaccionan con el extremo más donde controlan la inestabilidad dinámica pudiendo favorecer la despolimerización o el crecimiento alterando la estabilidad del extremo más

Las MAPs también permiten a los microtúbulos interactuar con otros elementos celulares como los orgánulos u otros componentes del citoesqueleto. Existen sustancias externas que se han usado como medicamentos o como toxinas y que ejercen su acción porque afectan a la polimerización o despolimerización de los microtúbulos. Por ejemplo, la colchicina impide la polimerización, mientras que el taxol tiene el efecto contrario, se une fuertemente a los microtúbulos impidiendo su despolimerización

 

MTCO’s

La concentración de dímeros de tubulina que hay normalmente en el citosol no es suficiente para la formación espontánea de microtúbulos. Para que se forme un microtúbulo de nuevo debe ser nucleado o iniciado. Para ello existen los MTOCs (microtubule organizing centers), que son centros organizadores de microtúbulos. Estos son los lugares donde comienza la polimerización de un nuevo microtúbulo y donde suelen estar anclados sus extremos menos. En estos centros existen complejos moleculares especializados en nuclear microtúbulos. El más común de ellos son los anillos de gamma­tubulina, que son estructuras circulares que actúan como moldes sobre los que se inician los nuevos microtúbulos

El principal MTOC en las células animales es el centrosoma, el cual controla el número, localización y orientación de los microtúbulos en el citoplasma. Hay un centrosoma por célula, cuando ésta se encuentra en la fase G1 o G0 del ciclo celular, y se suele localizar cerca del núcleo. El centrosoma está formado por dos componentes: uno central formado por un par de centriolos dispuestos de forma ortogonal y otro periférico. El centrosoma no sólo participa en la polimerización de los microtúbulos sino que también es importante en la regulación del ciclo celular por la presencia en el material pericentriolar de numerosas proteínas que afectan al avance del ciclo celular y por la organización del huso mitótico. La duplicación de los centrosomas antes de llegar a la mitosis es fundamental para producir dos células hijas con «buena salud»

 

Transporte de vesículas y de componentes del citoesqueleto

Los microtúbulos son relativamente inertes en cuanto que no interaccionan directamente con los orgánulos. Los desplazamientos de orgánulos a lo largo de los microtúbulos son producidos por una serie de proteínas especiales llamadas proteínas motoras. Estas proteínas pertenecen a dos familias: quinesinas y dineínas, las cuales se desplazan por el microtúbulo en direcciones opuestas: las quinesinas hacia el extremo más y las dineínas hacia el extremo menos. Tanto unas como otras tienen dos estructuras globulares y una cola. Las zonas globulares unen ATP e interaccionan con los microtúbulos con una orientación determinada, mientras que las colas se unen a las cargas que han de transportar. La cola es lo que determina qué elemento es el transportable. La hidrólisis del ATP en las zonas globulares provoca el cambio estructural de la proteína y su desplazamiento a lo largo del microtúbulo. Además del transporte, las proteínas motoras también están implicadas en dar forma y localizar en lugares determinados de la célula a orgánulos grandes como el complejo de Golgi y el retículo endoplasmático

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Microfilamentos

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Los filamentos de actina se forman por la polimerización de una proteína denominada actina, que puede aparecer en dos variantes: alfa y beta actina. La beta actina es la más frecuente y aparece en la mayoría de las células animales

La actina es una proteína citosólica muy abundante, aproximadamente el 10 % del total de las proteínas citosólicas. Una parte de las moléculas de actina se encuentra formando parte de los filamentos (F­actina) y el resto son proteínas no polimerizadas (Gactina), disueltas en el citosol. Estas proporciones varían según las necesidades celulares, es decir, el número y la longitud de los filamentos de actina cambia por polimerización y despolimerización. Sin la actina una célula no podría dividirse, moverse, realizar endocitosis, ni fagocitosis

Los filamentos de actina poseen unos 7 nm de diámetro. Es el valor más pequeño dentro de los filamentos que componen el citoesqueleto, por ello también se denominan microfilamentos. Poseen un extremo más y otro menos, es decir, son filamentos polarizados. El extremo más se denomina así porque en él predomina la polimerización, adición de nuevas moléculas de actina, respecto a la despolimerización, mientras que en el extremo menos predomina la despolimerización

Es el componente del citoesqueleto más dinámico. Sin embargo, las condiciones y la concentración de actina en el citosol impiden que los monómeros se asocien espontáneamente para formar filamentos. Por ello, la formación de nuevos filamentos es posible gracias a la presencia de complejos proteicos, como los Arp2/3 o las forminas

Una de sus grandes ventajas es la versatilidad con que se crean y se destruyen, así como por su capacidad de asociarse y formar estructuras tridimensionales muy diferentes. Esto es gracias a las denominadas proteínas moduladoras de la actina, de las cuales existen más de 100 diferentes. De hecho, prácticamente no existen ni microfilamentos, ni proteínas de actina, «desnudos» en el citosol, sino siempre unidos a alguna proteína moduladora

 

Proteínas: polimerización

Las proteínas moduladoras se pueden clasificar en diferentes tipos:

  1. a) Afectan a la polimerización. Algunas proteínas, como la profilina, se unen a las proteínas de actina libres y favorecen su unión a filamentos preexistentes, mientras otras, como la timosina, inhiben su unión, evitando la polimerización espontánea
  2. b) Hay proteínas moduladoras, como las fimbrina y la α­actinina, que permiten la formación de haces de filamentos de actina mediante el establecimiento de puentes cruzados entre filamentos, mientras otras, como la filamina, permiten la formación de estructuras reticulares
  3. c) Ciertas proteínas moduladoras, como la cofilina, la katanina o la gesolina, provocan la rotura y remodelación de los filamentos de actina
  4. d) También hay proteínas que median en la interacción de los filamentos de actina con otras proteínas relacionadas, como es el caso de la tropomiosina, que media la interacción entre actina y miosina
  5. e) Las proteínas de anclaje permiten la unión de los filamentos de actina a estructuras celulares como las membranas o a otros componentes del citoesqueleto

 

Funciones y proteínas: motoras

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Movimiento celular. Las células no nadan sino que se desplazan arrastrándose por el medio que las rodea, y ello se hace por un mecanismo de reptación, como ocurre en las células embrionarias durante el desarrollo, en el desplazamiento de las amebas, en la invasión de los linfocitos de los tejidos infectados o en los conos de crecimiento de los axones cuando buscan sus dianas. Se sabe que para el desplazamiento celular se necesitan una serie de pasos: extensión de protrusiones citoplasmáticas hacia la dirección del movimiento, adhesión de éstas al sustrato y arrastre del resto de la célula mediante tracción hacia esos puntos de anclaje. A estas protrusiones se les denomina lamelipodios cuando son de forma aplanada, filopodios cuando son finas y delgadas o lobopodios cuando son gruesas y cilíndricas

Cuando a las células en movimiento se las trata con citocalasinas, inhibidor de la polimerización de los filamentos de actina, las protrusiones desaparecen y el desplazamiento se detiene, luego indica que la actina tiene un papel importante en su formación. De hecho es la polimerización de los filamentos de actina lo que empuja y forma estas protrusiones. En la formación de los lamelipodios participa sobre todo los complejos Arp 2/3 como centros nucleadores de filamentos de actina

Cuando estas expansiones contactan con algún lugar del medio extracelular donde se pueden unir, matriz extracelular o la superficie de otras células, lo hacen gracias a proteínas de adhesión como las integrinas. Una vez anclada, la célula arrastra sus componentes intracelulares hacia el lugar de adhesión gracias a la actina y a proteínas motoras como la miosina

Movimiento intracelular. Los orgánulos se mueven por el interior de la célula y ciertos cambios de la forma celular requieren reorganizar su contenido interno. Los filamentos de actina participan en estos movimientos con ayuda de las proteínas motoras. El movimiento organular intracelular es relevante en las células de las plantas, donde los filamentos de actina se encargan de la mayor parte del movimiento intracelular, mientras que en las células animales es llevado a cabo sobre todo por los microtúbulos, ayudados por los filamentos de actina. Las proteínas motoras que se asocian con al actina para producir movimiento son de la familia de las miosinas. La energía es aportada por el ATP. En las células se encuentran básicamente dos familias de miosinas: tipos I y II

Las moléculas de miosina I tienen una cabeza con la que se unen a los filamentos de actina y una cola para unir otros elementos, los cuales son arrastrados a lo largo del filamento de actina. Aparecen en la mayoría de las células y sirven para el desplazamiento de ciertos orgánulos o para deformar la propia superficie celular

La familia de la miosina II se encuentra fundamentalmente en el músculo, aunque también aparece en otras células. Se suelen asociar en parejas, unidas a través de sus colas. Así, tiene dos cabezas con actividad motora y capacidad de hidrólisis de ATP. Sin embargo, muchas moléculas de miosina se asocian para formar los filamentos gruesos de miosina II del músculo, los cuales tienen una polaridad como una flecha de doble cabeza. En el músculo estriado cada una de estas cabezas arrastra a filamentos de actina hacia el punto intermedio entre ellas, que se traduce en una contracción celular

En el músculo liso actúa otro mecanismo mediante el cual el calcio produce una fosforilación de la miosina II permitiéndole la interacción con la actina. Este último proceso es mucho más lento porque se necesita que las proteínas quinasas lleguen a sus lugares de acción. La actina tiene otra forma de mover orgánulos un tanto extraña: un filamento de actina corto se une a un orgánulo por uno de sus extremos y es la polimerización del filamento de actina, su alargamiento, lo que impulsa al orgánulo a través del citoplasma

Endocitosis, fagocitosis. Los filamentos de actina se encuentran normalmente en los alrededores de la membrana plasmática, en la denominada corteza celular, aunque en menor proporción también aparecen en zonas más internas de la célula. Ésta es una disposición ideal para participar en procesos de endocitosis y fagocitosis. La formación y escisión de vesículas en la membrana plasmática no se realiza si se impide la polimerización de los filamentos de actina. La emisión de las expansiones celulares que engloban a las moléculas que van a ser fagocitadas dependen de la polimerización de filamentos de actina

Citocinesis. El estrangulamiento final del citoplasma durante el proceso de división celular se produce gracias a un anillo de actina, que, ayudado por la miosinas, va estrechando su diámetro progresivamente hasta la separación completa de los dos citoplasmas de las células hijas. En este estrangulamiento participa sobre todo la miosina II. Establecen dominios de membrana. Los filamentos de actina también afectan a la movilidad lateral de las proteínas de membrana creando barreras a modo de cercas en la cara citosólica de la membrana plasmática que delimitan áreas. Esto impide largos desplazamientos laterales por difusión de las proteínas de la membrana

Formación de microvellosidades. Las microvellosidades son expansiones filiformes estables que permiten a la célula aumentar enormemente la superficie de su membrana plasmática (en torno a un 30 %). Aparecen en muchos tipos celulares como las células epiteliales del tubo digestivo, las del tubo contorneado proximal del riñón, y otras muchas. Cada microvellosidad tiene de 1 a 2 µm de longitud y 0.1 µm de diámetro, y contiene en su interior varias docenas de filamentos de actina orientados paralelos al eje longitudinal. Estos filamentos están interconectados por proteínas como la miosina, fimbrina y vilina, por lo que se cree que tienen cierta capacidad de movimiento. Además, se encuentran unidos a la membrana celular por otras proteínas de enlace. En la base de las microvellosidades aparece un entramado llamado red terminal, formado fundamentalmente por actina, espectrina, miosina II y tropomiosina, el cual está conectado a la base de los haces de actina que forman las microvellosidades

 

Aparato de Golgi

El lado receptor del aparato de Golgi se llama la cara cis, y el lado opuesto se llama la cara trans. Las vesículas de transporte que provienen del RE, viajan a la cara cis, se fusionan con ella y vacían su contenido en el lumen del aparato de Golgi

Algunas proteínas se transportan desde el el Golgi a la membrana plasmática, ya sea directamente o a través de endosomas de reciclaje como un compartimiento intermedio. Otras proteínas se transportan a la superficie celular a través de una vía diferente de secreción regulada o bien se dirigen de manera específica a otros destinos celulares, como los endosomas tardíos y los lisosomas en células animales o las vacuolas en las levaduras

Entonces:

  • Endosoma tardío
  • Endosoma reciclado
  • Vesícula secretora

El transporte desde el aparto de Golgi hacia la superficie celular puede darse a través de, al menos, tres vías. La más simple es el transporte directo desde la red Golgi trans a la membrana plasmática, que da lugar a la secreción continua de proteínas celulares, así como la incorporación de proteínas y lípidos a la membrana plasmática

Por otra parte, las proteínas pueden migrar del Golgi hacia la membrana plasmática a través de endosomas de reciclaje que actúan como intermediarios y representan uno de los tres tipos de endosomas caracterizados en las células animales

 

Nanotubos: ultraestructura y dinámica

Dejo un paper sobre este asunto, pues no sé a que se orienta la cátedra con respecto a éste tema ya que es muy extenso y puede tener muchos aspectos a desarrollar

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Bibliografía recomendada:

La Célula, por Cooper & Hausman. 6ta Edición. Capítulo 12

Algunos links:

Quimiotaxis: https://es.wikipedia.org/wiki/Quimiotaxis

Haptotaxis: https://es.wikipedia.org/wiki/Haptotaxis

Inmunoglobulinas y selectinas: https://www.infobiologia.net/2017/08/adhesion-celular.html

Citoesqueleto (muy bueno): atlas-celula-07-citoesqueleto

Sem. BC 6: Compartimentalización celular y dinámica de biomembranas. Síntesis y distribución de macromoléculas

Seminario de integración 6: Compartimentalización celular y dinámica de biomembranas. Síntesis y distribución de macromoléculas

Programa:

– Compartimientos intracelulares: núcleo, citosol, sistema de endomembranas, mitocondrias y peroxisomas. Distribución de organelas por los componentes del citoesqueleto.

-Síntesis y distribución de macromoléculas: Señales de distribución. Formas de pasaje de macromoléculas entre los compartimientos, por compuerta, por transportadores, vesicular.

 

Núcleo

El núcleo (en plural núcleos) alberga el material genético de la célula, el ADN, y es también el lugar donde se producen los ribosomas, las máquinas celulares que sintetizan proteínas. Dentro del núcleo, la cromatina (el ADN envuelto en proteínas que se describe más adelante) es almacenada en una sustancia gelatinosa llamada nucleoplasma

La envoltura nuclear rodea al nucleoplasma y está compuesta de dos capas de membrana: una externa y otra interna. Cada una de estas membranas tiene dos capas de fosfolípidos organizadas con sus colas apuntando hacia el centro (formando una bicapa de fosfolípidos). Existe un pequeño espacio entre las dos capas de la envoltura nuclear, el cual está conectado de manera directa con otro orgánulo membranoso, el retículo endoplásmico

Los poros nucleares son pequeños canales que atraviesan la envoltura nuclear y permiten la entrada y salida de sustancias. Cada poro está recubierto por un conjunto de proteínas, llamado complejo de poro nuclear, que controla qué moléculas pueden entrar o salir

Si miras una microscopía del núcleo, notarás, según el tipo de tinción que se haya utilizado para visualizar la célula, que hay una mancha oscura dentro de él. Esta región oscura es el nucléolo y es el sitio donde se ensamblan los ribosomas nuevos

¿Cómo se produce un ribosoma? Algunos cromosomas tienen secciones de ADN que codifican para ARN ribosomal, un tipo estructural de ARN que se combina con proteínas para crear un ribosoma. En el nucléolo, el ARN ribosomal nuevo se une con proteínas para formar las subunidades del ribosoma. Las unidades recién hechas son transportadas a través de los poros nucleares hacia el citoplasma, donde pueden hacer su trabajo

Algunos tipos de células tienen más de un nucléolo dentro del núcleo. Por ejemplo, algunas células de ratón tienen hasta 6 nucléolos. Los procariontes, que carecen de núcleo, tampoco tienen nucléolos y sus ribosomas se ensamblan en el citosol

Cromosomas y ADN

Ahora que ya tenemos una idea de la estructura del núcleo, veamos con más detalle la información genética que guarda: el ADN. La mayoría del ADN de un organismo está organizado en uno o más cromosomas, cada uno de los cuales es una cadena muy larga o un aro de ADN. Un solo cromosoma puede tener muchos genes diferentes

En los procariontes, el ADN normalmente está organizado en un solo cromosoma circular (un aro). En cambio, en los eucariontes, los cromosomas son estructuras lineales (cadenas). Cada especie eucariota tiene un número específico de cromosomas en los núcleos de las células de su cuerpo. Por ejemplo, una típica célula del cuerpo humano tiene 46 cromosmas, mientras que la de una mosca de la fruta tiene 8

Los cromosomas solo son visibles como estructuras distintivas cuando la célula está lista para dividirse. Cuando la célula se encuentra en las fases de crecimiento y mantenimiento de su ciclo de vida, los cromosomas parecen más bien un montón de hilos enredados. En esta forma, el ADN está accesible para las enzimas que lo transcriben a ARN, lo que permite que se use la información genética que contiene (se exprese)

Ya sea en su forma suelta o compacta, las cadenas de ADN de los cromosomas están unidas a proteínas estructurales, entre ellas una familia de proteínas llamadas histonas. Estas proteínas asociadas al ADN lo organizan y compactan para que pueda caber en el núcleo, y también ayudan a determinar qué genes están activos o inactivos. El complejo formado por el ADN y sus proteínas estructurales de soporte se denomina cromatina. Aprende más acerca del ADN, la cromatina y los cromosomas en el artículo sobre ADN y cromosomas

 

Citosol

El citoplasma es el medio interno celular comprendido entre la membrana plasmática y la membrana nuclear. Está formado por el citosol y los orgánulos

También llamado hialoplasma. Es el citoplasma sin orgánulos o la fracción soluble del citoplasma. Es un medio acuoso o solución coloidal, que puede estar en estado sol (fluido) o gel (viscoso), y constituido por un 85% de agua en la cual están disueltas moléculas como glúcidos, lípidos, aminoácidos, proteínas (sobre todo enzimas), ácidos nucleicos, sales minerales, iones

Funciones del citosol

  • Contiene numerosos orgánulos celulares
  • Constituye el citoesqueleto, que da forma a la célula
  • Regula el pH intracelular
  • En el citosol se desarrollan numerosas e importantes reacciones metabólicas, como la síntesis de proteínas, la glucólisis (1ª etapa de la respiración celular)

Componentes del citosol

Los componentes del citosol son los ribosomas, inclusiones citoplasmáticas y el citoesqueleto

  • Ribosomas

Son complejos macromoleculares visibles al microscopio electrónico, formados por dos subunidades y compuestos por ARNr y proteínas. Existen dos tipos de ribosomas según su velocidad de sedimentación:

  • En células procariotas, en mitocondrias y cloroplastos, los ribosomas son 70S y se encuentran libres
  • En células eucariotas, los ribosomas son 80S y pueden encontrarse libres en el citosol o asociados a la membrana externa del retículo endoplasmático formando el retículo endoplasmático rugoso
  • Inclusiones citoplasmáticas

Son acumulaciones de sustancias de carácter hidrófobo, que no se disuelven en el hialoplasma y que no están rodeadas de membrana. Suelen ser sustancias con función de reserva energética, pigmentos con función protectora o sin ninguna función ya que son los productos finales de la degradación de otros pigmentos, o proteínas precipitadas debido a su excesiva concentración.

  1. a) Inclusiones de reserva: En células animales las principales son de glucógeno, melanina y lípidos. En células vegetales destacan las gotas de grasa en semillas, aceites esenciales, como el geraniol, mentol, el látex
  2. b) Pigmentos: Sustancias coloradas presentes en tejidos animales
  3. c) Proteínas precipitadas: Generalmente son productos de desecho
  • Citoesqueleto

El citoesqueleto es una red fibrosa que equivale al esqueleto interno de la célula. Es responsable de la organización interna de la célula, de su forma y del movimiento. Está formado por proteínas fibrilares del citosol que se organizan en microtúbulos, filamentos intermedios y microfilamentos

 

Sistema de endomembranas

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¿Qué es el sistema endomembranoso?

El sistema endomembranoso (endo = «dentro») es un grupo de membranas y organelas en las células eucariontes que trabajan en conjunto para modificar, empacar y transportar lípidos y proteínas. Incluye una variedad de organelas, tales como la envoltura nuclear y los lisosomas, que probablemente ya conozcas, y el retículo endoplásmico y aparato de Golgi, que veremos más adelante

Aunque técnicamente no está dentro de la célula, la membrana plasmática también es parte del sistema endomembranoso. Como veremos, la membrana plasmática interactúa con los demás organelas endomembranosas y es el lugar donde se exportan las proteínas de secreción (como las enzimas pancreáticas de la introducción). Nota importante: el sistema endomembranoso no incluye las mitocondrias, cloroplastos o peroxisomas

Echemos un vistazo a las diferentes partes del sistema endomembranoso y cómo funcionan en el transporte de proteínas y lípidos

El retículo endoplásmico

El retículo endoplásmico (RE) desempeña un papel clave en la modificación de proteínas y la síntesis de lípidos. Consta de una red de túbulos membranosos y sacos aplanados. Los discos y los túbulos del RE son huecos y el espacio en su interior se llama lumen

 

RE rugoso (RER/REG)

El retículo endoplásmico rugoso (RE rugoso) obtiene su nombre de los ribosomas adheridos a su superficie citoplasmática. A medida que los ribosomas sintetizan proteínas, las cadenas proteicas recién formadas entran al lumen. Algunas de ellas ingresan completamente al RE y flotan en el interior, mientras que otras se anclan a la membrana

Dentro del RE, las proteínas se pliegan y sufren modificaciones, tales como la adición de cadenas laterales de carbohidrato. Estas proteínas modificadas se incorporarán a las membranas de la célula, ya sea del RE o de otros organelos, o serán secretadas por la célula

Si las proteínas modificadas no están destinadas a permanecer en el RE, serán empaquetadas en vesículas, o pequeñas esferas membranosas que se usan para transporte, y luego enviadas al aparato de Golgi. El RE rugoso también fabrica fosfolípidos para otras membranas celulares, que se transportan cuando se forma la vesícula

Dado que el RE rugoso ayuda a modificar las proteínas que secretará una célula, las células que secretan grandes cantidades de enzimas u otras proteínas, como las células hepáticas, tienen mucho RE rugoso

 

RE liso (REL)

El retículo endoplásmico liso (RE liso) es una continuación del RE rugoso, pero tiene pocos o ningún ribosoma sobre su superficie citoplasmática. Las funciones del RE liso incluyen:

La síntesis de carbohidratos, lípidos y hormonas esteroideas

La desintoxicación de medicamentos y venenos

El almacenamiento de iones calcio

En las células musculares, un tipo especial de RE liso llamado retículo sarcoplásmico se encarga de almacenar los iones calcio que se requieren para desencadenar su contracción coordinada

También hay pequeñas secciones de RE «liso» dentro del RE rugoso. Estas zonas sirven como sitios de salida para las vesículas que se desprenden del RE rugoso y se llaman RE de transición

 

El aparato de Golgi

Cuando las vesículas se desprenden del RE, ¿a dónde van? Antes de llegar a su destino final, es necesario clasificar, empacar y etiquetar los lípidos y proteínas en las vesículas de transporte para que lleguen al lugar correcto. Estas actividades suceden en el aparato de Golgi (cuerpo de Golgi), un organela formado de discos membranosos aplanados

El lado receptor del aparato de Golgi se llama la cara cis, y el lado opuesto se llama la cara trans. Las vesículas de transporte que provienen del RE, viajan a la cara cis, se fusionan con ella y vacían su contenido en el lumen del aparato de Golgi

A medida que las proteínas y lípidos viajan a través del Golgi, pueden sufrir modificaciones adicionales. Se pueden agregar o eliminar cadenas cortas de azúcares o agregar grupos fosfato a manera de etiqueta

Finalmente, las proteínas modificadas se clasifican (de acuerdo con marcadores como secuencias de aminoácidos y etiquetas químicas), y se empacan en vesículas que brotan del lado trans del aparato de Golgi. Algunas de estas vesículas entregan su contenido a otras partes de la célula donde este será utilizado, como sería un lisosoma o una vacuola. Otras se fusionan con la membrana plasmática y entregan las proteínas unidas a la membrana que ahí realizan su función o liberan las proteínas de secreción fuera de la célula

Las células que secretan proteínas -como las células de las glándulas salivales que secretan enzimas digestivas, o las células del sistema inmunológico que secretan anticuerpos- tienen muchos aparatos de Golgi. En las plantas, el aparato de Golgi además fabrica polisacáridos (carbohidratos de cadena larga), algunos de los cuales se incorporan a la pared celular

Lisosomas

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El lisosoma es un organela que contiene enzimas digestivas y funciona como la instalación de reciclaje de los organelas de una célula animal. Rompe las estructuras viejas e innecesarias para que sus moléculas se puedan reutilizar. Los lisosomas son parte del sistema endomembranoso, y algunas vesículas que abandonan el Golgi están destinadas al lisosoma

Los lisosomas también pueden digerir partículas extrañas que ingresan a la célula desde el exterior. Como ejemplo, consideremos un tipo de glóbulo blanco llamado macrófago, que es parte del sistema inmunológico humano. En un proceso conocido como fagocitosis, una sección de la membrana plasmática del macrófago se invagina, se pliega hacia adentro, para engullir un patógeno

La sección invaginada, con el patógeno adentro, se desprende de la membrana plasmática para formar una estructura llamada fagosoma. El fagosoma luego se fusiona con un lisosoma, y forma un compartimento combinado en el que las enzimas digestivas destruyen al patógeno

 

Vacuolas

Las plantas no tienen lisosoma. En cambio, tienen otro tipo de organela llamado vacuola. La gran vacuola central almacena agua, aísla materiales peligrosos, y contiene enzimas que pueden descomponer macromoléculas y componentes celulares, como las de un lisosoma

Las vacuolas de las plantas también tienen un papel en el equilibrio osmótico y se pueden usar para almacenar compuestos como toxinas y pigmentos

 

Mitocondrias

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A las mitocondrias a menudo se les llama las centrales energéticas o fábricas de energía de la célula. Su función es producir un suministro constante de trifosfato de adenosina (ATP), la molécula energética principal de la célula. Al proceso de producir ATP a partir de moléculas de combustible como los azúcares se le llama respiración celular y muchos de sus pasos suceden dentro de las mitocondrias

Las mitocondrias están suspendidas en el citosol gelatinosa de la célula. Tienen forma ovalada y dos membranas: una externa, que rodea el todo la organela, y una interna, con muchos pliegues hacia el interior llamados crestas que aumentan la superficie

El espacio entre las membranas se conoce como espacio intermembranoso, y el compartimento encerrado por la membrana interna se llama la matriz mitocondrial. La matriz contiene ADN mitocondrial y ribosomas

Aunque las mitocondrias se encuentran en la mayoría de las células humanas (así como en la mayoría de los tipos de células en otros animales y plantas), su número varía según la función de la célula y la energía que necesita. Las células musculares, por ejemplo, generalmente requieren grandes cantidades de energía y mitocondrias, mientras que los glóbulos rojos, que están muy especializados para transportar oxígeno, carecen de mitocondrias por completo

 

Peroxisomas

Los peroxisomas son orgánelos citoplasmáticos muy comunes en forma de vesículas que contienen oxidasas y catalasas. Como la mayoría de los orgánelos, los peroxisomas solo se encuentran en células eucariotas

Los peroxisomas son esenciales en el metabolismo lipídico, en especial en el acortamiento de los ácidos grasos de cadena muy larga, para su completa oxidación en las mitocondrias, y en la oxidación de la cadena lateral del colesterol, necesaria para la síntesis de ácidos biliares; también interviene en la síntesis de ésteres lipídicos del glicerol (fosfolípidos y triglicéridos) e isoprenoides; también contienen enzimas que oxidan aminoácidos, ácido úrico y otros sustratos utilizando oxígeno molecular con formación de agua oxigenada ,por esa reacción molecular tomó el nombre de peroxisoma

 

Distribución de organelas por los componentes del citoesqueleto

Los microtúbulos se pueden clasificar en dos grandes grupos: aquellos que son estables, presentes en los cilios y flagelos, y otros más dinámicos y cambiantes que se encuentran en el citosol. Aparte del papel de los microtúbulos citosólicos en el movimiento de los cromosomas, mediante la formación del huso mitótico, que se verá más adelante, participan en el movimiento de orgánulos como las mitocondrias, lisosomas, pigmentos, gotas de lípidos, etcétera. Son también necesarios para dirigir el tráfico vesicular. Cuando se observan células en cultivo con el microscopio, los orgánulos visibles muestran movimientos rápidos en direcciones específicas intercalados con periodos de inactividad. A estos movimientos se les llama saltatorios. En las células de las plantas la mayoría de estos movimientos celulares internos son provocados por los filamentos de actina. Sin embargo, los microtubulos que se disponen en la zona cortical del citoplasma parecen importantes para determinar la orientación de las fibras de celulosa, lo que determina el crecimiento de la pared celular y por tanto de la propia célula

Los microtúbulos son relativamente inertes en cuanto que no interaccionan directamente con los orgánulos. Los desplazamientos de orgánulos a lo largo de los microtúbulos son producidos por una serie de proteínas especiales llamadas proteínas motoras. Estas proteínas pertenecen a dos familias: quinesinas y dineínas, las cuales se desplazan por el microtúbulo en direcciones opuestas: las quinesinas hacia el extremo más y las dineínas hacia el extremo menos. Tanto unas como otras tienen dos estructuras globulares y una cola. Las zonas globulares unen ATP e interaccionan con los microtúbulos con una orientación determinada, mientras que las colas se unen a las cargas que han de transportar. La cola es lo que determina qué elemento es el transportable. La hidrólisis del ATP en las zonas globulares provoca el cambio estructural de la proteína y su desplazamiento a lo largo del microtúbulo. Además del transporte, las proteínas motoras también están implicadas en dar forma y localizar en lugares determinados de la célula a orgánulos grandes como el complejo de Golgi y el retículo endoplasmático. Cuando se añade colchicina, que despolimeriza a los microtúbulos, ambos orgánulos colapsan y se transforman en pequeñas vesículas que se dispersan por el citoplasma. Cuando se elimina la droga y vuelven a polimerizar los microtúbulos, ambos orgánulos vuelven a sus posiciones y formas características Ello indica que en sus membranas existen proteínas que son reconocidas por las proteínas motoras

 

Síntesis y distribución de macromoléculas: Señales de distribución. Formas de pasaje de macromoléculas entre los compartimientos, por compuerta, por transportadores, vesicular

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Las proteínas, al igual que los lípidos y los polisacáridos, son transportadas desde el aparato de Golgi a sus destinos finales a través de la vía secretora. Esto implica que las proteínas se distribuyan en diferentes tipos de vesículas de transporte, las cuales saldrán por gemación desde la red trans del Golgi y llevarán su contenido hasta la localización celular adecuada. Algunas proteínas se transportan desde el Golgi a la membrana plasmática, ya sea directamente o a través de endosomas de reciclaje como un compartimiento intermedio. Otras proteínas se transportan a la superficie celular a través de una vía diferente de secreción regulada o bien se dirigen de manera específica a otros destinos celulares, como los endosomas tardíos y los lisosomas en células animales o las vacuolas en las levaduras

Entonces:

  • Endosoma tardío
  • Endosoma reciclado
  • Vesícula secretora

El transporte desde el aparto de Golgi hacia la superficie celular puede darse a través de, al menos, tres vías. La más simple es el transporte directo desde la red Golgi trans a la membrana plasmática, que da lugar a la secreción continua de proteínas celulares, así como la incorporación de proteínas y lípidos a la membrana plasmática

Por otra parte, las proteínas pueden migrar del Golgi hacia la membrana plasmática a través de endosomas de reciclaje que actúan como intermediarios y representan uno de los tres tipos de endosomas caracterizados en las células animales

Además de estas vías, que hacen posible una secreción proteica desregulada continua, algunas células poseen una via secretora regulada diferente de secreción de proteínas específicas como respuesta a señales ambientales. Algunos ejemplos de ella serían la liberación de hormonas por parte de células endocrinas, la liberación de neurotransmisores  por parte de las neuronas y la liberación de enzimas digestivas por parte de las células acinares pancreáticas

(La Célula, por Cooper & Hausman. 6ta Edición. Páginas 403 y 404, 380 en algunas ediciones)

 

Links

https://es.khanacademy.org/science/biology/structure-of-a-cell/prokaryotic-and-eukaryotic-cells/a/nucleus-and-ribosomes

http://www.edu.xunta.gal/centros/iespuntacandieira/system/files/09_El_citoplasma._Citosol_y_organulos.pdf

https://es.khanacademy.org/science/biology/structure-of-a-cell/tour-of-organelles/a/the-endomembrane-system

https://es.wikipedia.org/wiki/Peroxisoma

https://mmegias.webs.uvigo.es/5-celulas/7-microtubulos.php

 

Bibliografía recomendada:

La Célula, por Cooper & Hausman. 6ta Edición. Capítulo 10

Sem. BC 5: Técnicas

Seminario de integración 5: Técnicas

Programa:

-Extracción de ADN; Electroforesis de acidos nucleicos y proteínas; fraccionamiento subcelular
-Técnicas de estudio de localización y función de proteínas: fraccionamiento subcelular; Inmunohistoquímica/inmunofluorescencia; Western blot
-Fundamentos de PCR como modelo de replicación del ADN in vitro.
-Introducción a técnicas de ADN recombinante (generación de proteínas de fusión; vectores de expresión;animales transgénicos, método de CRISPR-cas, como herramientas de estudio de la función génica;
Fundamentos, utilidades y aplicaciones.

 

Separación de fragmentos (electroforesis)

Para la visualización de los fragmentos de ADN se utiliza la electroforesis en una solución de agarosa o filtros de nitrocelulosa. Esto es colocar los fragmentos obtenidos, luego del corte, en geles de agarosa. Estos geles forman mallas que deben ser atravesadas por los fragmentos de ADN

El ADN avanza hacia el ánodo positivo ya que está constituido por muchas cargas negativas. Las partículas de ADN de menor tamaño son las que se mueven a mayor velocidad ya que pueden atravesar las mallas de agarosa más fácilmente. A la solución se le agrega un colorante que sirve de guía para saber cómo avanza la electroforesis, luego al gel se le agrega un colorante fluorescente sometiendo la solución a luz ultravioleta permitiendo fotografiar

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Identificación de fragmentos de ADN (Sondas del ADN-Blotting)

Luego del corte, re-pegado y selección de los fragmentos de ADN, se puede identificar cada fragmento de ADN mediante una electroforesis con todos los fragmentos, estos se van a superponer entre sí generando una apariencia homogénea de mancha extendida, donde no se identifica ninguna clase de fragmento

Para solucionar esto se agrega a una solución alcalina que permite desnaturalizar las hebras de ADN, y luego se dispone de una cadena simple con una secuencia conocida a la que se rotula como marcador, esta secuencia conocida y rotulada se denomina sonda del ADN. Una sonda es un fragmento de entre 50 pb y hasta 2 kb que puede ser de ADN o ARN, esta se une específicamente por complementariedad de bases a un fragmento de ácido nucleico a detectar. Es decir, se denomina así porque permite sondear un mar de fragmentos y sólo se unirá a uno que posea la secuencia complementaria de bases. Luego de la unión (hibridación) puede observarse gracias a la radiación emitida por el marcador

Si se coloca una membrana de nylon sobre el gel con la mancha electroforética y se comprime sobre este, una cantidad de fragmentos se pegan a la membrana, llamándose impronta (huella) o blot (inglés)

Esto fue inventado por Edwin Southern en 1975 por lo que se denomina Southern blot. Existen técnicas similares para el ARN (Northern blot) y proteínas (Western blot)

 

Inmunohistoquímica

La inmunohistoquímica es un procedimiento que tiene como objetivo detectar, amplificar y hacer visible un antígeno específico, que generalmente es una proteína. Esta técnica permite identificar la localización de una sustancia específica a nivel tisular o celular. Se basa en la utilización de anticuerpos que se unen específicamente a una sustancia que se quiere identificar (antígeno primario)

Estos anticuerpos pueden tener unida una enzima o esta puede encontrarse unida a un anticuerpo secundario que reconoce y se une al primario

Aplicado a un tejido orgánico, el anticuerpo primario se une específicamente al sustrato y se aprovecha la actividad enzimática para visualizar la unión. De esta manera se consigue un complejo sustrato-anticuerpos-enzima unido al lugar donde se encuentre el sustrato y mediante la activación de la enzima con la adición de su sustrato se genera un producto identificable donde se encuentre el complejo

 

Inmunohistofluorescencia

La inmunofluorescencia es una técnica utilizada para microscopía óptica con un microscopio de fluorescencia y se utiliza principalmente en muestras microbiológicas. Esta técnica utiliza la especificidad de los anticuerpos frente a su antígeno para dirigir los colorantes fluorescentes a dianas de biomoléculas específicas dentro de una célula, y por lo tanto permite la visualización de la distribución de la molécula objetivo a través de la muestra. La región específica que reconoce un anticuerpo sobre un antígeno se denomina epítopo

Se han realizado esfuerzos en el mapeo de epítopos ya que muchos anticuerpos pueden unir el mismo epítopo y los niveles de unión entre anticuerpos que reconocen el mismo epítopo pueden variar. Además, la unión del fluoróforo al anticuerpo en sí no puede interferir con la especificidad inmunológica del anticuerpo o la capacidad de unión de su antígeno

La inmunofluorescencia es un ejemplo ampliamente utilizado de inmunotinción (que usa anticuerpos para teñir proteínas) y es un ejemplo específico de inmunohistoquímica (el uso de la relación anticuerpo-antígeno en los tejidos). Esta técnica utiliza principalmente fluoróforos para visualizar la ubicación de los anticuerpos

 

Western blot

El Western blot, inmunoblot o electrotransferencia, es una técnica analítica usada en biología celular y molecular para identificar proteínas específicas en una mezcla compleja de proteínas, tal como la que se presenta en extractos celulares o de tejidos. La técnica utiliza tres etapas para lograr esto: separación por tamaño, transferencia a un soporte sólido y, finalmente, visualización mediante la marcación de proteínas con el uso de anticuerpos primarios o secundarios apropiados

Mediante una electroforesis en gel se separan las proteínas atendiendo al criterio que se desee: peso molecular, estructura, hidrofobicidad, etc. Hay casi tantas posibilidades como tipos de electroforesis existen. Luego son transferidas a una membrana adsorbente (típicamente de nitrocelulosa o de PVDF) para poder buscar la proteína de interés con anticuerpos específicos contra ella. Finalmente, se detecta la unión antígeno-anticuerpo por actividad enzimática o fluorescencia, entre otros métodos. De esta misma forma se puede estudiar la presencia de la proteína en el extracto y analizar su cantidad relativa respecto a las otras proteínas

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PCR

Su objetivo es obtener un gran número de copias de un fragmento de ADN  particular, partiendo de un mínimo; en teoría basta partir de una única copia de ese fragmento original, o molde. Esta técnica sirve para amplificar un fragmento de ADN; su utilidad es que tras la amplificación resulta mucho más fácil identificar con una muy alta probabilidad, virus o bacterias causantes de una enfermedad, identificar personas (cadáveres) o hacer investigación científica sobre el ADN amplificado

Elementos necesarios

  • Los 4 desoxirribonucleótidos-trifosfato (dNTP), sustratos para polimerizar nuevo ADN.
  • Dos cebadores o iniciadores (primers), oligonucleótidos que son, cada uno, complementarios a una de las dos hebras del ADN. Son secuencias cortas, que permiten que la polimerasa inicie la reacción. Deben estar enfrentados y no a mucha distancia. Delimitan la zona de ADN a amplificar, es decir, corresponden a los nucleótidos que definen los extremos de la secuencia que se desea replicar.
  • Iones divalentes. Se suele usar magnesio (Mg2+)
  • Iones monovalentes, como el potasio
  • Una solución tampón o buffer que mantiene el pH adecuado para el funcionamiento de la ADN polimerasa.
  • ADN polimerasa o mezcla de distintas polimerasas con temperatura óptima alrededor de 70 °C (la más común es la polimerasa Taq).
  • ADN molde, que contiene la región de ADN que se va a amplificar.
  • Termociclador, el aparato que mantiene la temperatura necesaria en cada una de las etapas que conforman un ciclo

Pasos

– INICIO: Consiste en llevar la reacción hasta una temperatura de 94-96 °C (ó 98 °C si se está usando una polimerasa termoestable extrema), que se mantiene durante 1-9 minutos. Esto sólo es necesario para ADN polimerasas que requieran activación por calor

– DESNATURALIZACIÓN: En primer lugar, se desnaturaliza el ADN (se separan las dos cadenas de las cuales está constituido). Este paso puede realizarse de diferentes modos, siendo el calentamiento (94-95 °C) de la muestra la forma más habitual

– ALINEAMIENTO O UNIÓN DEL CEBADOR: A continuación, el cebador se unirá a su secuencia complementaria en el ADN molde. Para ello es necesario bajar la temperatura a 40-68 °C durante 20-40 segundos (según el caso), permitiendo así el alineamiento. Los puentes de hidrógeno estables entre las cadenas de ADN (unión ADN-ADN) sólo se forman cuando la secuencia del cebador es muy similar a la secuencia del ADN molde. La polimerasa une el híbrido de la cadena molde y el cebador, y empieza a sintetizar ADN. Los cebadores actuarán como límites de la región de la molécula que va a ser amplificada

– EXTENSIÓN O ELONGACIÓN DE LA CADENA: En esta etapa actúa la polimerasa, tomando el ADN molde para sintetizar la cadena complementaria y partiendo del cebador como soporte inicial necesario para la síntesis de nuevo ADN. La polimerasa sintetiza una nueva hebra de ADN complementaria a la hebra molde añadiendo los dNTP complementarios en dirección 5’→ 3′, uniendo el grupo 5′-fosfato de los dNTP con el grupo 3′-hidroxilo del final de la hebra de ADN creciente (la cual se extiende). La temperatura para este paso depende del ADN polimerasa que usemos. Para la polimerasa Taq, la temperatura de máxima actividad está en 75-80 °C (comúnmente 72 °C). El tiempo de extensión depende tanto de la ADN polimerasa usada como de la longitud del fragmento de ADN que se va a amplificar

– ELONGACIÓN FINAL: Se lleva a cabo a una temperatura de 70-74 °C durante 5-15 minutos tras el último ciclo de PCR. Con ella se asegura que cualquier ADN de cadena simple restante sea totalmente ampliado

– CONSERVACIÓN: Este paso, que se lleva a cabo a 4-15 °C durante un tiempo indefinido para conservar la reacción a corto plazo.

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Proteínas de fusión

Las proteínas de fusión o proteínas quiméricas son aquellas formadas a partir de la traducción de dos o más genes previamente independientes que se han unido bien por algún proceso natural o artificialmente en el laboratorio. Cada uno de estos genes habría dado lugar, originalmente, a una proteína independiente.

Las proteínas de fusión presentan propiedades diferentes a las de las proteínas originales. Las obtenidas artificialmente se consiguen empleando tecnología de ADN recombinante, es decir uniendo 2 o más fragmentos de ADN previamente independientes, y se utilizan en distintos campos, por ejemplo en medicina como medicamentos o con fines de investigación.

Las proteínas de fusión naturales pueden producirse espontáneamente en diferentes circunstancias, por ejemplo en ciertos tipos de cáncer como la leucemia mieloide crónica

 

Vectores de expresión

El vector (plásmido o virus) se utiliza para introducir un gen específico en una célula diana, guiando a la célula en los mecanismos de síntesis proteica. Los vectores de expresión génica están diseñados para contener secuencias reguladoras que actúan como regiones promotoras y potenciadoras, que conducen a la transcripción eficaz del gen transportado.

El objetivo de un vector de expresión bien diseñado es la producción de una cantidad significativa de RNA mensajero estable, y por lo tanto de proteínas. Los vectores de expresión son herramientas básicas para la biotecnología y la producción de proteínas. Un ejemplo es la insulina que se utiliza para tratamientos médicos de la diabetes.

 

Animales transgénicos

¿Cómo obtener un animal transgénico?

Existen tres maneras de modificar genéticamente un animal. La primera es la ‘microinyección’. Esta técnica es fácilmente aplicable a gran variedad de especies. El problema de ella es que el transgen se inserta al azar, por ello solo un 5% de los ovulos dan lugar a un animal vivo.

En esta técnica se provoca una sobreovulación de las hembras para asegurar el proceso, se extraen los óvulos que son fecundados in vitro. En el núcleo de esos óvulos se inyecta el nuevo transgen. Los óvulos modificados se reintroducen en las hembras, previamente tratadas con hormonas que induzcan el momento adecuado de su ciclo ovárico para recibir el embrión y que el embarazo progrese

La segunda técnica son los retrovirus como vector. Con esta técnica se consigue que el transgen esté presente en todas las células del individuo, pero, como en el caso de la microinyección, el gen también se inserta al azar. En esta técnica se elige un virus benigno y se atenúa hasta eliminar su carga viral. Se inserta en el virus el transgen. El virus actúa como un transporte de este transgen y cuando comienza a replicarse en el interior de las células el transgen se libera. La problemática de esta técnica es que el virus utilizado se reproduzca en el organismo y pueda dar lugar a enfermedades

Por último está el uso de células madre embrionarias. Es el método menos aleatorio y se utiliza cuando es importante dirigir las secuencias genéticas a lugares específicos.

Es posible modificar geneticamente las células cuando estas están en cultivo. Estas modificaciones pueden ser eliminar o sustituir un gen. Las células modificadas son inyectadas en un los embriones en fase blastocisto. Los individuos que se originan portan el gen solo en un porcentaje de sus células

 

¿Qué usos tienen los animales transgénicos?

A nivel comercial, el uso es diverso. Desde los años 80 la transgénesis ha permitido a los científicos investigar en la mutación de ciertas especies con el fin de que el beneficio de sus producciones animales sea mayor.  Por ejemplo, se implantan transgenes para fortalecer el sistema inmunológico del animal y hacerlo resistente o inmune a ciertas enfermedades. En ciertos casos la inmunidad puede transmitirse a sus descendientes. En otros casos se les implantan hormonas del crecimiento para que crezcan más y a mayor velocidad

Con fines terapeúticos la modificación genética de animales se utiliza para avanzar en el tratamiento de enfermedades o generar medicamentos. Para el estudio de enfermedades se aísla el gen humano causante de la enfermedad y se inserta en el animal, para que este desarrolle la enfermedad de la misma manera que lo haría un humano. Estos animales transgénicos también pueden utilizarse como ‘bioreactores’. Son animales capaces de producir medicamentos o proteínas humanas que ayuden a tratar ciertas enfermedades. Esta técnica, llamada ‘pharming’, se introduce la porción de ADN que codifica ese producto en partícula en el animal para que la produzca. Esta técnica se utiliza, por ejemplo, para la producción de insulina

 

CRISPR/Cas9

La tecnología CRISPR/Cas9 es una herramienta molecular utilizada para “editar” o “corregir” el genoma de cualquier célula. Eso incluye, claro está, a las células humanas. Sería algo así como unas tijeras moleculares que son capaces de cortar cualquier molécula de ADN haciéndolo además de una manera muy precisa y totalmente controlada.  Esa capacidad de cortar el ADN es lo que permite modificar su secuencia, eliminando o insertando nuevo ADN.

Todo comienza con el diseño de una molécula de ARN (CRISPR o ARN guía) que luego va  a ser insertada en una célula. Una vez dentro reconoce el sitio exacto del genoma donde la enzima Cas9 deberá cortar.

El proceso de editar un genoma con CRISPR/Cas9 incluye dos etapas. En la primer atapa el ARN guía se asocia con la enzima Cas9. Este ARN guía es específico de una secuencia concreta del ADN, de tal manera que por las reglas de complementariedad de nucleótidos se hibridará en esa secuencia (la que nos interesa editar o corregir). Entonces actúa Cas9, que es una enzima endonucleasa (es decir, una proteína que es capaz de romper un enlace en la cadena de los ácidos nucléicos), cortando el ADN. Básicamente podemos decir que el ARN guía actúa de perro lazarillo llevando a Cas9, el ejecutor, al sitio donde ha de realizar su función.

En la segunda etapa se activan al menos dos mecanismos naturales de reparación del ADN cortado. El primero llamado indel (inserción-deleción) hace que, después del sitio de corte (la secuencia específica del ADN donde se unió el ARN guía), bien aparezca un hueco en la cadena, bien se inserte un trocito más de cadena. Esto conlleva a la perdida de la función original del segmento de ADN cortado.

Un segundo mecanismo permite la incorporación de una secuencia concreta exactamente en el sitio original de corte. Para esto, lógicamente, hemos de darle a la célula la secuencia que queremos que se integre en el ADN.

Desde 2013, el sistema CRISPR/Cas se ha utilizado para la edición de genes (agregando, interrumpiendo o cambiando las secuencias de genes específicos) y para la regulación génica en varias especies. Al administrar la proteína Cas9 y los ARN guía apropiados a una célula, el genoma de esta puede cortarse en los lugares deseados, cuyas secuencias serán complementarias a las de los ARN guía utilizados. Esto permite la eliminación funcional de genes o la introducción de mutaciones (tras la reparación del corte realizado por la maquinaria celular de reparación del ADN) para estudiar sus efectos. Modificaciones recientes del sistema CRISPR/Cas9 permiten también actuar sobre la transcripción de los genes, modificando así solo su nivel de funcionamiento, pero no la información genética.

 

*Aclaración: para este seminario, recomiendo la lectura de papers, artículos de Internet, documentos, archivos, etc. ya que son muchísimo más y mejor desarrollados y extensos en estos

Links:

Electroforesis: https://es.khanacademy.org/science/biology/biotech-dna-technology/dna-sequencing-pcr-electrophoresis/a/gel-electrophoresis

Inmunohistoquimíca: https://es.wikipedia.org/wiki/Inmunohistoqu%C3%ADmica

Inmunohistoflurescencia: https://en.wikipedia.org/wiki/Immunofluorescence

Western blot: https://es.wikipedia.org/wiki/Western_blot

PCR: https://es.wikipedia.org/wiki/Reacci%C3%B3n_en_cadena_de_la_polimerasa

PCR:https://es.khanacademy.org/science/biology/biotech-dna-technology/dna-sequencing-pcr-electrophoresis/a/polymerase-chain-reaction-pcr

PCR: http://www.equiposylaboratorio.com/sitio/contenidos_mo.php?it=16764

Secuenciación del ADN: https://es.khanacademy.org/science/biology/biotech-dna-technology/dna-sequencing-pcr-electrophoresis/a/dna-sequencing

Proteínas de fusión: https://es.wikipedia.org/wiki/Prote%C3%ADna_de_fusi%C3%B3n

Vectores de expresión: http://www.solmeglas.com/es/118-vectores-de-expresion-genica-y-kits-

Animales transgénicos: http://www.teinteresa.es/ciencia/animales-transgenicos_0_1128489010.html

CRISPR/Cas9: http://www.dciencia.es/que-es-la-tecnologia-crispr-cas9/

CRISPR/Cas9: https://es.wikipedia.org/wiki/CRISPR

Sem. BC 4: Regulación de la expresión génica II

Seminario de Integración 3 y 4: Regulación de la expresión génica

Programa:

-Flujo de la información genética. Mecanismos de transcripción y maduración de los ARNs. Mecanismos de traducción del ARNm. Puntos regulables de control.
-Control pretranscripcional, transcripcional y postranscripcional de la expresión génica en células eucariotas. Control combinatorio de la transcripción mediado por múltiples factores específicos y cofactores. Regulación de la expresión génica con efectos de larga duración.
-Relación entre la estructura cromatínica y la transcripción. Remodelación de la cromatina. Metilación del ADN. Acetilación/desacetilación de histonas.Splicing alternativo y su regulación. Regulación de la transcripción por ARNs no codificantes.

 

Procesamiento del mARN

  • Modificaciones del extremo 5’
  • Splicing
  • Modificaciones del extremo 3’

*Cotranscripcionales: ocurren al mismo tiempo

Sinónimos: transcripto primario/inmaduro/pre –mARN/hnARN

*Modificación del capding ocurre 25 (aporximadamente) nucleótidos después de iniciada la transcripción: parte 5’ está asociada a ARN pol. II: enlace fosfodiester

CBC: complejo de unión al cap:

  • Evita degradación por exonucleasas (confiere estabilidad)
  • Permite transporte a través de los poros nucleares (exportación)
  • Interacción con subunidad menor del ribosoma

cap

*Modificación del extremo 3’:

  • Se reconoce secuencia y se “corta”, eventualmente termina la traducción
  • -poly-A blinding preoteins: regulan estabilidad del mARN y el inicio de la traducción

adicion poli A

*Splicing del mARN: genes encontrados: discontinuos

 

  • Exones: forman parte del mARN: cortos (150 nucleótidos en humanos)
  • Intrones: no forman parte del mARN: mucho más largos (3.500)

ex e intr

  • Mecanismos moleculares: snARN/ARNs pequeños nucleares: U1, U2, U4, U4, U6 ->moléculas que se aparean con las bases del complejo consenso snRNP (“snurps”)

Snurps: complementariedad de bases -> críticos en remoción de intrones

Splicesoma: reconoce secuencia consenso y cataliza las reacciones del Splicing

 

ARN + proteínas: ribonucleoproteínas -> protege estabilidad intermedia mARN

ARN: actividad catalítica en los ribosomas

Complejo de unión de exones: queda adherido donde se produce corte de intrones

 

Splicing: poquísimos errores

Splicing alternativo: generar diferentes proteínas a partir de una secuencia de ADN que genera diferentes mARNs

  • Ocurre en el 75% de los genes humanos
  • Aumenta capacidad codificante del genoma
  • Variantes suelen ser tejidos específicos

splycing alternativo

Tipos de Splicing alternativos:

  • Exon Skipping: 38%
  • Sitios Splicing alternativos 5’: 18%
  • Sitios Splicing alternativos 3’: 8%
  • Retención de intrón: 3%
  • Mutualmente excluyente: ¿?%, puede estar A, pero no B y viceversa

Proteínas reguladoras del Splicing:

  • Represor: reprime Splicing
  • Activador: activa lugares poco activos

 

*Exportación mARN maduro:

Mature_mRNA

UTR: regiones que no se traducen (exónico)

ORF: secuencia de ARN comprendida entre un codón de inicio (AUG) de la traducción y un codón de terminación, descontando las secuencias que corresponden a los intrones, en caso de haberlas.

eIF (factor iniciación eucarionte): se asocian al CAP, interactúa con CAP y cola poli-A

mARN maduro adopta forma de círculo (une CAP y cola poli-A)

Polisoma o polirribosoma: múltiples ribosomas asociados a un solo mARN

 

*Transcripción y procesamiento de los tARNs

 

  • Transcriptos por ARN pol. III, no tiene CAP ni cola poli-A
  • Pasos:
  • Remoción extremo 5’
  • Agregado CCA 3’ (por fuera del molde)
  • Bases sufren modificaciones químicas
  • Eliminación de intrón

trna mature

  • Los cuatro ocurren en el nucléolo

 

*Los rARN (ribosomal)

 

  • Funciones: estructurales y catalíticas
  • rARN: principal en los ribosomas
  • Transcripción y procesamiento del rARN -> nucléolo mediante ARN pol. I y III:
  1. ARN pol I: 18S, 28S y 5,8S mayor tamaño
  2. ARN pol III: 5S menor tamaño
  • Pequeños ARN nucleares guían el proceso del rARN -> forma 3D del rARN
  • rARN 80% del ARN celular, por lo que hay aprox. 200 genes de rARN por genoma haploide
  • Nucléolo: expresión morfológica de la transcripción del rARN donde están los organizadores nucleares y ocurre su posterior maduración

 

Degradación del mARN por secuencias de terminación prematura:

  • Codones STOP prematuros inducen una degradación rápida del mARN
  • Es un mecanismo de “control de calidad” del mARN

 

Los mARN poseen diferentes estabilidades:

  • Inestables: vidas medias de pocos minutos
  • Estables: horas, hasta días

La degradación del mARN está mediada por diversas endo-exo ARNasas codificadas por el genoma

 

Elementos que regulan la estabilidad del mARN:

  • CAP 5’
  • PABP cola poli-A 3’
  • Proteínas de unión ARN a sitios en los 3’ UTR
  • MicroARNs: regulación post-transcripcional de la expresión genética -> 21 nucleótidos (aprox.): guían al RISC al 3’:

-Represión en traducción

-Degradación del mARN

-Aprox. 2578 en humanos, trascriptos por ARN pol. II

Localización: solo en ciertos lugares, por ejemplo: neuronas

micrornadiag

*Aclaración: la parte de micro ARN recomiendo altamente que sea leído directamente del Cooper, pues es muy preguntado en parciales y requiere de un desarrollo mas extenso

Fosforilasas, ciclinas, etc: regulan en tiempos cortos

Degradación: gracias a ubiquitina -> proteosoma, proteasa degrada moléculas marcadas por ubiquitina

Bibliografía recomendada:

La Célular, por Cooper & Hausmann. 6ta Edición. Capítulo 7 y 8.