BIOLOGÍA INGRESO A MEDICINA UNC Prof. Cristian Quinteros La presente obra se encuentra registrada en el Instituto Nacional de la Propiedad Industrial. Queda expresamente prohibida, sin la autorización escrita de los titulares, su copia, reproducción, adaptación, modificación, distribución, comercialización, y/o cualquier otra acción que comporte una infracción de la normativa vigente en materia de propiedad intelectual y/o industrial. La incurrencia en cualquiera de estas acciones encuadra en un hecho punible expresamente previsto en el Código Penal de la Nación y en los art. 71 y 72 de la ley 11.723 (Régimen Legal de la Propiedad Intelectual); como así también, en el art. 279 del Código Civil y Comercial de la Nación. Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC - Prof. Cristian Quinteros Índice temático Introducción o Características de los seres vivos o Niveles de organización biológica o Composición química de las células Protoplasma o Agua o Iones minerales o Glúcidos o Lípidos o Proteínas o Ácidos nucleicos o Enzimas o Coezimas o Vitaminas o Pigmentos Conceptos importantes Teorías biológicas Virus Célula procariota Célula eucariota o Especialización celular o Célula eucariota vegetal o Célula eucariota animal Membrana plasmática o Glucocáliz o Permeabilidad celular o Diferenciaciones de la membrana plasmática Relación de las células entre sí y con su entorno Transmisión de señales intercelulares Citoesqueleto o Microtúbulos o Microfilamentos de actina o Filamentos intermedios Inclusiones Sistema de endomembranas o Retículo endoplasmático liso (REL) o Retículo endoplasmático rugoso (RER) o Aparato de Golgi o Endosomas o Proceso de secreción celular o Lisosomas Mitocondrias Microcuerpos o Peroxisomas o Glioxisomas Cloroplastos y otros plástidos Ribosomas Núcleo celular 1 2 3 6 7 8 10 12 15 22 27 33 35 35 36 38 41 46 50 56 59 60 62 64 70 72 84 97 101 105 106 115 124 129 133 135 137 140 145 147 152 160 177 177 180 181 185 192 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC - Prof. Cristian Quinteros Síntesis de proteínas o Transcripción o Procesamiento del ARN o Traducción o Regulación de la información genética Ciclo celular o Duplicación del ADN o Mitosis o Regulación del ciclo celular o Meiosis o Gametogénesis Fecundación Diferenciación celular II Embriología Genética o Mutaciones Herencia o Árboles genealógicos Evolución o Teorías sobre el origen del universo y la vida o 1° Teoría evolutiva - Lamark o 2° Teoría evolutiva - Darwin-Wallace o Teoría Neodarwiniana o Sintética o Fuerzas evolutivas o Evolución del comportamiento social o Micro y macroevolución o Especiación o Patrón de cambio evolutivo Ecología Sistemas de la nutrición o Aparato digestivo o Apararto circulatorio o Aparato respiratorio o Aparato urinario Sistemas de la relación o Sistema nervioso o Sistema endócrino 208 212 217 226 231 235 241 252 256 260 270 272 278 280 286 293 305 317 319 319 325 327 331 338 342 343 343 345 351 362 362 375 382 385 390 390 398 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La biología es la ciencia que estudia a los seres vivos: su estructura, función, desarrollo y conducta. Podemos decir que es la ciencia de la vida. La Medicina -que podría ser considerada una rama de la Biología- es la disciplina que trata al hombre desde todos los aspectos: orgánicos, psíquicos, de conducta, sociales y ecológicos. Es decir que abarca tanto al hombre como a su ambiente, su entorno. Los objetivos de la medicina son (en este orden): ♣ Preservar la salud. ♣ Restituir la salud cuando ésta se ha alterado. ♣ Rehabilitar al individuo, en caso de que no se haya logrado la restitución (Lo veremos mejor en “Niveles de Prevención” en la materia “Introducción al estudio de la Medicina”) Tanto la Biología como la Medicina (y muchas otras ciencias humanas), consideran al hombre como a un ser bio-psico-social. Esto implica entender al hombre como un ser definido por tres estructuras o dimensiones principales interrelacionadas: Una biológica, ya que el hombre posee sus componentes orgánicos e inorgánicos, como todos los seres vivos, los que forman su cuerpo. Una psíquica, que tiene su base en las estructuras orgánicas, cuyo estudio queda a cargo de la Psicología y la Psiquiatría. Una social, ya que el hombre está inserto en un medio social en el cual ejerce influencias y por el cual es a su vez influido. 1 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros CARACTERÍSTICAS DE LOS SERES VIVOS 1.- Organización específica: cada ser vivo posee una forma específica de organizarse en cuanto a su estructura (forma, tamaño, composición química) más o menos compleja, y es característica de cada uno. 2.- Metabolismo: es la suma de reacciones químicas que posibilitan el crecimiento y desarrollo del organismo. Se divide en: a) Anabolismo: así se designa al conjunto de reacciones de armado, síntesis, de sustancias complejas a partir de sustancias simples. Al producirse, se consume energía, por ello decimos que son procesos ENDERGÓNICOS. b) Catabolismo: así se designa al conjunto de reacciones de desarmado, ruptura, degradación, de sustancias complejas a sustancias simples. Al producirse, se libera energía, por ellos decimos que son procesos EXERGÓNICOS. Ejemplos: La energía liberada durante el catabolismo es ahorrada por el organismo y almacenada en un intermediario energético llamado ATP (adenosín-trifosfato), que luego será el que aporte la energía necesitada durante el anabolismo. El proceso sería: 3.- Crecimiento: es el aumento de tamaño que se produce por la asimilación de materia. El crecimiento no es constante a lo largo de toda la vida. 4.-Movimiento: es la propiedad que a los seres vivos les permite desplazarse, ya sea un sólo sector del organismo, o el organismo entero. En los animales, el encargado es el Sistema OSTEO-MIO-ARTICULAR (“SOMA”). 5.- Reproducción: es la capacidad de producir descendientes. Se divide en: a) Asexual: es cuando no hay cruza de individuos. Un solo ser origina a otros, idénticos a su progenitor. Es más común en seres unicelulares. Ej: amebas, algunos hongos, bacterias. b) Sexual: es cuando hay cruza de individuos. Son necesarios dos sexos diferentes, y los descendientes son distintos a los progenitores. Debe existir meiosis, lo que supone combinación. 2 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros 6.- Adaptación: se refiere a los cambios que se producen a los individuos de una población a lo largo de muchos años, lo que les permite una mayor y mejor supervivencia en un ambiente dado. 7.- Sensoriabilidad o Irritabilidad: es la capacidad que poseen los seres vivos de responder a estímulos. Los estímulos son variaciones físicas o químicas del medio, como cambios en la luz, temperatura, humedad, presión. La irritabilidad es la capacidad de detectar estos estímulos y elaborar una respuesta. Las respuestas actúan como mecanismos de adaptación, lo que les permite a los seres vivos relacionarse con el medio. En el ser humano, está dado por los órganos de LOS SENTIDOS. 8.- Homeostasis: es la tendencia que tienen los seres vivos a resistir a un cambio, es decir, a guardar un equilibrio o estabilidad fisicoquímica de su medio interno. Es llevada a cabo por una autorregulación, basada en mecanismos enzimáticos, hormonales y nerviosos. 9.- Individualidad: cada ser vivo es único y distinto a todos los demás. 10.- Diferenciación: se refiere a la capacidad que poseen las células de diferenciarse o especializarse cada una de la otra, luego de que ocurre la división celular. Esto explica que a partir de una sola célula inicial (cigoto) pueden originarse muchos y muy distintos tipos de otras células. ¡Todas estas características diferencian a los sistemas vivientes de los no vivientes! NIVELES DE ORGANIZACIÓN BIOLÓGICA En el universo entero, tanto en el mundo inerte como en el viviente, hay diversos niveles de complejidad, y los niveles más bajos van aglomerándose para conformar a los más altos. A partir de: a- Las partículas subatómicas o elementales: como el electrón, el protón y el neutrón. b- Átomo: es la porción más pequeña de materia capaz de mantener las propiedades de un elemento. Ejemplos: c- Molécula: es la porción más pequeña de materia, capaz de mantener las propiedades de una sustancia. Encontramos simples y compuestas. Ejemplos: d- Macromoléculas: son moléculas complejas, de gran tamaño, usualmente formadas por la repetición de unidades más pequeñas. (n monómeros polímero). Ejemplos: 3 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros e- Estructuras subcelulares: son las estructuras que encontramos formando parte de la célula organoides. Ejemplos: f- Célula: es la unidad estructural y funcional de los seres vivos. Posee una organización elemental, que les permite responder a los estímulos, adaptarse al medio ambiente, crecer y reproducirse. Ejemplos: g- Tejidos: son conjuntos de células eucariotas (las mismas para cada tejido) que se asocian mediante uniones y sustancias y están especializadas para cumplir funciones determinadas. Presentan el mismo origen embriológico y la misma morfología. Ejemplos: h- Órganos: son asociaciones de tejidos organizados en una unidad morfológica que cumple una determinada función. Ejemplos: i- Aparatos: son conjuntos de órganos de distinta estructura y función, es decir son distintos tejidos estructurados para cumplir una función determinada. Ejemplos: j- Sistemas: son conjuntos de órganos de estructura y función similar, es decir, formados por el mismo tejido, que colaboran en la realización de una función determinada. Ejemplos: k- Organismo o individuo: se define como aquello que “no se puede dividir” y tiene vida propia. Es un ser único y diferente a los demás, capaz de intercambiar materia y energía y de realizar todas las funciones vitales. Ejemplos: l- Población: son individuos de una misma especie que habitan un lugar determinado. Entre ellos existe una relación genética. Ejemplos: m- Comunidad: individuos de distintas especies en un mismo medio. Entre ellos existe una relación ecológica. Ejemplo: n- Ecosistema: es el conjunto de seres vivos, más el espacio físico donde habitan y se relacionan, y con el que intercambian materia y energía. Es decir, es la suma del componente biótico y el abiótico. Ejemplos: o- Biósfera o ecósfera: es la parte de la tierra ocupada por los seres vivientes. 4 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros A tener en cuenta ! Los niveles inferiores son constituyentes de los superiores. Ej: una célula estará formada por organelas, macromoléculas, moléculas, átomos. La mínima unidad vital es la célula, que puede constituir por sí sola un organismo (organismos unicelulares) o formar parte de un organismo más complejo (organismos multicelulares). No es la presencia o ausencia de ningún elemento químico lo que marca el límite entre lo vivo y lo no vivo, sino la manera de combinarse, en un nivel de complejidad superior originando todas las propiedades de los seres vivos. 5 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS CÉLULAS Los elementos químicos que forma la materia viva no son otros que los mismos que forman la materia inerte, sólo que combinados de forma especial. Toda la materia viva está constituida por los mismos bioelementos, que en la tabla periódica los encontramos con el menor peso atómico (hasta PA= 31). Existen otros de mayor peso atómico, como el yodo (PA= 127), pero en menor proporción. Estos elementos se clasifican en: SEGÚN SU CANTIDAD E IMPORTANCIA: a) ELEMENTOS PRIMARIOS: son los que se encuentran en mayor proporción, formando aproximadamente el 98% de la materia viva. Ellos son: C, H, O, N, P y S. Los 4 primeros se denominan “organógenos“ b) ELEMENTOS SECUNDARIOS: son los que se encuentran en menor proporción en la materia viva (1,5%). Ellos son: Indispensables: Na, Mg, K, Cl y Ca. Presentes en todos los seres vivos. Variables: B, Br, Cu, F, Mn y Si. Presentes en algunos seres vivos A su vez, se denominan “oligoelementos” o “elementos vestigiales” o “microconstituyentes” o “elementos traza” o “elementos oligodinámicos” a los que se encuentran en muy pequeña cantidad en la materia viva (0,5%), pero sin embargo son indispensables. ellos son: I, Cu, Co, Cr, Mn, Zn, Se, Ni, F, B y Fe. Casi todos son necesarios para la actividad de ciertas enzimas, el yodo es componente de la hormona tiroidea. TAMBIÉN SE PUEDEN CLASIFICAR SEGÚN SU CONSTANCIA EN LOS SERES VIVOS: a) CONSTANTES: C – H – O – N – P – K – Na – Cl – Mg – Al b) FRECUENTES: Ca – I – B c) OCASIONALES: Ni – Zn – Co – Cu – Se – Rb – Ti – Mo Los bioelementos tienen gran actividad química y forman un gran número de compuestos diferentes. 6 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros PROTOPLASMA Es un sistema material acuoso, fluído, químicamente muy heterogéneo y muy dinámico, que constituye la base física de la vida. Es la totalidad de la sustancia que forma la célula, incluye al núcleo y al citoplasma. Todos los elementos vistos, se combinan entre sí formando todos los componentes de las células, a los que los clasificamos así: a) Componentes Inorgánicos: Agua + Iones minerales. b) Componentes orgánicos: Hidratos de carbono Lípidos Proteínas Ácidos nucleicos Enzimas Coenzimas Vitaminas Pigmentos 7 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros COMPONENTES INORGÁNICOS DEL PROTOPLASMA AGUA El agua es el componente presente en mayor proporción (Aproximadamente 75 a 80%). Los tejidos que menos la contienen son huesos y dientes. Su presencia es fundamental para la vida, por sus importantes propiedades fisicoquímicas: 1.- Es el “solvente universal”: en ella se disuelven sales y así se convierten en iones minerales. 2.- Es medio de dispersión de coloides: en ella se dispersan las proteínas, así se estabilizan y mantienen en solución. Coloides: son aquellas sustancias cuyo tamaño de partícula oscila entre 10 y 1000 Å. A simple vista forman sistemas homogéneos con el agua, pero no son soluciones verdaderas ya que al ultramicroscopio, se pueden distinguir las fases. No están disueltas, sino dispersas. Por eso hablamos de “dispersión coloidal”. Ej: proteínas o enzimas. 3.- Tiene elevado punto de ebullición (100º C) 4.- Tiene bajo punto de congelación (0º C) 5.- Absorbe calor. 6.- Regula la temperatura corporal. 7.- Participa en las reacciones enzimáticas. 8.- Proporciona la fase acuosa para todos los procesos metabólicos. 9.- Mantiene la presión osmótica junto a los iones. 10.- Se ioniza en el anión hidroxilo (OH-) y un protón o hidrogenión (H+). A 25º C, el agua presenta pH 7 (neutro). 11.- Interviene en la eliminación de sustancias de la célula. Estructura química de la molécula de agua Como resultado de la distribución asimétrica de sus cargas, una molécula de agua se comporta como un dipolo. A causa de esta propiedad, por sus grupos positivos y negativos, el agua puede ligarse electrostáticamente tanto con aniones y cationes, como con moléculas portadoras de ambos tipos de carga (anfipáticas), como las proteínas. Por eso decimos que el agua es una molécula POLAR. 8 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Debemos saber: Las moléculas POLARES se disuelven en agua y se llaman HIDRÓFILAS. Las moléculas APOLARES no se disuelven en agua y se llaman HIDRÓFOBAS. En el organismo, el agua puede encontrase en dos formas: Agua libre: es la que se halla distribuída en la sangre, linfa y en los líquidos intra e intercelulares. Le corresponde el 95%. Agua ligada: es la que se encuentra inmovilizada en el seno de las macromoléculas, principalmente proteínas. Le corresponde el 5%. A medida que crecemos, el porcentaje de agua va disminuyendo, así en un embrión está presente en un 90-97%, en lactantes 80%, en adultos 60%, mientras que en un anciano se encuentra en un 50% del peso corporal. En un adulto normal y sano, tanto los ingresos como los egresos diarios de agua, equivalen a 2500 cm3, distribuidos de la siguiente manera: Ingresos Bebidas Alimentos Agua metabólica. Egresos Orina Perspiración Heces El agua se encuentra distribuida en el cuerpo, en distintos compartimientos hídricos: El sector intracelular (dentro de la célula), donde encontramos un 65% del agua total. El sector intersticial (fuera de la célula y de los vasos sanguíneos), donde encontramos un 28%. El sector intravascular (dentro de los vasos sanguíneos), donde encontramos un 7% Los últimos dos sectores constituyen el espacio extracelular, también conocido como MEDIO INTERNO y es el que se busca mantener constante, a través de una propiedad de los seres vivos que ya mencionamos: la homeostasis. 9 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros IONES MINERALES La principal característica de estos iones es que la mayoría de ellos se encuentran en “solución acuosa”, es decir disueltos. De acuerdo al sector en que se encuentren, existe una distinta proporción de ellos, así nos quedan: K+ , Mg+2 , PO4 -3 ,como los principales iones del espacio intracelular. Na+, Ca +2, Cl -1, SO4 -2, HCO3-, como los principales iones del espacio extracelular. También encontramos “proteinatos” en el medio intracelular. Mencionaremos las funciones más importantes de algunos de ellos: CATIÓN POTASIO (K+) -Regula la presión osmótica. -Mantiene el equilibrio ácido-base. -Participa en: →Conducción nerviosa. →Contracción muscular. CATIÓN MAGNESIO (Mg+2) -Es vital en toda reacción donde participe el ATP. -Es necesario para el correcto funcionamiento de la membrana plasmática. -Regula la contracción muscular. -Es un activador enzimático (cofactor). ANIÓN FOSFATO (PO4-3) -Forma sales en los huesos y dientes Ca3 (PO4)2 -Forma parte de los nucleótidos (ATP) y fosfolípidos. CATIÓN SODIO (Na+) -Participa en: →Conducción nerviosa. →Conducción muscular. -Mantiene el equilibrio ácido-base. -Regula la presión osmótica. -Regula procesos enzimáticos. CATIÓN CALCIO (CA+2) -Es importante en el fenómeno de coagulación de la sangre. -Regula la permeabilidad de la membrana plasmática. -Regula procesos enzimáticos. -Es un transmisor de señales. 10 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros ANIÓN CLORURO (Cl-) -Se segrega en el estómago en forma de HCI -Forma NaCl en el plasma. -Regula la presión osmótica. -Mantiene el equilibrio ácido-base. Ciertos minerales se encuentran en forma no ionizada, como el calcio, que en los huesos y dientes se halla unido al fosfato y al carbono bajo la forma de cristales. El hierro en la hemoglobina, en la ferritina, en citocromos y en varias enzimas, se halla ligado por uniones carbono-metal. Otros iones importantes son sulfato (SO4-2) y carbonato (CO3-2). Podríamos agrupar las funciones anteriores y resumirlas en las más importantes: 11 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros COMPONENTES ORGÁNICOS DEL PROTOPLASMA También llamados biomoléculas. Son polímeros y éstos son macromoléculas que se forman por la sucesión de unidades más pequeñas llamadas monómeros. Excepción: los lípidos NO son polímeros, pero sí macromoléculas. GLÚCIDOS o HIDRATOS DE CARBONO o CARBOHIDRATOS o AZÚCARES o SACÁRIDOS En general, son compuestos ternarios, formados por C, H, y O, en algunos casos también pueden contener N, S, y P. En cuanto a la solubilidad, que es una propiedad que luego compararemos con “lípidos”, son solubles en agua y por lo tanto, insolubles en solventes orgánicos. Sus funciones son: Actúan como reserva energética: de corta duración y rápida utilización, esto significa que se agotan rápido, pero se renuevan constantemente. También tienen función estructural o de sostén. CLASIFICACIÓN: puede hacerse según distintos puntos de vista. 1) Según el grupo funcional: a- Polihidroxialdehídos o “Aldosas” Ej.: glucosa Función: es el combustible de las células. b- Polihidroxicetonas o “Cetosas”. Ej.: fructosa Función: fuente de energía para el espermatozoide. Fórmula química de la glucosa: Lineal Cíclica En su forma cíclica también se le llama “glucopiranosa” 12 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros 2) Según la cantidad de átomos de carbono: (Esta clasificación se aplica sólo a monosacáridos). Pueden tener de 3 a 7 átomos. a- Triosas: compuestos formados por 3 átomos de Carbono. b- Tetrosas: compuestos formados por 4 átomos de Carbono. c- Pentosas: compuestos formados por 5 átomos de Carbono: Ej.: ribosa, desoxirribosa (en los ácidos nucleicos). d- Hexosas: compuestos formados por 6 átomos de Carbono. Ej.: glucosa, fructosa, manosa, galactosa, fucosa, ácido glucurónico. Algunas poseen un grupo amino y se hallan acetiladas (N-acetiglucosamina). e- Heptosas: compuestos formados por 7 átomos de Carbono. 3) Según la cantidad de moléculas: a- Monosacáridos: poseen una sola molécula. Ejemplos: glucosa, ribosa, manosa, desoxirribosa. b- Oligosacáridos: poseen entre dos a diez moléculas unidas una con otra. Los más importantes en este grupo son los disacáridos, aunque también encontramos, tri, tetra, penta, hexa, hepta, octa, nona y decasacáridos. Ejemplos de disacáridos: completar SACAROSA: LACTOSA: MALTOSA: c- Polisacáridos: poseen entre diez a miles de moléculas unidas una con otra. Denominándose cada una de sus unidades MONOSACÁRIDOS. Se subdividen en: Polisacáridos simples constituyente es el mismo. u HOMOPOLISACÁRIDOS: el monosacárido Ejemplos: GLUCÓGENO: reserva energética de los animales. ALMIDÓN: reserva energética de los vegetales. CELULOSA: función estructural en vegetales. En estos 3 ejemplos, el monómero es siempre la glucosa. A pesar de que están formados por el mismo monómero, son diferentes porque: -Presentan distinto número de monómeros. -Presentan distinto número de ramificaciones. -Las glucosas se unen de diferente manera. QUITINA: la encontramos formando el caparazón o exoesqueleto de algunos artrópodos. El monosacárido acá es la N-acetilglucosamina. 13 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Estructura del glucógeno Polisacáridos mixtos o HETEROPOLISACÁRIDOS: los monosacáridos constituyentes son distintos. Generalmente son hexosaminas, como glucosamina y galactosamina. Acá encontramos a los: Mucopolisacáridos o Glicosaminglicanos o GAGs: se forman por la sucesión de una misma unidad disacárida en la que uno de los dos monómeros es el ácido idurónico o glucurónico o una galactosa y el otro posee un grupo amino (N-acetil glucosamina o N-acetil galactosamina). Algunos ejemplos de GAGs son: Condroitín sulfato (presente en el cartílago, piel, córnea) Ácido hialurónico (lo encontramos en la membrana que rodea al óvulo) Dermatán sulfato Heparán sulfato Queratán sulfato Los glúcidos pueden hallarse ligados a otros componentes, por ejemplo junto a: LÍPIDOS: formando GLUCOLÍPIDOS. PROTEÍNAS: formando GLUCOPROTEÍNAS. FUNCIONES DE LOS GLÚCIDOS Son material energético fácilmente aprovechable por la célula. Ej:………………… Forman estructuras celulares. Ej:……………………. Son reserva energética. Ej:……………………. Forman compuestos más complejos no glucídicos como los ácidos nucleicos. Ej:.......................... 14 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros LÍPIDOS También son compuestos ternarios formados por C, H y O mayoritariamente. Los lípidos más comunes de la célula son los triacilgliceroles o triglicéridos, los fosfolípidos, los glicolípidos, los esteroides y el dolicol. En cuanto a su solubilidad: son insolubles en agua, pero solubles en solventes orgánicos o solventes de grasa, como éter, acetona, benceno, tolueno, etc. Es decir: a la inversa que ocurre con los glúcidos. Entonces: Los lípidos son: -Lipofílicos -Hidrofóbicos Los glúcidos son: -Hidrofílicos -Lipofóbicos Constituyen reserva energética de larga duración y le dan al organismo muchas más calorías (más del doble) que los hidratos de carbono. Químicamente todo lípido está constituido por: ÁCIDO GRASO + ALCOHOL ESTER Los ÁCIDOS GRASOS (AG) son ácidos orgánicos de cadena larga, entre 4 a 22 átomos de C y siempre en número par. Esto es porque se sintetizan a partir de grupos acetilo (de dos carbonos). De acuerdo a la ausencia o presencia de dobles ligaduras entre los átomos de C, se llaman: SATURADOS. Enlaces simples. Ej.: ácido palmítico (16 C), ácido esteárico (18 C) INSATURADOS: Al menos un enlace doble. Ej.: ácido oleico (18 C y doble enlace en el C 9) Fórmula química de AG.: distinguimos dos partes: el grupo carboxilo o ácido (polar) y la cadena hidrocarbonada (apolar). En cuanto al ALCOHOL, puede ser: Monovalente: significa que poseen solo un grupo -OH. Ej.: palmitol. Polivalente: significa que poseen varios grupos -OH. Ej.: glicerol o glicerina y esfingol o esfingosina. 15 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros DIBUJAR: Fórmula química del glicerol: CLASIFICACIÓN 1) Lípidos simples. 2) Lípidos complejos. 3) Sustancias asociadas a lípidos o Lípidos asociados. 1. LÍPIDOS SIMPLES En este grupo encontramos a: A- GLICÉRIDOS: Son ésteres de glicerol con 1, 2 ó 3 ácidos grasos. Un éster es un compuesto químico que se obtiene cuando un ácido se condensa con un alcohol. DIBUJAR: Esquema de un éster: De acuerdo con el número de AG que reaccionan con el glicerol, tenemos: A.1- MONOGLICÉRIDOS: un glicerol y un solo AG. A.2- DIGLICÉRIDOS o DIACILGLICEROLES (DAG): un glicerol y dos AG. A.3- TRIGLICÉRIDOS o TRIACILGLICEROLES (TAG) o GRASAS NEUTRAS: un glicerol y tres AG. Como los AG puedes ser iguales o distintos, para los DAG y los TAG surgen los: ◊ Simples u homoglicéridos: todos los AG que han reaccionado son iguales. ◊ Mixtos o heteroglicéridos: por lo menos uno de los AG es diferente. B- CERAS: se forman cuando un alcohol monovalente saturado reacciona con un ácido graso. Se las encuentra en vegetales: cubriendo frutos y hojas y en animales en la miel de abeja. C- ÉSTERES del COLESTEROL: se forman cuando el colesterol reacciona con un ácido graso. El colesterol actúa como alcohol. 16 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros 2. LÍPIDOS COMPLEJOS En su molécula además de C, H y O, encontramos N, P y S. CLASIFICACIÓN: A- FOSFOLÍPIDOS: llamados así por la presencia de un grupo fosfato, son constituyentes fundamentales de las membranas celulares. Según el alcohol que esté presente, pueden ser: A.1-: Glicerofosfolípidos: tienen dos ácidos grasos unidos al GLICEROL, ya que el tercer grupo hidroxilo del alcohol se haya esterificado con un fosfato, unido a su vez con un segundo alcohol. La combinación del glicerol + los dos AG + el fosfato da lugar al ácido fosfatídico (AF), que constituye la estructura básica de los glicerofosfolípidos. El segundo alcohol puede ser la etanolamina, serina, colina o el inositol, de acuerdo a esto se obtiene los 4 fosfolípidos: fosfatidiletanolamina (PE), fosfatidilserina (PS), fosfatidilcolina (PC) y fosfatidilinositol (Pl). En la membrana interna de las mitocondrias existe un glicerofosfolípido doble llamado difosfatidilglicerol o cardiolipina. fosfatidil etanolamina fosfatidil serina fosfatidil colina fosfatidil inositol A.2- Esfingofosfolípidos: en este grupo de alcohol es el esfingol o esfingosina, que surge de unión de la serina (aminoácido) con un ácido graso. Cuando al esfingol se le adiciona un nuevo ácido graso (por unión “amida”) se obtiene la ceramida que es la molécula base en este grupo. El esfingofosfolípido que existe en las células es la esfingomielina, que se forma por la unión “ester” de la ceramida con un grupo llamado fosforilcolina. 17 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros + AG + fosforil colina (serina + AG) Los fosfolípidos son sustancias anfifílicas o anfipáticas, esto significa que poseen: ◊ Una cabeza polar hidrofílica (soluble en …................) y ◊ Una cola apolar hidrofóbica (insoluble en …….............), lo que hace que se los represente de la siguiente manera: El extremo polar corresponde al glicerol, unido al fosfato, al segundo alcohol más el grupo carboxilo del ácido. El apolar corresponde a las colas de los dos ácidos grasos. Esta propiedad de presentar en una misma molécula las dos características de polaridad, hace que al disolverlos en agua formen una “doble capa o bicapa”, donde las cabeza polares quedan hacia afuera en contacto con el agua y las colas apolares quedan hacia adentro creando un entorno hidrofóbico o lipofílico, es decir propicio para que en su interior se dispersen ….................. 18 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Otro concepto a aprender de los fosfolípidos, es que según el tipo de ácidos grasos que los constituyen, le aportan mayor o menor fluidez a la membrana: Si los fosfolípidos son ricos en AG saturados: los puntos de fusión y ebullición de las moléculas son más altos: esto lleva a que la membrana de la que forman parte sea más rígida, ideal para seres vivos que viven en hábitats calurosos (el calor fluidificaría mucho la membrana). Si los fosfolípidos son ricos en AG insaturados: los puntos de fusión y ebullición de las moléculas son más bajos: esto lleva a que la membrana de la que forman parte sea más fluida, ideal para seres vivos que viven en hábitats fríos (el frío congelaría y dejaría muy rígida la membrana). B- GLUCOLÍPIDOS: llamados así porque presentan un glúcido en su molécula, y se dividen según su constitución química en: B.1- CEREBRÓSIDOS: se forman por la unión de una glucosa o una galactosa con la ceramida. O sea que se trata de una esfingomielina donde donde la fosforicolina es reemplazada por un monosacárido. B.2- GANGLIOSIDOS: en ellos el hidrato de carbono es un oligosacárido constituido, entre otros, por glucosa y galactosa. Estos se encuentran en las vainas de mielina y en la membrana de las células nerviosas. 3. SUSTANCIAS ASOCIADAS A LÍPIDOS Este grupo no tiene la estructura química típica de los lípidos, pero comparten con ellos algunas características, por ejemplo la solubilidad. Por ellos se los estudia juntos. 19 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros CLASIFICACIÓN: A- ESTEROIDES: llamados así porque todos presentan en común la estructura química de tipo “esteroidal”. Esto significa que la molécula base aquí es un tetraciclo llamado ciclopentanoperhidrofenantreno. Lo veremos mejor en química orgánica. En este grupo, encontramos: Esteroles: como el colesterol. Hormonas esteroideas: como las hormonas corticoides y las hormonas sexuales femeninas o estrógenos y masculinas o andrógenos. Ácidos biliares. Vitamina D. B- CAROTENOIDES: poseen largas cadenas carbonadas con enlaces dobles y simples alternados. Son sustancias intensivamente coloreadas que cambian el color de muchos vegetales. Ej.: β- carotenos (zanahoria) y licopeno (tomate). C- VITAMINAS A, E y K (llamadas vitaminas liposolubles, junto con la D). D- DOLICOL: es un lípido que se encuentra en la membrana del retículo endoplasmático. Es un compuesto constituido por 17 a 21 unidades isoprénicas, que suman entre 85 a 105 átomos de carbono. Se halla unido a un fosfato (dolicol fosfato) y es imprescindible para la incorporación de oligosacáridos a las cadenas proteicas, cuando se forman las glicoproteínas. 20 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros IMPORTANCIA BIOLÓGICA DE LOS LÍPIDOS Son componentes estructurales de las membranas celulares y de las vainas de mielina. También de hormonas, enzimas y vitaminas ↔ función estructural. Son material de almacenamiento energético ↔ función energética. Forman cubiertas protectoras en muchos órganos ↔ función protectora. Actúan como transportadores de otras moléculas, como ser, de las vitaminas liposolubles ↔ función de transporte. Actúan como material aislante evitando la pérdida de calor en exceso ↔ función reguladora o mecánica. 21 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros PROTEÍNAS Son compuestos cuaternarios ya que están formados por C, H, O,N. Todas las funciones básicas de las células dependen de proteínas específicas, sin ellas la vida no existiría. Podrían ser considerados los compuestos más importes del protoplasma porque podemos encontrarlas en casi todas las estructuras intra y extracelulares: cromosomas, mitocondrias, membranas, Golgi, RER, REL, fibras del huso mitótico, etc. Las proteínas son polímeros, siendo la unidad que se repite un monómero llamado aminoácido (aa), el cual químicamente presenta un grupo funcional ácido carboxílico y otro amino. Su fórmula química es la siguiente: Al unirse uno con otro para constituir la proteína forman enlaces químicos y dicha unión se llama peptídica, amídica o amida, interviniendo en ella un …........ y una .......... De acuerdo al número de aminoácidos unidos, decimos: Los OLIGOPÉPTIDOS están formados por 2 a 10 aminoácidos. Pueden ser di, tri, tetra, penta, hexa, hepta, octa, nona o decapéptidos. Los POLIPÉPTIDOS se forman cuando se unen 10 a 50 aminoácidos. Las PROTEÍNAS están formadas por la unión de más de 50 aa. Insulina: es una proteína que actúa como hormona hipoglucemiante, fue la primera proteína a quien se le descubrió su secuencia de aminoácidos, y como posee 51 aa, en forma convencional se decidió que a partir de 51 aa, sean consideradas proteínas. La proteína más grande del organismo contiene alrededor de 27.000 aminoácidos: es la titina → una proteína ligadora del músculo estriado. La masa molecular de una proteína puede ir desde los 6.000 uma (insulina) a más de 100.000 uma (esta es una diferencia con los lípidos por ejemplo, que son mucho más pequeños). AMINOÁCIDOS En las proteínas humanas existen 21 aminoácidos que son: Glicina o glicocola, alanina, prolina, valina, leucina, isoleucina, fenilalanina, serina, treonina, cisteína, cistina, metionina, triptófano, tirosina, asparagina, glutamina, lisina, arginina, histidina, ácido aspártico y ácido glutámico. (pueden considerarse 20, ya que el aa cistina resulta de la unión de dos moléculas de cisteína). 22 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Algunos de ellos son llamados “aminoácidos esenciales”, son los que el organismo no puede sintetizar, por lo tanto debemos incorporarlos con la dieta. Ellos son: tripófano, valina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, treonina y fenilalanina. Arginina e histidina se consideran esenciales en casos especiales como: mujer embarazada y durante el período de lactancia. CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS PROTEÍNAS SIMPLES: solamente poseen en su molécula aminoácidos. Ejemplos: PROTEÍNAS COMPLEJAS O CONJUGADAS: están constituidas por una parte proteica y otra no proteica llamada grupo prostético. Ejemplos: Glucoproteínas: proteína + glúcido. Ej.: Lipoproteínas: proteína + lípido. Ej. Nucleoproteínas: proteínas + ácido nucleico. Ej.1: ARN + proteínas = ribonucleoproteínas → forman los ribosomas. Ej.2: cromatina. Fosfoproteínas: proteína + fósforo. Ej.: Metaloproteínas: proteína + un metal. Ej.: Cromoproteínas: proteína + un grupo que le confiere color. (Cromo = color). Ej.: Proteoglicanos: proteína + glicosaminglicano. Ej.: ESTRUCTURA Las proteínas de acuerdo al ordenamiento de sus aa y a la disposición de la/s cadena/s, adoptan las siguientes estructuras: 1- PRIMARIA: está dada por la secuencia u orden lineal de aminoácidos en la cadena polipeptídica. La unión que determina esta estructura es la unión peptídica entre aminoácidos consecutivos de la cadena. Es el nivel más importante porque le otorga a la proteína: A- Individualidad química (por su estructura). B- Especificidad biológica, lo que le otorga funciones específicas en el organismo. C- A su vez define cuál serán las restantes estructuras. Si se modifica por alguna causa el orden de los aa, se altera la función biológica de la proteína. Ejemplo: la enfermedad llamada “anemia falciforme”, es causada 23 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros por una hemoglobina anormal, donde se ha producido una alteración en la secuencia de aa. 2- SECUNDARIA: la cadena proteica sufre plegamientos tridimensionales y adopta una nueva estructura espacial. Está dada por las uniones que se establecen entre los aa al ponerse en contacto, la unión que determina esta estructura es principalmente puente hidrógeno. Esto puede originar dos tipos de plegamientos: A- En forma de hélice (α hélice): la cadena se enrolla alrededor de un cilindro imaginario debido a la formación de puentes de hidrógeno entre grupos de amino de algunos aminoácidos y grupos carboxilo de otros aminoácidos situados 4 posiciones más adelante en la misma cadena polipeptídica. B- En forma de hoja plegada (lámina β plegada): la cadena se pliega como una hoja de papel. 3- TERCIARIA: es consecuencia de la formación de nuevos plegamientos de la hélice α y hoja plegada β, lo que da lugar a la configuración tridimensional de la proteína. Los nuevos plegamientos se producen porque algunos aminoácidos localizados en lugares distantes entre sí de la cadena proteica se relacionan químicamente (se juntan). Pueden observarse enlaces tipo: puente hidrógeno, puente disulfuro, atracción electrostática, interacciones hidrofóbicas/hidrofílicas, etc. Según el plegamiento adoptado, se generan proteínas fibrosas o globulares. Las primeras se forman a partir de proteínas o de tramos proteicos con estructura secundaria tipo hélice α exclusivamente. Las segundas tanto a partir de hélices α como de hojas plegadas β o de una combinación de ambas. Las proteínas fibrosas tienen funciones estructurales. Ejemplos: colágeno, elastina, queratina. 24 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Las proteínas globulares tienen aspecto de madeja. Ejemplos: mioglobina, los receptores, la mayoría de las enzimas. 4- CUATERNARIA: sólo presentan esta estructura las proteínas que poseen más de una cadena polipeptídica, ya que esta estructura considera las interacciones entre las diferentes cadenas polipeptídicas de una misma proteína. Surgen los términos: DÍMERO: dos cadenas. TRÍMERO: tres cadenas. TETRÁMETRO: cuatro cadenas. Normalmente se las llama proteínas multiméricas. Ejemplos: hemoglobina (tetrámero, ver dibujo), insulina (dímero). La disposición espacial de una molécula proteica se haya predeterminada por la secuencia de sus aminoácidos (estructura primaria.) Tanto en la estructura terciaria como en la cuaternaria, entran en juego diferentes tipos de uniones químicas entre los átomos de aminoácidos. Así se producen uniones covalentes como el puente disulfuro (entre los grupos -SH de dos cisteínas) y varios tipos de interacciones débiles o no covalentes: o Puente de hidrógeno: se producen cuando un H se acerca a otro átomo electronegativo (como el oxígeno o el nitrógeno). o Uniones iónicas o electrostáticas: son el resultado las fuerzas de atracción entre grupos ionizados de carga contraria. o Fuerzas hidrofóbicas: asociación entre grupos no polares. o Interacciones de Van der Waals: se producen cuando los átomos están muy cerca. Esta proximidad produce fluctuaciones en sus cargas, causa de atracciones mutuas entre los átomos. 25 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros DESNATURALIZACIÓN DE UNA PROTEÍNA La proteína es muy sensible a ciertos agentes como: calor, ácidos y bases fuertes, solventes orgánicos, rayos X, rayos UV, sustancias radiactivas, presiones muy altas. La exposición de la proteína a cualquiera de estos agentes altera la estructura secundaria y terciaria y la proteína adquiere una conformación espacial distinta (se “despliega”), por esto la proteína pierde su actividad biológica y a este fenómeno se lo denomina “desnaturalización de una proteína”. FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS Transporte: son encargadas del transporte de diferentes sustancias a través de la sangre desde o hacia los tejidos. Ej.: transferrina → transporta Fe en la sangre. Reserva nutricional: como la ferritina que almacena Fe en el hígado. Hormonas: como la insulina. Función de defensa o inmunitaria: Ej: los anticuerpos (inmunoglobulinas). Éstas son producidas por los plasmocitos para neutralizar a los antígenos. Antígenos: son sustancias reconocidas como “extrañas” que ingresan en el organismo. Antígeno y anticuerpo se unen y forman el complejo antígenoanticuerpo. Proteínas contráctiles: actúan en los mecanismos de contracción y desplazamiento. Ej.: actina y miosina Energética: es una función secundaria. Estructural: ya sea con fines de sostén o de protección en membrana plasmática, citoesqueleto, etc. Enzimática: acelerando reacciones químicas. Coagulación: como algunas proteínas del plasma. Ej.: fibrinógeno. 26 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros ÁCIDOS NUCLEICOS También son macromoléculas o polímeros, pero ahora los monómeros que lo forman se denominan nucleótidos. Poseen C, H, O, N y P. Constitución química de un nucleótido: posee 3 partes bien definidas: Una base nitrogenada, que puede ser: o PÚRICA: adenina y guanina. o PIRIMÍDICA: citosina, timina y uracilo. Un azúcar: ribosa o desoxirribosa (la desoxirribosa tiene un átomo de oxígeno menos que la ribosa). Ácido fosfórico (H3PO4). Cuando el nucleótido se le saca el ácido fosfórico obtenemos un NUCLEÓSIDO. BASES NITROGENADAS: Hay dos tipos de ácidos nucleicos: ADN y ARN. ADN ADN o DNA: ácido desoxirribonucleico. Cada uno de sus nucleótidos está formado por: Base nitrogenada: tenemos cuatro posibles: adenina, guanina, citosina y timina, pero nunca encontramos en él uracilo. Azúcar: es la desoxirribosa, pero nunca encontraremos en él a la ribosa. Ácido fosfórico. 27 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El ácido fosfórico le da carácter ácido y le permite por tanto combinarse con histonas (proteínas básicas) y formar una nucleoproteína llamada cromatina, que luego se condensa y forma los cromosomas. Su estructura: miles de desoxirribonucleótidos que forman dos cadenas antiparalelas en forma de espiral o doble hélice, o sea enrollada sobre un eje y girando hacia la derecha (“dextrógira”). Cada vuelta completa de la doble hélice tiene 10,5 pares de nucleótidos. Esta doble estructura helicoidal se mantiene estabilizada por los puentes de hidrógeno y por las interacciones hidrofóbicas entre las bases de cada cadena. Entonces: el ADN es bicatenario y helicoidal. Esta estructura fue propuesta por WATSON y CRICK, en 1953, lo que les valió el premio Nobel de Medicina. Entonces las bases pirimídicas de una cadena, se unen con las bases púricas de la otra cadena a través de uniones puente H y las bases involucradas en la unión siempre son “complementarias”. Así: Adenina se une con Timina, a través de dos puentes de hidrógeno. Citosina se une con Guanina, a través de tres puentes de hidrógeno. 28 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Por lo tanto A + G = C + T También, una cadena va con sus uniones fosfodiéster en sentido 3' a 5', mientras que la otra lo hace en sentido inverso 5' a 3', por eso se dice que las cadenas son “antiparalelas” Datos: 3' y 5' se refieren a los carbonos del azúcar. Se nombran porque en dichos C, es donde se unen con el fosfato para formar las cadenas. La unión fosfodiéster se entiende por: “Fosfo”: es el fósforo quien hace de nexo o puente entre: “-Di”: dos azúcares. “-Éster”: el fósforo forma parte de un ácido y las azúcares tiene un grupo alcohol, así se van uniendo los OH del C3' de la desoxirribosa de un nucleótido y el fosfato ligado al C5' del otro nucleótido. El extremo de la molécula que contiene a la pentosa con el C5' libre es el extremo 5' y el que posee la pentosa con el C3' libre, extremo 3'. Conclusión: el ADN es bicatenario y helicoidal, y sus cadenas son complementarias y antiparalelas También podemos observar: Las bases nitrogenadas de ambas cadenas se orientan hacia el interior de la molécula. ¿Por qué? Porque son muy poco polares, entonces son hidrófobas y así escapan del agua Las barras laterales corresponden a las cadenas de fosfatos-azúcares alternadamente. ¿Por qué? Porque son polares, por lo tanto hidrófilas y así contactan con el medio acuoso. Al ADN se lo encuentra: - En el núcleo de la célula eucariota (99%) - En organoides semiautónomos como mitocondrias y cloroplastos (1%). El ADN nuclear se encuentra unido a proteínas básicas llamadas “histonas”, es decir formando una nucleoproteína. Función: El ADN es el depositario de toda información genética que rige toda la estructura y funciones de la célula. Coloración: El ADN es Feulgen positivo. 29 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El hecho de que la timina es exclusiva del ADN, permitió el uso de timidina radioactiva como marcador específico para el ADN. ARN ARN o RNA: ácido ribonucleico. Cada uno de sus nucleótidos posee: Base nitrogenada: adenina, guanina, citosina o uracilo, pero nunca timina. Azúcar: encontramos ribosa, pero nunca desoxirribosa. Grupo fosfato. Su estructura es una sola cadena (monocatenario). Existen varios tipos de ARN: ARNm = ARNr = ARNt = ARNpn = ARNpc = Todos intervienen de alguna u otra forma en la “síntesis de proteínas”, con las siguientes funciones específicas: ARNm = Copia la información genética contenida en el ADN y se dirige el citoplasma donde se une con los ribosomas y forma los polirribosomas o polisomas*. El orden de los nucleótidos en el ADN determina el orden de los aa de la proteína, o sea su estructura……………… *Polirribosomas o polisomas: un ARNm unido a varios ribosomas, en activa síntesis proteica. ARNr = forma las subunidades de los ribosomas, junto a las proteínas ribosomales. Los ribosomas constituyen el sitio donde se realiza la síntesis proteica. El ARNr representa el 50% de la masa del ribosoma, el otro 50% son proteínas. ARNt = tiene estructura de hoja de trébol. Identifica y trasporta el aa hasta el ribosoma. Los encontramos: - En el citoplasma en un 90%, efectuando la síntesis proteica. - El resto en el núcleo, formando el nucléolo. Coloración: Es Feulgen negativo. Se tiñe con colorantes básicos como el azul de toluidina o azul de metileno. 30 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros NUCLEÓTIDOS INDEPENDIENTES (no formando parte de ADN o ARN). Encontramos nucleótidos también “sueltos” en la célula, no formando parte de ácidos nucleicos sino desarrollando otras funciones completamente distintas a las del ADN o ARN. CLASIFICACIÓN: Mononucleótidos: algunos ejemplos son: ATP = …………………….. Su base nitrogenada es adenina y como pentosa tiene a ribosa. GTP = guanosintrifosfato o trifosfato de guanosina. CTP = citidintrifosfato o trifosfato de citidina. UTP = uridintrifosfato o trifosfato de uridina. Función: en general es almacenar energía para luego liberarla cuando la célula lo necesite. La energía se encuentra almacenada en los enlaces fosfatos. 5' AMPc = adenosinmonofosfato cíclico. Función: actúa como mensajero intracelular. Dinucleótidos: algunos ejemplos son: NAD = nicotinamida adenina dinucleótido. FAD = flavina adenina dinucleótido. NADP = nicotinamida adenina dinucleótido fosfato. Función: Generalmente actúan como coenzimas. Importantes en mitocondrias! ESTRUCTURA DEL ATP: 31 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Comparamos! Biomolécula Elementos Monómero Glúcidos Lípidos Proteínas Ác. nucleicos 32 Enlace Función Ejemplos Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros ENZIMAS Químicamente todas las enzimas son proteínas (conjunto de aminoácidos), y tienen estructura globular. Su función es actuar como catalizadores biológicos. Catalizador: son sustancias que aceleran una reacción química, disminuyendo la energía de activación que la reacción requiere, pero sin ser consumidos en ella, es decir que al finalizar la reacción se lo encuentra tal como al inicio de la misma, pudiendo ser utilizado una y otra vez. Las enzimas pueden ser tan eficientes como para que la velocidad de reacción sea entre 108 a 1011 veces más rápida que en ausencia del catalizador. Existen en la célula moléculas con actividad enzimática que no son proteicas, se llaman ribozimas y corresponden a ácidos ribonucleicos. Las enzimas actúan sobre sustancias denominadas “sustratos”: puede ser cualquier cosa: hidratos de carbono, lípidos, proteínas, ATP, etc. CLASIFICACIÓN: A- Según el sustrato sobre el cual actúan: Nucleasas o endonucleasas, fosfatasas, glicosidasas, lipasas. quinasas, sulfatasas, proteasas, B- Según la reacción química que están catalizando: 1- OXIDORREDUCTASAS: catalizan reacciones de óxido-reducción. Son reacciones en las que hay transferencia de electrones: Oxidación: perder electrones (o ganar oxígeno) Reducción: ganar electrones (o perder oxígeno) Ej.: 2- HIDROLASAS: catalizan las hidrólisis del sustrato. Hidrólisis: lisis de una molécula por la acción del agua. Ej.: También se las llama enzimas hidrolíticas, como las que están en los LISOSOMAS. 3- TRANSFERASAS: catalizan la transferencia de átomos de un sustrato otro. Ej.: 4- DESHIDROGENASAS: catalizan la transferencia de iones hidrógeno desde un sustrato a otro. Le “quitan” hidrógeno a un sustrato y se lo ceden generalmente a una coenzima. Ej.: 33 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros ¡Importantes en MITOCONDRIAS! 5- SINTETASAS O SINTASAS: catalizan reacciones de síntesis de moléculas. Ej.: 6- DESCARBOXILASAS: catalizan reacciones de pérdida del grupo carboxilo (grupo ácido) que se libera como CO2 Ej.: ¡También importantes en MITOCONDRIAS! REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA Se efectúa mediante: 1- Control genético: se actúa sobre la producción (síntesis) de la enzima. Puede ser: Inducción: se aumenta la síntesis de la enzima. Represión: se disminuye la síntesis de la enzima. Los resultados del control genético se observan en forma lenta. 2- Control catalítico: se actúa sobre las enzimas que ya existen, generalmente mediante otra molécula que se le asocia. Puede ser: Presencia de activadores. Presencia de inhibidores. Ejemplos de activadores/inhibidores: Coenzimas y cofactores. En este caso la parte proteica (enzima) se llama apoenzima, que sumada al inhibidor o activador, forman el sistema completo llamado holoenzima. Temperatura: cada enzima actúa a una temperatura determinada, si no no funciona. pH: cada enzima actúa a un pH determinado, si no no funciona. Presencia de metales (generalmente actúan como cofactores) Los resultados del control catalítico se observan en forma rápida. También la concentración del sustrato ejerce un efecto regulador sobre la actividad de la enzima. Las enzimas poseen uno o más sitios activos (son los lugares específicos donde se une el sustrato), así se forma el complejo enzima-sustrato. Luego de producirse la reacción obtenemos nuevamente la enzima (conservada) y el producto de dicha reacción. 34 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Se puede esquematizar: E + S [complejo E-S ] E + P Cuando se forma el complejo EnzimaSustrato se dice que la unión es específica, es decir que hay una sola enzima (“llave”) para cada tipo de sustrato (“cerradura”) en el cuerpo. Aunque la imagen de la llave la cerradura es válida, no significa que enzima y sustrato sean moléculas estructuralmente rígidas. Así, el sitio activo de la enzima se hace complementario al del sustrato sólo después de habérsele unido, es lo que hoy se llama modelo del encaje inducido: la unión con el sustrato induce un cambio de conformación de la enzima. Todas las enzimas tienen estructura de proteínas (salvo las robizimas), pero la inversa no es cierta, es decir “no todas las proteínas son enzimas” ya que también actúan como hormonas, tienen funciones contráctiles, de transporte, etc. COENZIMAS Son moléculas sin estructura proteica, que son necesarias para que las enzimas puedan ejercer su función biológica. Generalmente tienen estructura de dinucleótido o son vitaminas. En algunos casos la coenzima es un metal u otro grupo prostético que se halla unido en forma covalente a la enzima, en otros casos las coenzimas se asocian a las enzimas de manera laxa. Ejemplos: NAD, FAD; vitaminas del complejo B, Mg2+ VITAMINAS Las vitaminas tienen la característica de que el organismo humano no puede sintetizarlas, por lo tanto deben obtenerse a partir de los alimentos ingeridos con la dieta. Se las encuentra en los alimentos como vitaminas a también como “provitaminas”, es decir que luego de una metabolización se transformarán en la vitamina correspondiente. La provitamina es la versión “inactiva” de la vitamina. 35 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros ▄ En el intestino humano viven unas bacterias con quienes establecemos una relación simbiótica, ya que ellas obtienen de nosotros “casa y comida” y ellas nos sintetizan la vitamina K. CLASIFICACIÓN: A- Liposolubles: vitamina A, D, E y K. B- Hidrosolubles: complejo B (B1 , B2 , B3, B5, B6, B7, B9 y B12) y vitamina C. La carencia de las vitaminas (avitaminosis), son conocidas: o Falta de vitamina A: produce lesiones dérmicas y oculares. o Falta de vitamina B1: beri-beri. o Falta de vitamina B2, B6: alteraciones cutáneas. o Falta de vitamina B3: alteraciones en la piel, alopecía. o Falta de vitamina B5: pelagra. o Falta de vitamina B7: alteraciones dérmicas, anemias, dolores musculares. o Falta de vitamina B12: anemia perniciosa. o Falta de ácido fólico (B9): anemias megaloblásticas. o Falta de vitamina C: produce escorbuto. o Falta de vitamina D: produce raquitismo. o Falta de vitamina E: esterilidad, degeneración del sistema nervioso, alteraciones musculares. o Falta de vitamina K: hemorragias. Por otro lado, la hipervitaminosis también trae trastornos al organismo, principalmente de las vitaminas liposolubles, ya que el exceso de las vitaminas hidrosolubles se elimina fácilmente por orina. FUNCIÓN DE LAS VITAMINAS: son de vital importancia para el organismo, ya que forman parte de la estructura de coenzimas o precursores de coenzimas, esenciales para el trabajo de las enzimas. Ej.: vitaminas del complejo B. PIGMENTOS Son sustancias que dan coloración en los sitios donde se encuentran. Los ejemplos más importantes son: Melanina: se la encuentra en el reino animal. Pigmento que nos da coloración a la piel, ojos y cabello y nos protege de la luz solar. Carotenos: en el reino vegetal. No los sintetizamos nosotros, los debemos consumir. 36 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Anexo: CONCEPTOS RELACIONADOS A VITAMINAS Beri-beri: es una enfermedad causada por la deficiencia de tiamina (Vit. B 1), se caracteriza por patologías cardíacas o edema, polineuritis: inflamación de muchos o varios nervios periféricos. Es típica de los países del lejano oriente cuyos pueblos se alimentan de arroz descascarillado. Pelagra: ataca a la piel. Se produce por deficiencia de niacina (Vit. B 3). Se caracteriza por dermatitis en las porciones del cuerpo expuestas a la luz, inflamación de las mucosas y también trastornos psíquicos (depresión, irritabilidad, ansiedad, confusión y alucinaciones) Anemia perniciosa: anemia megaloblástica que se presenta en niños, pero es más común en edad avanzada y que se manifiesta por deficiencia de cobalamina (vitamina B12), se caracteriza por gastritis de origen autoinmune, aclorhidria y disminución en la secreción de factor intrínseco, necesario para la absorción de dicha vitamina. Anemia megaloblástica: se caracteriza por la presencia de megaloblastos en la médula ósea. Megaloblástos: progenitor inmaduro, grande y nucleado de eritrocitos anormales. Escorbuto: enfermedad producida por déficit en vitamina C, se manifiesta por astenia, anemia, induración de los músculos de las piernas, etc. El médico escocés Lind descubrió el efecto curativo de los jugos cítricos (vit. C) para tratar el escorbuto. Raquitismo: significa inflamación de la columna vertebral, es un estado producido por déficit de vitamina D, especialmente durante la infancia y niñez, que se manifiesta por alteraciones de la osificación normal. En el adulto se llama osteomalacia. 37 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros CONCEPTOS IMPORTANTES PARA LOS PRÓXIMOS TEMAS DIFUSIÓN Es el pasaje de moléculas desde un área donde están más concentradas hacia otra donde están menos concentradas. Dicho pasaje continúa hasta que se establece un equilibrio dinámico entre las moléculas de soluto y solvente. Es lo que pasa con una gota de témpera que se vuelca en un vaso con agua. Depende fundamentalmente de: Tamaño de las moléculas. Gradiente de concentración (diferencia de concentración que se establece entre dos compartimientos separados por una membrana). Tiempo. Temperatura. ÓSMOSIS Es el pasaje de solvente desde una solución diluida hacia otra más concentrada, a través de una membrana semipermeable (deja pasar el solvente pero no el soluto). Es decir el agua fluye desde donde hay mayor potencial hídrico hacía donde es menor. En definitiva se llega también a un equilibrio de la concentración en todos los puntos. La fuerza que empuja al agua es la energía cinética de sus moléculas. Debemos conocer la definición de: PRESIÓN OSMÓTICA (PO): es la presión que las moléculas de soluto ejercen sobre las de solvente. Lo podemos esquematizar de la siguiente manera: Teniendo presente el concepto de presión osmótica, podemos tener: Solución isotónica: si consideramos dos soluciones, 1 y 2, ambas serán isotónicas si sus presiones osmóticas son iguales Solución hipotónica: dada una solución 1 será hipotónica con respecto a 2, si su presión osmótica es menor Solución hipertónica: dada una solución 1 será hipertónica con respecto 2, si su presión osmótica es mayor. 38 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros ¡Recordar! Las soluciones a inyectar en el organismo humano deben ser isotónicas con el plasma. Porque los glóbulos rojos en: - Un medio hipotónico se lisan, fenómeno denominado HEMÓLISIS. - Un medio hipertónico se crenan fenómeno denominado PLASMÓLISIS. El fenómeno de ruptura fisiológica de los glóbulos rojos a cargo del bazo, una vez que han cumplido su tiempo de vida media (120 días aprox.) se denomina hemocateresis, y es un fenómeno normal. (Diferenciar con hemólisis) EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE El agua es capaz de autoionizarse espontáneamente en un catión hidrógeno (H+) y un anión hidroxilo (OH-). En el agua la cantidad de H+ siempre es igual a la de OH-, por eso siempre es NEUTRA. En cambio… Cuando en una solución hay más H+ que OH- decimos que es ácida. Cuando en una solución hay más OH- que H+ decimos que es básica o alcalina. Según Bronsted-Lowry: ACÍDO es toda sustancia capaz de ceder H+. BASE es toda sustancia capaz de aceptar o tomar H+. 39 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Como no es práctico hablar de concentraciones de H+ y OH- para referirnos a la acidez/alcalinidad de una sustancia (por ser números complejos), se utiliza una escala que le aplica el antilogaritmo a esa concentración y se obtienen números sencillos (de 1 a 14), que es la escala de pH: Entonces en pH nos indica, indirectamente, cuántos H+ hay en la solución o sustancia. A menor pH, más H+ hay (acidez). A mayor pH, menos H+ hay (alcalinidad). Existen sistemas que regulan el pH, evitando cambios bruscos del mismo, y son los llamados BUFFERS. Cuando en una solución hay un buffer, entonces el pH de esa solución va a tender a mantenerse constante por más de que se le agreguen ácidos o bases. El buffer funciona como un amortiguador, para que no se produzcan cambios bruscos de pH que sucederían normalmente frente al agregado de ácidos o bases. En el cuerpo humano son fundamentales ya que cada compartimento (sangre, estómago, intestino, etc) debe mantener su pH constante para el normal funcionamiento, por ejemplo, de las enzimas del sector. El buffer de la sangre es muy conocido formado por H2CO3 (ácido carbónico) y NaHCO3 (bicarbonato de sodio). 40 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros TEORÍAS BIOLÓGICAS Las teorías biológicas nos dan fundamentos sobre: La mínima unidad vital → teoría celular. Cómo se han ido transformado los seres vivos en su historia → teoría evolutiva. Cuál es la base de la perpetuación de las especies → teoría genética. TEORÍA CELULAR Fue propuesta por los científicos Schleiden (primero la propuso para el reino vegetal) y Schwann (la propuso a continuación para el reino animal) “La célula es la unidad anatómica y funcional de los seres vivientes. Todos los organismos que habitan nuestro planeta están constituidos por células procariotas o eucariotas, estas últimas animales o vegetales” Existen alrededor de cinco millones de especies de animales, vegetales, protozoos y bacterias, con comportamientos, morfologías y funciones diferentes entre sí, sin embargo a nivel molecular y celular presentan un plan maestro de organización único. La biología celular y molecular comprende el estudio de las moléculas y de los componentes celulares con que se construyen todas las formas de vida. Los postulados de la TEORÍA CELULAR MODERNA establecen que: 1- Todos los organismos vivos están formados por células. 2- Las propiedades de un organismo dependen de sus células. 3- Las células se originan a partir de otras células preexistentes (biogénesis)*. 4- Dentro de la célula tienen lugar todas las reacciones químicas de los organismos vivos. 5- Las células contienen en su interior la información hereditaria, que es transmitida de célula madre a célula hija durante el proceso de división celular. *Teoría de la biogénesis: una célula se origina de otra célula preexistente. Ésta es la teoría aceptada actualmente, sin embargo ¿cómo se formó entonces la primera célula? Las primeras células hace unos 3.000 millones de años surgieron por un proceso de a-biogénesis. Se descartan las anteriores teorías de “generación espontánea” y “creación divina o sobrenatural”. Teoría de la A-biogénesis: según la teoría de Oparin - Haldane o de la Evolución química las primeras moléculas orgánicas se originaron a partir de moléculas inorgánicas en un ambiente acuoso qué se llamó “caldo primordial”. 41 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Poco a poco los compuestos orgánicos fueron aumentado su complejidad hasta que apareció el primer aminoácido y posteriormente, la primera proteína, está se rodeó de una membrana y así continuó la evolución biológica. Mecanismos de autoensamblaje: El registro fósil permite conocer que los procariotas precedieron a los eucariotas y aparecieron hace tres mil millones de años. Sólo después de mil millones de años de haberse formado la tierra aparecieron organismos semejantes a las bacterias actuales. Antes debió producirse un largo período de evolución química, donde se originaron moléculas provistas de carbono y las unidades precursoras de las futuras macromoléculas de los seres vivos, como los aminoácidos, los monosacáridos y las bases de los nucleótidos. Luego, por polimerización se formaron moléculas cada vez más complejas. Es posible que durante este periodo entraran en acción los mecanismos de autoensamblaje, hasta que se formó la primera estructura supramolecular capaz de autorreproducirse. UN POQUITO DE EVOLUCIÓN (Química y Biológica) En los tiempos pre-bióticos, la atmósfera carecía de oxígeno, contenía hidrógeno, nitrógeno, amoníaco, metano, monóxido de carbono, dióxido de carbono y agua (principalmente en forma de vapor). Estas moléculas son poco reactivas, pero interactuaron gracias a la energía de la radiación ultravioleta, el calor y las descargas eléctricas de los rayos. En ese entonces la atmósfera tampoco tenía capa protectora de ozono, de modo que los rayos ultravioletas podían bañar la superficie de la tierra, con una intensidad que resultaría nefasta para la vida actual. Esto originó moléculas intermedias muy reactivas como el acetaldehído, cianuro, formaldehído y otras a partir de las cuales se sintetizaron moléculas cada vez más complejas. La polimerización de estas moléculas pudo dar lugar a las proteínas, ácidos nucleicos y los hidratos de carbono de los seres vivos. Entonces → una vez formada la primera proteína actuaron los mecanismos de agregación o autoensamblaje. Es probable que en el caldo primordial las macromoléculas hayan formado complejos más grandes llamados proteinoides o coacervados, que tienen una pared como una membrana y un interior líquido. Estos proteinoides primitivos, pudieron tener actividad enzimática y permeabilidad, pero la ausencia de ácido nucleicos impidió su continuidad y es posible que tuvieran una vida media muy corta, ya que no pueden autorreproducirse. Sólo después de la aparición de los ácidos nucleicos aparecieron organismos capaz de perpetuarse, así apareció la primera procariota y la vida en la tierra. 42 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La célula eucariota como hoy la conocemos (aeróbica) pudo haberse originado después de la aparición de una eucariota anaeróbica. Ésta debió ser parasitada por una procariota aeróbica, que más tarde se convirtió en su mitocondria Ésta es la “TEORÍA ENDOSIMBIÓTICA” De acuerdo con el resto fósil, los organismos eucariotas debieron haber aparecido 1500 millones de años atrás, al establecerse una atmósfera de oxígeno estable, ya que hasta entonces la vida se hallaba solamente en el agua, desde donde las plantas y animales pasaron a la tierra. El surgimiento de la reproducción sexual millones de años después, aceleró la evolución de las formas vivientes los sexos hicieron posible el intercambio de información genética entre los individuos, mientras que la mutación y la selección produjeron las diferentes formas vivientes que hoy encontramos en el planeta, conocido esto como BIODIVERSIDAD. REINOS DENTRO DEL MUNDO VIVIENTE 1- Monera: Las bacterias verdaderas y las cianobacterias o algas azules. 2- Protista: Los protozoos y la mayoría de las algas, tanto unicelulares como algunas pluricelulares. 3- Fungi: Los hongos verdaderos. 4- Plantae: Las plantas verdes. 5- Animalia: Los animales. Puede considerarse un sexto reino denominado: “Archaea”, donde se 43 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros incluyen las primeras células dotadas de una membrana plasmática y el ADN en su interior, llamadas arquibacterias o extremófilas. Todas son procariotas, autótrofas o heterótrofas, unicelulares. Habitan ambientes extremos, donde no habitan otros organismos, de temperaturas muy elevadas, muy ácidos o muy alcalinos. Ej.: en pozos profundos de petróleo caliente. Son los seres vivos más antiguos de la tierra, se parecen mucho a las bacterias pero se diferencian en su composición química y en su constitución genética. Las células procariotas (“antes del núcleo”), son las más antiguas, ya que aparecieron hace aproximadamente 3500 millones de años. Es una célula muy primitiva, carece de núcleo verdadero y de organoides membranosos. Probablemente todas estas formas de vida en sus comienzos eran seres: unicelulares, anaerobios y heterótrofos. Tomaban la energía del CALDO PRIMORDIAL, pero cuando comenzaba a agotarse el mismo como fuente energética, aparecieron las procariotas autótrofas representadas por las cianobacterias que aprendieron a realizar la fotosíntesis y producir por tanto su propio alimento. Entonces: las moneras son los organismos más simples y más pequeños, aquí encontramos a las bacterias y cianobacterias o algas verdes-azules o cianófitas. La evolución de éstas provocó la aparición de células con una organización más compleja Las células eucariotas (“núcleo verdadero”), son más evolucionadas y aparecieron hace aproximadamente 750 millones de años. Formaron los restantes reinos: en el reino protista, se encuentran los organismos eucariotas unicelulares. Ej.: algas, líquenes, hongos (no “hongos verdaderos”), protozoarios. Millones de años más adelante aparecieron seres pluricelulares, que pueden ser células vegetales o animales. Características de la célula eucariota: Poseen un gran desarrollo de membranas intracelulares con núcleo verdadero. Poseen inclusiones y organoides: membrana plasmática, REL, RER, envoltura nuclear, ribosomas 80S, aparato de Golgi, mitocondrias, lisosomas, peroxisomas, citoesqueleto. Se hallan en los reinos protistas, hongos, plantas y animales. 44 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros CLASIFICACIÓN DE LOS SERES VIVOS Según la forma de obtención de la energía de los organismos pueden ser: 1- Autótrofos: Significa que obtienen su propia energía y alimento. Quimioautótrofos: Significa que aprovechan la energía proporcionada por reacciones químicas sencillas. Fotótrofos: Significa que aprovechan la energía lumínica para hacer fotosíntesis. Es decir: sintetizan hidratos de carbono a partir de CO2 y H2O. Aparentemente estos organismos surgieron cuando comenzaron a agotarse las moléculas orgánicas del ambiente. 2- Heterótrofos: Indica a organismos que se alimentan de otros, es decir que necesitan incorporar compuestos orgánicos a partir de los cuales obtienen la energía necesaria para realizar sus procesos vitales. A diferencia de los autótrofos no pueden sintetizar sus propios materiales a partir de componentes inorgánicos. Ej: el hombre. Es heterótrofo y quimiótrofo (utiliza reacciones químicas pero no crea su propio alimento). Por último, la aparición del O2 en el ambiente provocó diferentes formas de vida denominadas: Aerobias: Necesitan vivir en presencia de oxígeno. Anaerobias: No toleran el oxígeno. ¡A completar! MONERAS PROTISTAS HONGOS VEGETALES ANIMALES Ejemplos Bacterias Algas verdesazules o cianobacterias ProtozoaMohos rios Hongos Algas verdaderos simples Algas Helechos Plantas con flores Insectos e invertebrados Peces Anfibios Reptiles Aves Mamíferos Célula Procariota Nutrición Heterótrofos, fotótrofos o quimioautótrofos Organización Unicelular Reproducción Asexual 45 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros VIRUS NO cumplen con la “teoría celular”. Son organismos de extrema simplicidad, supramoleculares y de dimensiones muy pequeñas (30 a 300 nm), NO PUEDEN CONSIDERARSE CÉLULAS ya que no tienen membrana plasmática, citoplasma ni organoides (ej ribosomas), entonces son incapaces de sintetizar sus propias proteínas para llevar una vida independiente, por eso los llamamos “parásitos obligados”. Deben parasitar una célula para sobrevivir ya que dependen de la maquinaria biosintética de la célula huésped para replicar sus genes, sintetizar sus proteínas, reproducirse. Los virus son producidos por un proceso de agregación macromolecular los componentes son sintetizados por separado en diferentes lugares de la célula huésped y luego son reunidos de manera coordinada en otra parte de ella. Finalmente al multiplicarse causan la degeneración y muerte de la célula huésped. QUÍMICAMENTE PRESENTAN: Una molécula de ADN o ARN (nunca los dos) llamado core o genóforo, que es el material genético. Una cubierta proteica llamada cáspide formada por monómeros de proteínas capsómeros Algunos pueden presentar una membrana fosfolipoproteica (o sea, idéntica a la de una célula). En este caso se llaman virus “cubiertos” y esa membrana la han “robado” a una de sus células parasitadas. Genóforo Cápside Envoltura Si bien presentan algunas características de los seres vivos como “autorreproducción”, herencia y mutación, NO tienen metabolismo propio ni las demás características. Son agentes causales de enfermedades tanto en el hombre como en las plantas y otros organismos. BACTERIÓFAGO: son virus que lisan bacterias. Al infectar la bacteria pueden ocurrir dos hechos: 1. El DNA viral puede penetrar la célula y comenzar una infección o “ciclo lítico”. 2. El DNA viral puede transformarse en parte del cromosoma bacteriano, replicándose con él y siendo transferido a sus células hijas 46 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros silenciosamente. En este caso el ciclo se denomina “lisogénico”, porque de cuando en cuando, el virus llamado profago se activa y comienza un nuevo ciclo lítico (queda latente hasta que se despierta). (virión) TIPOS DE VIRUS A- Virus con ARN o retrovirus: El ARN del virus codifica la síntesis de las proteínas de la cáspide y sus enzimas. Estos virus poseen como material genético una molécula de ARN que necesita ser transcripta en una molécula de ADN, para ello disponen de una enzima: la “transcriptasa inversa” que les permite reproducirse ya que copia su ARN en ADN. A partir del ARN viral se sintetiza una cadena de ADN, luego mientras el ARN viral se degrada se fabrica la otra cadena de ADN, así se forma la estructura bicatenaria con la información del virus que se incorpora al ADN de la célula huésped, infectándolo. 47 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros VIRUS DEL SIDA El sindrome de inmunodeficiencia adquirida se identificó por primera vez en 1981, año en que aparecieron los primeros enfermos en EEUU con síntomas inexplicables y una forma de cáncer de piel muy extraña (sarcoma de Kaposi). Recién en 1983 se aísla en un laboratorio al virus causante, el VIH. Pertenece al grupo de los retrovirus. Produce una enfermedad infecciosa fatal caracterizada por una depresión pronunciada del sistema inmunológico y por el desarrollo de tumores poco comunes o por la aparición de enfermedades oportunistas graves. Otros ejemplos: sarampión, poliomelitis, influenza, adenovirus. B- Virus con ADN: a pesar de que el ADN viral tiene información para duplicarse, necesita de la célula huésped para usarle la maquinaria biosintética para la síntesis proteica. Ej.: virus de la viruela, varicela, paperas, los bacteriófagos. El virus a ARN ingresa entero a la célula a infectar, (recordar que en este tipo debe actuar la transcriptasa inversa) mientras que el virus ADN sólo ingresa el ácido nucleico. CICLO DE LOS VIRUS Alternan en dos fases: Fase extracelular: existen como partícula infecciosa inerte llamada VIRIÓN. (ADN o ARN + cápside). Aún no ha ingresado a ninguna célula. Fase intracelular: el virus existe bajo la forma de ADN o ARN replicándose dentro de la célula huésped. VIROIDES: son organismos más simples que los virus. Atacan a células vegetales y están formados por una sola molécula de ARN, no poseen la cubierta proteica o cáspide. PRIONES Existen agentes infecciosos aún más simples que los virus que se llaman priones o proteínas priónicas y son partículas proteináceas SIN ácido nucleico asociado. Son proteínas que se autorreplican e infectan células eucariotas animales. Se conoce que transmiten la “picazón”, que es una enfermedad de las ovejas, y también el mal de la “vaca loca” (encefalopatía espongiforme bovina o EEB) y en humanos la enfermedad de Creutz-Feldt-Jacob (ECJ). Igual que los viroides, NO se conoce muy bien el mecanismo por el cual ejercen su efecto patogénico. 48 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Se sabe que la enfermedad en humanos se da por el cambio de forma de una proteína (PrP). Ésta da lugar a una forma anormal, llamada prión (PrPSc), cuya presencia produce una destrucción progresiva y mortal al cerebro. El pasaje de la forma normal de la proteína a la forma patológica, es catalizado por el mismo prión, de modo que basta una pequeña cantidad de éste para provocar la transformación de toda la proteína normal. 49 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros CÉLULA PROCARIOTA En este grupo encontramos a las bacterias y las cianófitas (cianobacterias ó algas verdes azuladas), y los micoplasmas que son más pequeños que los anteriores. Miden unos pocos micrómetros (1 a 10 µm de largo y 0.2 a 1 µm de ancho) y son unicelulares. Las FORMAS que pueden presentar son: esféricas como los cocos, alargados como las bacilos, espiraladas o helicoidales como los espirilos o tener forma de bastón corto y encorvado como los vibriones. Además pueden vivir en forma aislada o en colonias. Cocos Bacilos Espirilos Vibriones Micoplasmas: Son células procariotas muy pequeñas cuyo diámetro oscila entre 0.1 a 0.25 µm, es decir, como si fueran “virus grandes”. Se definen como pequeñas bacterias que producen enfermedades infecciosas en diferentes animales y en el hombre. Poseen una masa mil veces menor que el tamaño promedio de una bacteria y un millón de veces menor que el de una célula eucariota. Y no poseen pared celular. LA CÉLULA PROCARIOTA CONSTA DE: 1- MEMBRANA PLASMÁTICA: tiene la estructura de bicapa lipídica con proteínas periféricas e integrales, y además contiene las enzimas respiratorias y fotosintéticas en los casos que corresponda. Esquema de la membrana plasmática bacteriana: 2- PARED CELULAR: es rígida y acelulósica (no formada por celulosa), formada por proteínas y mucopolisacáridos. Constituye la envoltura de las bacterias, ubicada por fuera de la membrana plasmática. Todas las bacterias tienen pared excepto los micoplasmas. Funciona como un exoesqueleto que mantiene la forma. 50 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Sirve de protección mecánica. La protege de las diferencias de presión osmótica, de lo contrario la bacteria estallaría. Es la base del fundamento de la coloración de Gram. Coloración de Gram La composición de la pared es diferente según se trate de bacterias Gram (+) o Gram (-). Poseen un componente común que es el peptidoglicano (también llamado mureína o mucocomplejo de Park), formado por polisacáridos unidos por cadenas peptídicas cortas. Las bacterias Gram (+) poseen: Peptidoglicano: es el constituyente fundamental de la pared. Es más grueso en las Gram (+). Ácidos teicoicos: su ubicación no está definida. En gran porcentaje está unido al ácido murámico del peptidoglicano. Interviene en el mantenimiento de la integridad de la pared celular, actúan como antígenos de superficie y actúan en la recepción de fagos. Ácidos lipoteicoicos: estás asociados a la membrana plasmática, atraviesan la pared y sobresalen de ella. Intervienen parcialmente en la adherencia bacteriana. Las bacterias Gram (-) poseen: Capa interna: constituida por una capa más delgada de mureína que en las Gram (+), sumergida en el llamado “espacio periplásmico”. Lipoproteína de Braun: que establece una unión entre la capa de peptidoglicano y la membrana externa. Capa externa o membrana externa: constituida por: 51 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros o Fosfolípidos. o Lipopolisacáridos, formados por: Lípido A: responsable de la función toxigénica. Polisacárido o core. Antígeno “O” o somático: antígeno de superficie. Es uno de los antígenos fundamentales de las bacterias Gram (-). o Proteínas: que constituyen las porinas (pequeños canales o poros que permiten el paso de moléculas hidrofílicas de tamaño reducido) Espacio periplasmático: es un gel periplasmático que contiene agua y moléculas libres donde se encuentra suspendida la delgada capa de peptidoglicano. Se encuentra entre la parte externa de la pared celular y la membrana citoplasmática. Contiene una variedad de enzimas hidrolíticas que intervienen en el metabolismo celular, factores de virulencia líticos (colagenasas, hialuronidasas), en algunas bacterias, especialmente Gram (-), hay enzimas inactivantes de antimicrobianos llamadas beta-lactamasas. El uso de la coloración de Gram es universal, fue descubierto por un microbiólogo danés Hans Christian Gram. Es una coloración diferencial que se utiliza en rutina en el diagnóstico bacteriológico, permite distinguir la morfología (coco o bacilo), tinción Gram (+) o (-) y disposición, en pares (diplococos), en cadena (estreptococos), o en racimos (estafilococos). Fundamento de la coloración: Los reactivos de la técnica son (entre otros): - Colorante cristal violeta. - Alcohol/acetona (decolorante) - Contracolorante: fucsina (rosado) Después de esto las Gram (+) quedan violetas y las Gram (-) rosas Seguimos con los componentes de la procariota: 3- En algunos casos existe una “CÁPSULA GELATINOSA”, por fuera de la pared celular. Favorece la adhesividad de la bacteria. 4- CITOPLASMA: integrado por un citosol o matriz que contiene agua, enzimas y otras moléculas biológicas (glúcidos, lípidos, etc). 5- Los únicos organoides citoplasmáticos presentes en todas las procariotas son los RIBOSOMAS 70S, (los ribosomas no son membranosos). 52 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros 6- MESOSOMAS: son prolongaciones de la membrana plasmática en algunas bacterias. Antes se creía que tenían alguna función en la duplicación celular. Hoy se acepta que pueden ser un “artificio de técnica”, no verdaderas estructuras bacterianas. 7- Laminillas membranosas FOTOSINTÉTICAS con pigmentos que captan la luz solar, presentes especialmente en cianobacterias. 8- Presentan una zona central llamada región central o NUCLEOIDE, con el cromosoma bacteriano formado por una molécula bicatenaria y circular de ADN desnudo = su unión a proteínas es débil (no está asociado a histonas). También se lo denomina Genóforo: es el nombre que se le da al cromosoma procariota. En la Escherichia coli, su ADN, tiene una longitud aproximada de 1,4 mm, contiene la información para codificar entre 2000 y 3000 proteínas distintas, lo que implica aproximadamente 3.400 pares de bases. ¡Para comparar! La cantidad de ADN en los organismos superiores puede ser varios cientos de veces mayor, 1200 veces en el caso del hombre. Así, el ADN completamente extendido de una célula humana tiene una longitud total de alrededor de 1,70 m. No poseen una envoltura nuclear que permita diferenciar un núcleo verdadero. Por lo tanto el cromosoma está en contacto directo con el citoplasma y se une a la membrana plasmática, lo que está relacionado con el mecanismo de reproducción de las bacterias. FISIÓN BINARIA O AMITOSIS Proceso: el material genético se duplica, la célula se agranda y se divide en dos células hijas, cada una con una copia de ADN. Fisión binaria La Escherichia coli se cultiva fácilmente a 37ºC, en soluciones acuosas con iones, glucosa, aminoácidos y nucleótidos. En dicho medio se comprueba que duplica su masa y se divide en aproximadamente 20 minutos. 53 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros 9- Algunas bacterias presentan una molécula de ADN extracromosómico, también circular, llamado PLÁSMIDO, que se relaciona con la resistencia bacteriana frente a ciertos antibióticos. 10- ARN 11- Gránulos de almacenamiento (nutrientes). 12- Componentes inorgánicos y orgánicos. También pueden tener: 13- FLAGELOS: son apéndices filiformes de naturaleza proteica (flagelina), que existen en mayor frecuencia en las bacterias Gram (-). La flagelina es una asociación de subunidades de proteína helicoidal. Le dan movilidad a las bacterias y tienen capacidad antigénica. 14- PILI O FIMBRIAS: son estructuras de superficie, más cortas y finas que los flagelos, también de naturaleza proteica (pilina). También se encuentran con mayor frecuencia en las bacterias Gram (-). Se clasifican en pilis comunes y sexuales. Los comunes intervienen en la adherencia bacteriana y es el primer paso de la colonización y posterior infección, también poseen capacidad antigénica. Los pilis sexuales intervienen en la transferencia de material genético (el plásmido) de una bacteria a otra mediante un mecanismo conocido como conjugación. CONJUGACIÓN: Es un mecanismo de transferencia de genes que provee de variabilidad genética a las bacterias. El plásmido es transferido de la célula dadora o macho a través de su pili sexual a la célula receptora o hembra. El mecanismo requiere el contacto de célula a célula y no es sensible a las ADNasas. La información que se ha compartido puede, por ejemplo, relacionarse con mecanismos de resistencia bacteriana frente a antibióticos. Hay bacterias heterótrofas, fotótrofas y quimioautótrofas, algunas son aerobias y otras anaerobias. Se hallan solamente en el reino Monera. ESPORAS Son una forma de resistencia bacteriana ante situaciones adversas: desecación, agentes físicos (frío o calor), agentes químicos y deficiencias nutricionales. Se observa como una estructura refringente esférica u oval que puede estar en el interior de la bacteria (endospora) o rodearla externamente (exospora). 54 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La formación de esporas es exclusiva de los bacilos Gram (+) y el mecanismo se denomina esporulación. En condiciones medioambientales favorables pueden transformarse nuevamente en la célula vegetativa original, mecanismo denominado germinación. A pesar de que la mayoría de las bacterias son patógenas, es decir, invaden organismos superiores provocando enfermedades infecciosas, también son indispensables para el mantenimiento de la vida sobre la tierra, ya que permiten el reciclaje de materia en el ecosistema. Otras resultan incluso beneficiosas, por ejemplo las que se encuentran en el intestino humano (flora) que nos sintetizan la vitamina K. PARA TENER EN CUENTA - La Teoría Endosimbiótica fue propuesta por Lynn Margulis y explica la asociasión de procariotas para evolucionar a la primer célula eucariota aeróbica y es la que considera que las mitocondrias serían vestigios de organismos procariotas. - Se considera esterilización a la destrucción de todas las formas de vida, incluidas las esporas. Ej.: autoclave. - La penicilina, primer antibiótico, fue descubierta por Alexander Fleming en el año 1928 accidentalmente. No todas las bacterias son destruidas por la penicilina. 55 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros CÉLULAS EUCARIOTAS Su volumen es mucho mayor que las procariotas y poseen mayor complejidad. La diferencia clave con las procariotas es que poseen membranas internas, lo que las divide en compartimientos específicos, entre ellos el núcleo. Presentan: - NÚCLEO rodeado por doble envoltura membranosa, donde hay poros que permiten la intercomunicación con el citoplasma y que encierra varias moléculas de ADN asociado a histonas. - CITOPLASMA con organoides membranosos (cuyo interior está separado del citosol) y no membranosos, agua, iones, diversas encimas e inclusiones. También encontramos estructuras proteicas que forman el citoesqueleto. ORGANIZACIÓN DE UNA CÉLULA EUCARIOTA. Podemos dividirla inicialmente en 3 grandes componentes: Los Límites Celulares El Núcleo El Citoplasma (todo lo que queda comprendido entre los límites celulares y el núcleo) 56 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros A continuación se describen los componentes y los subcomponentes que los forman, indicando para cada uno sólo las PRINCIPALES FUNCIONES, ya que más adelante cada parte será vista en detalle. LÍMITES CELULARES Membrana Plásmática: permeabilidad celular, relación con el exterior. Cubierta celular o glucocáliz: interacciones celulares, adhesión, reconocimiento. Sólo en células animales. Pared celular: constituida principalmente de celulosa (comparar con la bacteria). Protección. Sólo en células vegetales. NÚCLEO Cromatina o cromosomas (ADN + histonas): Sistema de información genética. Nucléolo/s: síntesis de ribosomas. CITOPLASMA CITOSOL: aloja los componentes no membranosos. o Enzimas solubles: glucólisis y otras reacciones metabólicas. o Citoesqueleto: forma, sostén, motilidad celular, organización de organoides. o Ribosomas: síntesis proteica. o Inclusiones: reserva energética, acumulación de residuos o de pigmentos. ORGANOIDES MICROTUBULARES: o Centriolo y huso acromático: división celular (sólo en cél. animales) o Cuerpos basales, cilios, flagelos: motilidad celular ORGANOIDES MEMBRANOSOS: o Que forman parte del Sistema de Endomembranas: Envoltura nuclear: compartimentalización y permeabilidad nuclear. RER y REL: síntesis y transporte de proteínas y lípidos (respectivamente). Complejo de Golgi: transformación, empaquetamiento y distribución de productos. Formación de lisosomas. Secreción celular. Endosomas y Lisosomas: digestión celular. Vesículas: acumulación y transporte de productos. o Que NO forman parte del Sistema de Endomembranas: Mitocondrias: respiración celular, obtención de energía, síntesis de ATP. Tienen membrana doble. Cloroplastos: fotosíntesis (sólo en cél. vegetales). Tienen membrana doble. Microcuerpos (Peroxisomas): destoxificación celular. Vacuolas: reserva de agua (en la célula vegetal). 57 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros COMPARACIÓN ENTRE PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS Característica Ejemplos Dimensión celular Núcleo diferenciado Estructura ADN PROCARIOTA EUCARIOTA Bacterias Protozoarios Cianobacterias Hongos Micoplasmas Vegetales (Reino Monera) Animales 1- 10 µm 10 - 100 µm Ausente Presente Filamento único, circular y desnudo Varios filamentos, organizado en cromosomas, lineal y combinado con proteínas Histonas Ausentes Presentes Cantidad 105 a 107 nucleótidos 108 o más de 109 nucleótidos Nucléolo Ausente Presente División Amitosis (fisión binaria) Mitosis y meiosis No celulósica (formada de Celulósica, pero sólo en células proteoglicanos) vegetales. Excepcional el colesterol En animales abunda el colesterol Biosíntesis de ARN y En el mismo compartimento EN núcleo transcripción y proteínas celular (citosol) en citosol traducción Endomembranas Ausentes Presentes Cloroplastos Ausentes Presentes (sólo en cél vegetal) Ribosomas 70S (50S + 30S) 80S (60S + 40S) Citoesqueleto Ausente Presente Locomoción Flagelo flagelina Cilios y flagelos tubulina Captura y digestión No hay endocitosis, no hay Endocitosis y presencia de lisosomas de moléculas digestión intracelular (digestión celular) Diferenciación u Inexistente. Únicamente organización unicelulares. No hay tejidos Pared celular Composición de membranas 58 Gran diferenciación celular. Posibilidad de formar tejidos y sistemas de órganos Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros ESPECIALIZACIÓN CELULAR En organismos unicelulares, su única célula cumple múltiples funciones. En cambio, en organismos multicelulares las células han evolucionado, es decir, se han especializado para cumplir una determinada función cada una. A esta especialización celular se la llama diferenciación celular. La diferenciación celular depende de qué tipo de PROTEÍNAS se expresan más en cada célula, por ejemplo: en un miocito abundan proteínas contráctiles, en una neurona encontramos neurotransmisores y proteínas del axón, en un glóbulo rojo encontramos hemoglobina. Sin embargo todas las células tienen proteínas comunes: las de la membrana plasmática, las de la glicólisis, etc., y también son frecuentes las células que cumplen varias funciones. Ejemplos de Especialización Celular completar Tipo celular FUNCIÓN Célula del páncreas Macrófagos Células de ovario/testículo Células de riñón/intestino Neurona Célula muscular Eritrocito Secreción de proteínas Digestión de sustancias Síntesis de esteroides Absorción Conducción Contractilidad Transportar oxígeno 59 Organoide más desarrollado Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros CÉLULA EUCARIOTA VEGETAL La biología celular de las plantas es esencialmente similar a la de los animales, pero la célula eucariota vegetal presenta características que la distinguen: PARED CELULAR: puede ser comparada con un “plástico reforzado con fibra de vidrio”, ya que está constituida por un retículo microfibrilar incluido en una matriz de moléculas unidas entre sí. Las microfibrillas están compuestas por celulosa, son cadenas rectas de polisacáridos formados por glucosa que se denominan cadenas de glucano. 2000 cadenas de glucano se unen mediante puentes de hidrógeno y forman así la microfibrilla. Estas microfibrillas de celulosa se asocian entre sí y componen un enrejado semicristalino. La matriz de la pared celular contiene algunos polisacáridos no celulósicos (sustancias pécticas, hemicelulosa, ceras) y lignina, el principal componente de la madera. La lignina sólo se encuentra en paredes de células maduras. La pared celular es compleja y en algunos vegetales se halla muy diferenciada. Suelen contener dos componentes: Pared primaria: esta capa sólo contiene pectina, comienzan a formarse con la división celular. Pared secundaria: aparece cuando la célula alcanza su madurez. Son materiales agregados sobre la superficie interna de la pared primaria, entre ésta y la membrana plasmática, sea como espesamiento localizado o como espesamiento homogéneo. En ambos casos la pared secundaria queda formada por celulosa, hemicelulosa y escasas sustancias pécticas. La infiltración de lignina en los espesamientos localizados ocupa el lugar del agua e infiltra a la matriz y a las microfibrillas celulósicas. Cuando la pared se lignifica la célula vegetal muere. DIBUJAR: 60 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros CITOPLASMA: presenta particularidades como: Vacuolas: son estructuras de gran tamaño limitadas por una membrana simple. Guardan líquido y se usan para regular el volumen y la turgencia de la célula. Representan entre el 10 y el 90% del volumen de citoplasma. Algunas se comportan como lisosomas, ya que contienen enzimas hidrolíticas. Plasmodesmos: son puentes entre los citoplasmas de las células vegetales que las hacen continuas, permiten la libre circulación de líquidos y solutos. Glioxisomas (ver microcuerpos más adelante). Cloroplastos (ver plástidos más adelante). Inclusiones de almidón. NO POSEE CENTRÍOLOS pero sí verdaderos centrosomas responsables de la formación de microtúbulos para el huso mitótico (estructura que realiza la mitosis). Se dice que las mitosis en las células vegetales son anastrales, es decir, carecen de centríolos y de fibras del áster. Esto indujo a sospechar que los centríolos no son indispensables para la formación de microtúbulos como se creía antes. 61 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros CÉLULA EUCARIOTA ANIMAL Es un tipo de célula heterótrofa quimiótrofa: significa que utiliza como fuente de energía reacciones químicas, concretamente aquellas de óxido-reducción. Transforma la energía por medio de dos procesos fundamentales que son: 1-) RESPIRACIÓN CELULAR: por este proceso se degradan u oxidan hidratos de carbono, lípidos, proteínas y la energía que se libera se almacena en forma de ATP, para luego ser utilizada. Este proceso es exergónico. La respiración celular puede ser: Respiración aeróbica: ocurre cuando el último aceptor de e- es el O2. Es decir: USA OXÍGENO. El hombre es un organismo aerobio, y este proceso ocurre en las mitocondrias celulares. Respiración anaeróbica: el último aceptor de e- es una molécula distinta de O2. Ej.: iones nitrato o iones sulfato. O sea, NO usa oxígeno. Algunas bacterias por ejemplo son organismos anaeróbicos. 2-) TRABAJO CELULAR: por este proceso se utiliza la energía liberada durante la respiración celular (que está guardada en el ATP) y se usa para efectuar trabajo químico, eléctrico o mecánico. Es un proceso endergónico. Para estudiar la célula eucariota animal se la divide en numerosos compartimentos, entre los que sobresale el NÚCLEO. La parte de la célula que no corresponde al núcleo es el CITOPLASMA, que puede subdividirse esquemáticamente en dos espacios, el “citosol” y el encerrado en el interior de los organoides o “intraluminal”. El citosol es considerado el verdadero medio interno celular, que se extiende desde la envoltura nuclear hasta la MEMBRANA PLASMÁTICA y que llena el espacio no ocupado por el sistema de endomembranas, las mitocondrias y los peroxisomas. CITOSOL En él se encuentran: Los elementos del citoesqueleto (incluido centrosomas con centríolos). Un gran número de enzimas (por ejemplo las de la glucólisis). La mayoría de las moléculas que conducen señales dentro de la célula. Los compuestos que dirigen la síntesis de las proteínas (ARN y ribosomas). Los proteasomas. Las chaperonas Las inclusiones. En promedio representa el 50% del volumen del citoplasma. Su pH es de 7,2. 62 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros En el citosol se realizan importantes funciones como la síntesis de proteínas y la glucólisis. ¿Qué es la GLUCÓLISIS? Es la degradación de la glucosa con fines energéticos, ya que la glucosa es nuestro combustible. El citosol actúa como un gel estructurado (coloidal) con propiedades viscosas y elásticas. Al Microscopio Óptico (MO): su aspecto es homogéneo y sin estructura visible. Al Microscopio Electrónico (ME): se observa una malla tridimensional constituida por filamentos (los componentes del citoesqueleto). En en él se encuentran: 1- Agua: en su mayor porcentaje, actúa como “fase dispersante”. Y una “fase dispersa” donde encontramos: 2- Proteínas: tubulina, actina, etc. 3- Enzimas solubles: de la glucólisis, de ácidos grasos, etc. 4- Iones (electrolitos). Además: 5- Organelas u organoides: son los componentes estables de la célula y que desarrollan una función determinada. Ej.: ribosomas. 6- Inclusiones de glucógeno, grasa o pigmentos: son los constituyentes NO estables que representan los productos del metabolismo de las células. 7- Diversas moléculas: en solución que han sido producidas por la célula o tomadas del espacio extracelular. Los organoides intracelulares se dividen según posean o no membrana en: Organitos membranosos, son: Núcleo. Retículo endoplasmático liso (REL). Retículo endoplasmático rugoso (RER). Complejo de Golgi. Endodomas y Lisosomas. Vesículas. - Mitocondrias. - Microsomas. - Cloroplastos (célula vegetal). Organitos NO membranosos, son: - Ribosomas. - Componentes del citoesqueleto. 63 RECORDAR: los que poseen un círculo son los que “forman parte del sistema de endomembranas”. En el caso del núcleo es más correcto decir que es la membrana nuclear la que forma parte del sistema. Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros MEMBRANA PLASMÁTICA, CELULAR, O PLASMALEMA Es una estructura dinámica de 6 a 10 nm de espesor. No puede distinguirse su estructura al microscopio óptico, sí al electrónico. Funciones: Regula la mayoría de las interacciones entre la célula y su entorno, entonces, es indispensable para mantener la integridad y características propias del medio interno celular. Aísla a la célula del medio, pero al mismo tiempo la relaciona con él, por ejemplo seleccionando qué materiales entran o salen. Regula el pasaje de sustancias, gracias a su PERMEABILIDAD SELECTIVA. Limita el medio intracelular del extracelular dando individualidad a la célula. Protege a la célula actuando como una barrera de contención. Puede especializarse para cumplir funciones específicas. Ej: microvellosidades, flagelos. Participa del reconocimiento celular (de otras células y tejidos) a través del glucocáliz. Recepta gran cantidad de señales químicas que provocan respuestas en la célula a través de proteínas receptoras. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA MEMBRANA Químicamente la membrana es LIPOPROTEICA, es decir, constituida por lípidos y proteínas. Éstos se unen con carbohidratos por enlaces covalentes formando glucolípidos y glucoproteínas. La parte glucídica de la membrana se denomina glucocáliz. 64 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros LIPIDOS Forman una bicapa. Como los fosfolípidos son anfipáticos o anfifílicos, al disponerse entre dos fases acuosas (citosol y medion extracelular), las colas hidrófobas se ubican enfrentadas internamente, y las cabezas polares se ubican externamente dirigidas hacia ambos medios acuosos. Se forma lo que se denomina un “liposoma”. Encontramos: Fosfolípidos: tanto “glicero” como “esfingo” fosfolípidos. El fosfolípido que predomina en las membranas biológicas es fosfatidilcolina (es un glicerofosfolípido). Colesterol Glucolípidos: como por ej: galactolípidos (cerebrósido). La membrana es asimétrica: porque presenta distintos tipos de lípidos en las dos capas. PROTEÍNAS Existen importantes cantidades de proteínas, se consideran el soporte mecánico de la membrana. En promedio la proporción de lípidos y proteínas es la misma (50% y 50%), pero varía en distintos tipos celulares. Por ej: en vainas de mielina hay 80% lípidos y 20% proteínas. En la membrana interna de las mitocondrias esta relación se invierte. Encontramos: PROTEÍNAS INTRÍNSECAS O INTEGRALES: son las más abundantes. Pueden ubicarse: En el espesor de la membrana intercaladas con los lípidos con los cuales se unen mediante aminoácidos hidrófobos, atravesando toda la membrana de punta a punta y sobresaliendo por los extremos. Éstas son las “transmembranosas”, que a su vez pueden ser monopaso o multipaso según la cantidad de veces que atraviesen la membrana. En la membrana pero ir desde el sector hidrófobo hasta una de las caras (ya sea la citosólica o la extracelular), por la que emergen. En la periferia, adosada a la membrana por una de sus caras, sin atravesarla, se unen en forma covalente a una proteína o a un lípido de la membrana. Son las llamadas “periféricas”, pero siguen siendo intrínsecas. 65 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Estas proteínas integrales se unen fuertemente a la membrana (enlaces covalentes) su separación requiere métodos drásticos (detergentes o solventes especiales). Son moléculas anfipáticas al igual que los fosfolípidos ya que poseen sectores hidrófilos y sectores hidrófobos. Funciones: estas proteínas pueden: Regular el paso de materiales a través de la membrana. Ej: canales de iones, permeasas, etc. Cumplir funciones enzimáticas. Ej: la bomba de Na y K, también llamada Na+/K+ ATPasa. Ser receptores hormonales. Ej: receptores para insulina. Ser receptores para neurotransmisores. Ej: en las sinapsis neuronales. Ser antígenos de histocompatibilidad. Contribuir a la formación de uniones intercelulares. Ej: las cadherinas. Tener función estructural. PROTEÍNAS EXTRÍNSECAS O PERIFÉRICAS: No penetran la bicapa, se ubican sobre ambas caras de la membrana, asociándose a proteínas y lípidos en forma NO covalente, es decir mediante enlaces débiles. Por lo tanto se separan o extraen fácilmente con soluciones salinas. Sólo tienen función estructural. Las proteínas se ubican de forma asimétrica también (igual que los lípidos) respecto a ambas caras de la membrana. Por último los glúcidos que forman el glucocáliz (que ya veremos más adelante) se ubican sólo en la cara externa, la que da al medio extracelular. Es decir que la membrana plasmática tiene una DISTRIBUCIÓN ASIMÉTRICA porque sus tres componentes se distribuyen de manera diferente hacia una superficie o la otra, entonces las dos hemicapas son distintas por el tipo y proporción de moléculas lipídicas, proteicas y glucídicas que la forman 66 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros GLÚCIDOS Las membranas celulares contienen entre un 2 y un 10% de hidratos de carbono. Se hallan unidos covalentemente a lípidos y proteinas formando glucolípidos y glucoproteínas. Los glucolípidos se clasifican en cerebrósidos y gangliósidos. Las glucoproteinas poseen principalmente oligosacáridos. Cuando están unidas a polisacáridos, forman proteoglicanos (proteína más GAG). Se ubican sólo en la cara externa de la membrana. Más adelante veremos en más detalle este tema, la función, etc. TÉCNICAS DE COLORACIÓN Para M.O: no se la puede distinguir, se la observa indirectamente identificando alguno de sus componentes, como por ejemplo la actividad de la fosfatasa alcalina (enzima marcadora de la membrana), mediante técnica de Gomori. Al M.E: se la observa con la estructura que ya hemos descripto, y que recibe el nombre de Modelo de Singer y Nicholson o de “mosaico fluido” (1972). A través de una técnica de criofractura, ellos pudieron obtener una réplica de la membrana y así fue observada al M.E. Este modelo propone que la membrana tiene una estructura semilíquida y químicamente es una bicapa de fosfolípidos y en menor medida colesterol, con proteínas intercaladas (incrustadas como piedras en un mosaico) entre ellos, más la capa de glúcidos sólo en la capa externa. Pero no es un mosaico estático, sino que posee mucha FLUIDEZ: los fosfolípidos pueden rotar sobre su eje, desplazarse en forma lateral en la bicapa y además saltar de una capa a la otra mediante un movimiento llamado flip-flop, catalizado por 67 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros enzimas flipasas (menos común). La fluidez es una propiedad esencial de los fosfolípidos de bajo punto de fusión, es decir, de los insaturados. Al tener bajo punto de fusión tienden más al estado líquido que al sólido y por lo tanto son más fluidos. Los ácidos grasos saturados en cambio, dan más rigidez a la membrana, igual que el colesterol. Las proteínas también pueden rotar sobre su eje y desplazarse lateralmente, esto es porque se asocian a los lípidos que las movilizan, pero no pueden saltar de una capa a la otra. Se las ha comparado con un “iceberg” que flota en la bicapa lipídica. MEMBRANAS BIOLÓGICAS INTRACELULARES Dentro de la célula eucariota encontramos membranas internas que dividen los distintos compartimientos celulares. Forman el denominado “Sistema de Endomembranas” que veremos más adelante. La composición química de las membranas internas es la misma que la plasmática: bicapa lipídica con proteínas incrustadas, más la capa de glúcidos, pero esta última mira hacia dentro, hacia la superficie interna de la vesícula o cisterna. MEMBRANA CELULAR DEL ERITROCITO El eritrocito o glóbulo rojo es una célula anucleada, cuya función es transportar oxígeno en la sangre para lo cual posee una proteína especial llamada hemoglobina. Sus membranas se han podido estudiar en detalle ya que se obtienen muy puras por presentar pocos organoides. Posee un conjunto de proteínas membranosas y citoesqueléticas asociadas, que le confieren una gran flexibilidad a la célula para poder circular por capilares sanguíneos de diámetros inferiores al suyo, además de la morfología bicóncava que lo caracteriza. Estas proteínas son: Transmembranosas: glicoforina y banda 3 (o intercambiadora de iones) Citoesqueléticas: actina y espectrina Ligadoras: banda 4.1, anquirina y aducina. Se disponen de la siguiente manera: 68 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros POTENCIAL DE MEMBRANA En el interior y exterior de la célula existen diferentes aniones y cationes, según vimos al comienzo del curso. La diferencia de concentración de iones determina un potencial eléctrico denominado potencial de membrana o de reposo, que es necesario para el normal funcionamiento de la célula, especialmente para neuronas y miocitos. La desigual distribución de iones a ambos lados de la membrana lleva a que la superficie interna sea electronegativa con respecto a la externa que es electropositiva. Decimos que la membrana está polarizada. El mantenimiento de este potencial eléctrico se debe en gran medida a la bomba de Na y K, como veremos más adelante. Es de vital importancia en células excitables, ya que esta distribución desigual de las cargas hace que la célula pueda responder a estímulos. Por ejemplo en las neuronas, la llegada de un estímulo excitatorio en la sinapsis, genera la apertura de canales de Na+. Este ión va a entrar al citosol a favor de su gradiente (recordar que se encuentra más concentrado afuera de la célula). Este ingreso masivo del Na+ modificará la polarización de la membrana, invirtiérdola: ahora la cara interna será más positiva que la externa. Decimos que se ha “despolarizado” la membrana, y esto genera un potencial de acción, que le permite a la neurona continuar con el impulso eléctrico. Si en cambio la llegada del estímulo generara la apertura de los canales de Cl -, sería un estímulo inhibitorio: el Cl- también está más concentrado afuera, por lo que entraría, profundizando la polaridad de la membrana. Decirmos que se “hiperpolariza”. Este mecanisco permite “bloquear” a la neurona dejándola menos incapaz de responder, según sea necesario. 69 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Video: Potencial de membrana CUBIERTA CELULAR O GLUCOCÁLIZ Es la estructura que está rodeando la membrana plasmática en su parte externa, mide entre 10 a 20 nm de espesor (recordar que la membrana plasmática 6 a 10 nm). Químicamente está formada por cadenas de glúcidos que provienen de los glucolípidos y glucoproteínas de la membrana. Son OLIGOSACÁRIDOS (cadenas cortas). También puede contener enzimas extracelulares y en algunas células contiene fibronectina y glicosaminglicanos ácidos que se unen a proteínas de la membrana y forman los proteoglicanos. FUNCIONES: Proteger la superficie celular de agresiones mecánicas y químicas. Ej: en las células de la superficie de la mucosa digestiva – intestinal, las protege del contacto con los alimentos y de los efectos destructivos de las enzimas digestivas. Debido a la presencia del ácido siálico en muchos de los oligosacáridos del glicocáliz, la carga eléctrica de la superficie es negativa. Esto atrae cationes del medio extracelular, que quedan retenidos en la cara exterior de la célula. Ej: útil en células nerviosas y musculares que necesitan al Na+ para despolarizarse. Algunos oligosacáridos del glicocáliz son necesarios para los procesos de reconocimiento y adhesión celular. Ej: importante en trasplante de órganos y tejidos, “rechazo”, etc. También se ve entre células del mismo individuo cuando éstas migran uniones transitorias a través de selectinas (lo veremos más adelante). En las células tumorales malignas se han observado cambios en algunos oligosacáridos de la membrana, lo cual ha llevado a suponer que influyen en la conducta anormal que éstas asumen. Se cree que alteran la recepción de las señales que controlan las divisiones celulares: Eso provoca que dejen de comportarse como células vecinas y muestren un crecimiento y reproducción descontrolado tumor. La membrana plasmática que circunda varias veces el axón de algunas neuronas para formar la vaina de mielina contiene abundantes glicolípidos, los cuales contribuyen al aislamiento eléctrico del axón. 70 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La especificidad del sistema “ABO” de grupos sanguíneos se halla determinada por ciertos oligosacáridos muy cortos y parecidos entre sí, presentes en la membrana plasmática del eritrocito. Estos oligosacáridos sólo difieren en sus monómeros terminales. Si el monómero terminal es la N-acetilgalactosamina, la persona es del grupo A. Si el monómero terminal es la galactosa, la persona es del grupo B. SI coexisten oligosacáridos con N-acetilgalactosamina y oligosacáridos con galactosa, la persona es del grupo AB. Si no tiene el monómero terminal, la persona es del grupo 0. Algunas toxinas, bacterias o virus se unen a la superficie de las células que atacan por medio de oligosacáridos específicos presentes en la membrana plasmática de las células como paso previo a su invasión. Determinadas glicoproteínas del glucocáliz tienen propiedades enzimáticas. TÉCNICAS DE COLORACIÓN Para M.O: o PAS: tiñe glúcidos, se ve rojo violáceo. o Alcian Blue: tiñe glicoproteínas ácidas sulfatadas, es un colorante básico y tiñe celeste. Se usa donde estén los GAGs. Para M.E: se lo observa con metales pesados, como rojo de rutenio o cadmio. Se observan largos filamentos ramificados. El glicocáliz se renueva constantemente. Está muy desarrollado en epitelios de revestimiento que forman diferentes mucosas. Ej: el epitelio que reviste la parte interna del intestino delgado. 71 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros PERMEABILIDAD CELULAR Existe un flujo continuo de sustancias que entran y salen de la célula y circulan por su interior. Para ello los solutos (iones y moléculas pequeñas) deben pasar a través de las membranas celulares, tal fenómeno se denomina permeabilidad. En lo que respecta a iones y macromoléculas, para atravesar las membranas algunas utilizan canales membranosos especiales, otras pasan por permeasas de sofisticada composición, y otras se valen de pequeñas vesículas. De este fenómeno depende el mantenimiento de la vida celular ya que en general Entran sustancias nutritivas, salen productos de desecho, entran y salen iones según necesidad, etc. El transporte a través de la membrana depende del gradiente eléctrico y del gradiente químico (de concentración) que constituyen el “gradiente electroquímico”. También el transporte depende de: Tamaño Liposolubilidad Carga Disponibilidad de transportadores (canales, permeasas, etc.) Las membranas plasmáticas e intracelulares son de permeabilidad selectiva El pasaje de solutos a través de las membranas puede ser: PASIVO: se cumple a través de la bicapa lipídica o a través de estructuras especiales, pero sin gasto de energía, ya que es a favor de gradiente. ACTIVO: cuando se consume energía, ya que es en contra del gradiente o requiere fusión de membranas. Siempre utiliza estructuras transportadoras o vesículas y gasta ATP. 72 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros IONÓFOROS Y ACUAPORINAS: 2 tipos particulares de transporte pasivo. Ionóforos Estas sustancias tienen la propiedad de poder incorporarse a las membranas y aumentar la permeabilidad a ciertos iones. En general son fabricados por bacterias como mecanismos defensivos. Existen dos tipos distintos: Formadores de canales: Son proteínas con estructura helicoidal, en cuyo interior de la hélice hay una región hidrofílica que permite el paso de iones monovalentes (con una sola carga eléctrica). Ejemplo: el antibiótico Gramicidina Transportadores móviles: Se unen reversiblemente a un ión que se encuentra en el medio con mayor concentración, giran en la bicapa y lo liberan en el otro lado de la membrana. Ejemplo: el antibiótico Valinomicina. Acuaporinas Son canales especiales con estructura helicoidal que permiten el paso selectivo de H20, formadas por 4 proteínas transmembrana cada una llamada chip que poseen estructura helicoidal y se hallan asociadas a un canal central. No son canales iónicos, sólo pasa agua sin solutos. Importantes en ciertas clases de células, por ejemplo en algunas células renales, en las que se requiere un mayor transporte de H20 que el logrado exclusivamente con la difusión simple (ósmosis). TRANSPORTE PASIVO El movimiento de los solutos, llamado difusión, se realiza desde los sitios en que se hallan más concentrados hacia los de menor concentración, con una velocidad proporcional a la diferencia entre las concentraciones o “gradiente de concentración”. Si el soluto posee carga eléctrica, también entra en juego el gradiente de voltaje o potencial eléctrico. La suma de los dos origina el GRADIENTE ELECTROQUÍMICO. La difusión a favor de tales gradientes es un proceso que ocurre espontáneamente, sin gasto de energía. El trasporte pasivo puede ser: 73 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros DIFUSIÓN SIMPLE: los solutos atraviesan directamente la bicapa lipídica. Las moléculas pequeñas no polares, como el O2, el CO2 y el N2, difunden libremente a través de las bicapas, al igual que el agua. También los compuestos liposolubles de mayor tamaño, como los ácidos grasos y los esteroides. En conclusión la sustancia debe ser neutra (sin carga), pequeña y en lo posible apolar (el agua es la excepción). En el caso particular del H2O, la difusión simple se denomina ÓSMOSIS. El pasaje de agua a través de la membrana u ósmosis se lleva a cabo siempre en forma espontánea y muy rápidamente. El H2O difundirá desde el compartimiento de menor concentración de solutos o medio hipotónico, al de mayor concentración de solutos o medio hipertónico, de modo tal de igualar las concentraciones en ambos compartimientos. DIFUSIÓN FACILITADA: Aquellas moléculas que no pueden atravesar fácilmente las membranas por difusión simple debido a su polaridad y/o a su tamaño (por ej. glucosa, aminoácidos, iones, etc.), podrán hacerlo si están presentes sus respectivos transportadores. Dichos transportadores son proteínas integrales de membrana y se los puede agrupar del siguiente modo: Canales iónicos Proteínas “carrier” o permeasas Estos transportadores son siempre específicos y saturables, y pueden ser inhibidos o activados por sustancias (recordar que son las mismas características de una enzima!). CANALES IÓNICOS: son poros o túneles que atraviesan la membrana, formados por proteínas transmembranosas generalmente de tipo multipaso. su estructura se asemeja a un cilindro hueco que posee una zona central estrecha y las bocas de acceso y salida más amplias, como un “reloj de arena”. La zona central, la de menor diámetro, es la de especificidad, donde se reconoce al ión según tamaño y carga. Cada canal sólo deja pasar un tipo de ión. Es decir que hay canales 74 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros exclusivos para el Na+, canales exclusivos para el Cl -, canales exclusivos para el Ca++, etc. Los canales iónicos no se hallan abiertos permanentemente, si no que poseen un dispositivo de apertura y cierre semejante al de una compuerta. Son accionados o estimulados a abrirse por dos tipos de mecanismos, que los clasifica en: a) Canales dependientes del Voltaje: lo que los activa es un cambio en el potencial eléctrico de la membrana. Formados por 4 proteínas. b) Canales dependientes del Ligando: lo que los activa es una sustancia que llega ya sea por el lado citosólico o extracelular. Formados por 5 proteínas transmembranas más el receptor. Los iones se mueven a través del canal a una velocidad muy elevada (108 iones por segundo!). PERMEASAS O CARRIERS: también están constituidas por proteínas multipaso, con sitios de unión específicos para los solutos. La fijación del soluto produce un cambio conformacional en la permeasa lo que transfiere el material hacia el otro lado de la membrana (mecanismo tipo “broche”). Existen tres tipos de permeasas: Monotransportadora o Uniport: Transfieren UN solo tipo de soluto de un lado al otro de la membrana. (Ej.: transporte de glucosa en la mayoría de las células animales, desde el medio extracelular, la sangre, donde la concentración es mayor, hacia el interior de las mismas donde es menor) Cotransportadora o Symport: Transfieren DOS tipos de solutos, ambos en el mismo sentido. Ej: glucosa y Na+. Contratransportadora o Antiport: Transfiere DOS tipos distintos de solutos en sentidos contrarios. Es decir, uno ingresa al citoplasma si, y solo si, simultáneamente el otro sale. 75 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros En los dos últimos casos deben estar presente ambos iones simultáneamente para que la permeasa se active. La difusión facilitada, a diferencia de la simple, utiliza transportadores que son saturables, es decir que si aumenta la cantidad de sustancia que transportar, aumentará la velocidad de transporte, pero va a llegar un punto en el que todos los transportadores estarán ocupados (“saturados”) y entonces por más de que siga aumentando la concentración de sustancia y por tanto el gradiente, la velocidad de transporte se mantendrá igual (esa es la “velocidad máxima”). En la difusión simple en cambio “no hay un tope” ya que las sustancias pasan directamente a través de la bicapa lipídica Analizar entonces la siguiente función: Otro ejemplo de transporte pasivo es la DIÁLISIS: es el paso de moléculas pequeñas a través de membranas de permeabilidad selectiva. Este proceso permite separar los coloides de las sustancias que se encuentran disueltas. Ej: diálisis renal. IMPORTANTE: Si bien en todos los libros de texto (incluso el libro “De Robertis” que es la bibliografía recomendada por la Facultad para la materia) al canal iónico se lo considera un tipo de difusión facilitada, la Facultad lo considera un tipo de difusión simple. 76 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros TRANSPORTE ACTIVO Cuando el transporte de un soluto se realiza en contra de su gradiente de concentración o de voltaje, sólo es posible con gasto de energía. Tiene lugar a través de PERMEASAS, de tipo monotransporte, cotransporte o contratransporte, pero que en este caso de denominan “bombas” y poseen acoplada una enzima ATPasa (que rompe o hidroliza el ATP). Existen innumerables ejemplos de permeasas involucradas en procesos de tranporte activo: Bomba de Na+/K+. Bomba de K+/H+, responsable de la secreción de jugo gástrico. Bomba de H+ en los lisosomas, que disminuyen el pH intralisosomal. BOMBA DE Na+/K+- ATPasa Uno de los sistemas de transporte activo más difundidos es el que establece las diferencias en las concentraciones de Na+ y K+ entre el interior y el exterior celular, responsable del mantenimiento del potencial eléctrico de la membrana plasmática es una bomba electrogénica. Su función es expulsar 3 Na+ al espacio extracelular e introducir 2 K+ en el citosol. Ambos son movilizados en contra de su gradiente electroquímico, estableciendo así diferencias de concentración y carga entre el espacio extra e intracelular para ambos iones. Debido a que se está transportando simultáneamente dos solutos distintos en sentidos opuestos, estamos en presencia de un sistema de contratransporte. Para que pueda actuar es necesaria la presencia de Mg2+ como cofactor. Esquema de la Bomba: ESPACIO EXTRACELULAR CITOSOL Las funciones de la bomba de Na+/K+ son: o Mantener diferencias en las concentraciones de Na+ y K+ intra y extracelulares. o Generar el “potencial eléctrico de membrana” o “de reposo”, que es una diferencia de voltaje, o sea de carga, entre ambos lados de la membrana. Al bombear tres iones en una dirección y sólo dos en otra, se genera un 77 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros potencial eléctrico negativo del lado interno de la membrana con respecto al externo. El lado citosólico es normalmente más negativo que el espacio extracelular. Como ya mencionamos antes, la membrana está polarizada. o Intervenir en la regulación del volumen celular (al sacar sodio, también saca H2O según necesidad ya que la misma tiene gran afinidad por el ión). o Generar diferencias de concentración de Na+ o K+ para que otros transportadores pasivos utilicen indirectamente la energía potencial acumulada en este gradiente. A estos transportadores pasivos les llamamos “transporte activo secundario”, ya que su funcionamiento depende de la bomba, que es un transporte activo. Pero ellos no gastan energía. Ej: el contratransportador pasivo Na+/Ca2+ que utiliza el gradiente creado por la bomba para ingresar Na+ y sacar Ca+ de la célula Existen ciertos fármacos llamados “digitales” como la digoxina que se usan para mejorar la función del corazón en pacientes que tienen insuficiencia cardíaca. Lo que hacen estas sustancias es bloquear la bomba Na+/K+ lo que termina bloqueando secundariamente al transportador Na +/Ca2+ y esto acumula Ca2+ dentro de la miocardiocito, lo que aumenta su contractilidad (recordar que el Ca2+ es el ión fundamental para la contracción muscular). TRANSPORTE MASIVO O EN MASA: Hasta aquí analizamos el modo en el que los iones y las pequeñas moléculas atraviesan la membrana celular. Pero ¿cómo ingresan o abandonan la célula partículas de mayor tamaño? Esto se realiza por medio del transporte en masa. Se puede considerar un tipo de transporte activo ya que requiere energía, gasta ATP, pero no porque vaya en contra del gradiente si no porque implica formación de vesículas y fusión de membranas. Tenemos: A) ENDOCITOSIS: ingresan sustancias. Fagocitosis (siempre requiere receptores en la membrana) Pinocitosis Micropinocitosis Macropinocitosis o también: Con vesículas desnudas Con vesículas revestidas B) EXOCITOSIS: egresan sustancias. Continua o constitutiva Regulada 78 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros ENDOCITOSIS En este proceso una extensión de la membrana rodea progresivamente al material que será internalizado, luego se produce una gemación o invaginación de la membrana (como una “bolsita”), y finalmente ésta se separa de la membrana, formando una vesícula endocítica. Posteriormente, el material incorporado puede o no ser digerido por los lisosomas. Una vez que el material endocitado ha llegado a su destino, la vesícula que lo contenía puede volver a insertarse en la membrana lo que se denomina “reciclaje” de membranas. FAGOCITOSIS Implica la ingestión de partículas de gran tamaño, como microorganismos, restos celulares, inclusive de otras células, por medio de vesículas llamadas fagosomas. La fagocitosis sólo se da en determinados tipos de células. En algunos organismos unicelulares (protistas, como las amebas) constituye un modo de alimentación: engloban grandes partículas por medio de prolongaciones de la membrana plasmática llamados pseudópodos y las internalizan, formándose así un fagosoma o vesícula fagocítica. Posteriormente será degradada por las enzimas lisosomales. En los animales el mecanismo es el mismo, pero sólo se da en algunas células altamente especializadas, llamadas células fagocíticas (son células del sistema inmune como los macrófagos). En estos casos la función no es de índole nutricional, sino DEFENSIVA. Las células fagocíticas defienden nuestro organismo contra infecciones, ingiriendo microorganismos patógenos. Otra función sería eliminar células muertas o dañadas, o restos celulares (por ejemplo glóbulos rojos no funcionales luego de los 120 días). El proceso fagocítico se desencadena por la unión del material a endocitar con ciertos receptores de la membrana plasmática que reconocen al mismo es un proceso “específico”. Los PASOS son: 1. Se reconoce la partícula a digerir por medio de receptores en la membrana plasmática. Ej: las bacterias pueden ser rodeadas de anticuerpos (“opsoninas”) mediante la opsonización -a cargo de linfocitos B- para que el macrófago la reconozca. 2. Emisión de pseudópodos 3. Internalización fagosoma 4. Unión del fagosoma con el lisosoma fagolisosoma digestión. *Luego se pueden exocitar los cuerpos residuales 79 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros PINOCITOSIS Es la incorporación de fluído y de partículas disueltas en él por medio de pequeñas vesículas. La velocidad de ingestión es muy elevada. El tamaño de estas vesículas (llamadas pinosomas) es mucho menor que el de los fagosomas. En lugar de emitirse pseudópodos, le membrana directamente se invagina para atrapar en la vesícula los solutos que estaban en contacto con ella. Esta primera depresión de la membrana se denomina fosita o cavéola. Clasificación: Según el tamaño de la partícula incorporada: Macropinocitosis: tamaño entre 0,5 a 1,5 µm. Observada mediante M.O. Micropinocitosis: tamaño menor a 0,5 µm. Observada mediante M.E. Según la especificidad del proceso: Pinocitosis con formación de vesículas desnudas o de superficie lisa: ocurre en todos los tipos celulares y es una endocitosis simple NO mediada por receptor, es decir que es inespecífica, puede ingresar cualquier sustancia, automáticamente. Pinocitosis con formación de vesículas cubiertas o revestidas: es una endocitosis regulada o selectiva, mediada por RECEPTORES específicos localizados en la membrana que reconocen los solutos a ingresar. Es específica: sólo pueden ingresar aquello para lo que la célula posea receptores. La invaginación de la membrana se denomina en este caso fosita revestida. Las vesículas presentan en su cara citosólica un revestimiento de proteínas características, en este caso de clatrina. La función de la misma sería permitir que se produzca la invaginación. La adaptina es una proteína que liga al receptor de membrana con la clatrina. Tanto la adaptina como la clatrina se reciclan –vuelven a la membrana- una vez formada la vesícula. Y luego los fosfolípidos y los receptores también se reintegran a la membrana plasmática durante la exocitosis. 80 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La endocitosis y la exocitosis son necesarias para equilibrar la masa de membrana plasmática y de esta forma que no sea consumida durante la endocitosis ni aumentada exageradamente durante la exocitosis. *En la imagen se observa que los receptores se agrupan hacia los sectores donde se halla el material a incorporar, esto gracias a la fluidez de la membrana. EXOCITOSIS Es el proceso inverso a la endocitosis. En este caso, material contenido en vesículas intracelulares también llamadas vesículas de secreción es vertido al medio extracelular. Puede ser material de desecho o productos fabricados por la célula que deben actuar en el exterior. Ej: las proteínas producidas en el RER y luego condensadas en el Golgi, deben finalmente ser secretadas por exocitosis. Reconocemos dos tipos: 81 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Exocitosis continua o por vía constitutiva: la secreción es continuada, constante, no requiere de un estímulo específico que la induzca. La secreción se da inmediatamente después de su síntesis. Ej: secreción de inmunoglobulina por plasmocitos (linfocito B activado), secreción de tropocolágeno por fibroblastos. Exocitosis por vía secretoria regulada: en este caso el material a ser exocitado se ALMACENA en vesículas del citosol, y sólo se secreta cuando llega a la célula un estímulo adecuado que le dé la “orden”. Ej: secreción de hormonas. TRANSCITOSIS Se denomina así a un fenómeno observado en algunos epitelios mediante el cual una sustancia ingresa a la célula por una de sus caras por endocitosis, viaja por el citosol en la vesícula endocítica, y luego es secretada en el otro extremo por exocitosis. Ej: células endoteliales de los capilares sanguíneos, que son atravesados por las macromoléculas que pasan de la sangre a los tejidos. Otros ejemplos se registran en las células secretorias de las glándulas lagrimales y en las mucosas de algunos órganos de los tractos digestivo, respiratorio y urinario. A través de ellas, ciertos anticuerpos (las IgA) pasan del tejido conectivo a la luz de los órganos citados, donde ejercen sus funciones defensivas. También, durante la lactancia, las IgA atraviesan por transitosis las células secretorias de la glándula mamaria: desde el tejido conectivo hacia la luz donde se forma la leche. Este proceso es necesario para proveer al lactante de anticuerpos ya que él aún posee un sistema inmune inmaduro que no produce suficientes anticuerpos propios. 82 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros CAVÉOLAS Varios tipos de células desarrollan en sus membranas plasmáticas invaginaciones llamadas cavéolas. Abundan en células del músculo liso, en las endoteliales y en los adipocitos. La proteína transmembrana que genera la fuerza de tracción para que se forme la cavéola es la caveolina. No hay certeza sobre sus funciones, podrían servir para internalizar algunos canales iónicos y permeasas hacia el citoplasma y a la vez reclutar solutos y concentrarlos cerca de esos transportadores para que ingresen masivamente frente a algún estímulo. Es una “trampa de solutos”. El ingreso de sustancias mediante este proceso de denomina POTOCITOSIS. 83 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros DIFERENCIACIONES DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA En algunos tipos de células, la membrana plasmática se ha especializado para cumplir distintas funciones. Es decir que adquiere ciertas morfologías o estructuras proteicas para adaptarse a determinadas funciones especiales. Podemos distinguir 3 superficies o caras de la membrana plasmática según con qué estructuras contacta: Superficie o cara APICAL: es la que se relaciona con la luz de un órgano, la que “contacta con aire”. Superficie o cara LATERAL: es la que se relaciona con células vecinas del tejido. Superficie o cara BASAL: es la que se relaciona con el resto de los tejidos: el tejido conectivo subyacente, formado esencialmente por células llamadas fibroblastos. En cada una de estas caras encontramos distintas especializaciones: En cara Apical: tienen por función aumentar la superficie de absorción de la célula y generar movilidad celular, son: Microvellosidades Estereocilios Cilios Flagelos En cara Lateral: tienen por función adherir y comunicar entre sí células vecinas, son: Unión oclusiva o estrecha o cerrada, o zónula occludens (1). Unión intermedia o cinturón adhesivo o banda de adhesión o barra terminal o zónula adherens o desmosoma en banda o desmosoma en cinturón (2). Desmosoma o mácula adherente o desmosoma en punto, puntual o puntiforme (3). Nexus o unión comunicante o uniones en hendidura o uniones “gap” (4). En cara Basal: tienen por función adherir y comunicar entre sí células del tejido con células de tejidos vecinos, como fibroblastos (tejido conectivo); son: Hemidesmosomas (5). Contacto focal. Lámina o membrana basal. Laberinto basal. 84 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros CARA APICAL MICROVELLOSIDADES Son prolongaciones digitiformes de la membrana constituidas por un esqueleto de ACTINA. Hay aproximadamente 20 a 30 filamentos de actina por haz. Se reconoce un polo (-) hacia la célula y un polo (+) que contacta con un fluido citosólico amorfo ubicado en la punta de la microvellosidad. La actina se une a esta sustancia a través de puentes de alfa-actinina. En la raíz de la microvellosidad, los extremos (-) de la actina se contactan con filamentos de actina corticales (“red terminal o cortical”) que a su vez descansan sobre una delgada red de filamentos intermedios de queratina. Los filamentos de actina corticales están conectados entre sí y con la membrana plasmática a través de espectrina. Los filamentos de actina de la microvellosidad en cambio están unidos entre sí por villina y fimbrina, proteínas ligadoras. También econtramos miosina I conectando los filamentos de actina con proteínas integrales de la membrana plasmática. Se desconoce por qué esta proteína -que es motora- se encuentra acá, se cree que es un vestigio que ha quedado al formarse la microvellosidad, siendo la responsable de que se haya en un comienzo propulsado la membrana hacia el extremo apical de la prolongación. Las microvellosidades están envueltas por una expansión de la membrana plasmática, miden 1 μm de longitud y 0,1 μm de diámetro. SON INMÓVILES. FUNCIÓN: aumentar la superficie de absorción de las células que lo requieran, especialmente las encontramos en células del intestino y del riñón. 85 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Se las observa: Al M.O.: sólo en conjunto formando lo que se denomina la “chapa estriada” en las células del epitelio intestinal o el “ribete en cepillo” en células de los túbulos renales. Para observarlas se tiñe el glucocáliz (con PAS) ya que su membrana está cubierta de una importante capa del mismo. Al M.E.: se observan como prolongaciones digitiformes ESTEREOCILIOS Se los podría definir como “microvellosidades largas” ya que comparten la misma estructura pero miden 10 μm de longitud (igual que los cilios, pero no comparten con ellos ni morfología ni función). Los encontramos en epidídimo y conducto deferente, donde tienen por FUNCIÓN aumentar la superficie de absorción ya que se debe reabsorber parte del fluido que proviene del testículo junto con los espermatozoides. CILIOS Son estructuras cuya morfología y función no tiene nada que ver con los anteriores. Están formados por un eje de microtúbulos (formados por TUBULINA) cuya estructura responde al esquema “AXONEMA” o “9+2”, y significa que poseen 9 pares o dobletes de MT periféricos y un par central. Cada uno de los 9 dobletes periféricos está formados por un MT “A” completo, más pequeño y cercano al centro, y un MT “B” incompleto, más grande y alejado del centro. El MT A es completo porque posee los 13 protofilamentos que típicamente forman un MT, mientras que el MT B posee sólo 10 protofilamentos. Corte transversal de un cilio o un flagelo. “Axonema” o “9+2”. 86 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El MT A de cada par envía un par de brazos de proteína dineína con forma de ganchos que se orientan hacia el MT B del par adyacente, siguiente el sentido de las agujas del reloj. La dineína es una proteína motora, con actividad ATPasa, por lo que provee la energía necesaria para la movilidad. También encontramos proteínas ligadoras que estabilizan la estructura: Nexina que conecta los pares de microtúbulos periféricos La Vaina central que rodea los MT centrales Proteínas radiales que conectan el MT A de cada par con la vaina central. La estructura del cilio es la misma que la del flagelo (axonema 9+2), sólo que éste es más largo y único. El cilio está rodeado por membrana plasmática que en su base se continúa con la membrana plasmática de la célula. Son prolongaciones MÓVILES (gracias a la dineína), con una longitud de 10 μm y un ancho de 0,2 μm. Encontramos entre 100 a 300 por célula y en conjunto se mueven con ondas rápidas en la misma dirección efectuando una suerte de barrido. FUNCIÓN: generar movimiento de barrido para mantener estéril el epitelio respiratorio (limpieza) y en aparato reproductor femenino para movilizar el óvulo/cigoto desde las trompas de Falopio hacia el útero. Los cilios en su base se continúan con una estructura denominada: CUERPO BASAL o CINETOSOMA. Se asemeja a un pelo con su “raíz”. Este cuerpo basal se ubica dentro del citoplasma, justo debajo de la superficie de membrana plasmática de la célula. Es un cilindro hueco cuya pared está formada por 9 tripletes de MT y sin MT centrales, por lo que a su estructura se le denomina “9+0”, siendo en este caso 9 “tripletes” y no dobletes. Los MT del triplete se denominan A, B y C, siendo A completo (13 protofilamentos) y B y C incompletos. La estructura del cuerpo basal es la misma que la del centriolo (9+0), pero tienen funciones distintas. Estructura de un cuerpo basal, idéntica a la de los centriolos (ver más adelante). 87 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Distinguimos la placa basal o ciliar: es un material denso que se encuentra cerrando el extremo del cuerpo basal más próximo a la cilia. En algunas células el cuerpo basal está fijado a la matriz citoplasmática por las raicillas ciliares. FUNCIÓN: el cinetosoma es el responsable de la ciliogénesis, es decir que da origen al axonema ciliar o cilio. También parece ser el responsable de la capacidad de movimiento que poseen los cilios. Entonces: axonema ciliar + cuerpo basal + raicillas ciliares forman el “Aparato Ciliar” FLAGELOS Tienen la misma constitución que los cilios (axenoma 9+2), pero miden entre 40 a 50 μm. Son prolongaciones móviles y únicas –otra diferencia con los cilios- que efectúan movimientos ondulantes para la propulsión. Se los encuentra en bacterias (pero acá formados por flagelina), en protozoos, y en humanos únicamente en el espermatozoide. También poseen en su base, un cuerpo basal. Existe una enfermedad en la que la proteína dineína está alterada por mutaciones en los genes que codifican para ella, y por lo tanto pierde su función ATPasa y su capacidad motora. Se llama enfermedad de los cilios y flagelos inmóviles o Síndrome de Kartagener. Se caracteriza por cuadros de bronquitis crónicas, infecciones respiratorias a repetición y esterilidad en el hombre y en la mujer, así como también embarazos ectópicos. ¿Por qué? Recordar la función de los cilios y flagelos. 88 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros CARA LATERAL UNIÓN OCLUSIVA Se ubica en la cara lateral en la zona más próxima a la superficie apical de la célula y por arriba de la red terminal o cortical, rodeando por completo a la célula en “faja”. Se considera que aísla a la luz del órgano del resto de los tejidos. El espacio intercelular que deja es de 0 nm. Se da gracias a hileras de proteínas integrales que “engrapan” las membranas plasmáticas de las células vecinas, llamadas ocludinas. Estas ocludinas se relacionan hacia el citoplasma con filamentos de actina. Se crea así una barrera de permeabilidad: las uniones más impermeables contienen mayor cantidad de cadenas selladoras, en tanto que también hay “uniones con goteras” que contienen menor cantidad de ocludinas, según la necesidad de las células. Las uniones oclusivas determinan una asimetría en la composición molecular de las regiones apical y basolateral de las membranas plasmáticas de ahí que para 89 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros atravesar los epitelios, las sustancias generalmente deban cruzar por el interior de las células ya que no pueden hacerlo por el espacio que las separan. Esto se llama: …………………….. UNIÓN INTERMEDIA o CINTURÓN ADHESIVO Se trata de un tipo de unión que por lo general se encuentra por debajo de la anterior, reforzando la unión o adhesión intracelular de tejidos que tiene cierta actividad mecánica, como piel y músculo. También rodea a la célula “en faja” o cinturón. Se puede observar como zonas en que las membranas de las dos células contiguas se hallan separadas por un espacio de unos 15 a 20 nm, en el que se ubican proteínas integrales de la membrana: las cadherinas, de la familia de las tradicionales, y se las designa con letras según la parte del organismo en que se encuentren: E de epitelial, P de placentarias y de piel, N de neuroepitelial. Las cadherinas forman parte de un grupo de proteínas llamadas CAM (Moléculas de Adhesión Celular). Las cadherinas en sus dominios extracelulares se unen homotípicamente con cadherinas idénticas de la célula vecina, y en presencia de calcio. En sus dominios citosólicos se unen a microfilamentos de actina citoplasmáticos (pertenecientes a la red cortical), mediante proteínas ligadoras: vinculina, alfa-actinina, catenina y placoglobina. DESMOSOMA PUNTIFORME Se los halla por debajo del cinturón adhesivo, distribuidos irregularmente en las paredes laterales de la célula. El complejo desmosómico completo ocupa un área circular de 500 nm, mientras que el espacio entre las membranas de las células vecinas es de 30 a 50 nm. Las proteínas que participan de la unión son glicoproteínas transmembrana de la familia de las cadherinas, llamadas desmogleína I y desmocolina I y II. En sus dominios citosólicos, las cadherinas se asocian a filamentos intermedios de queratina. En el tejido muscular los FI son de desmina. Dicha asociación es 90 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros mediada por la placa discoidal desmoplaquina I y II y placoglobina. que incluye a las proteínas ligadoras Los filamentos intermedios son como horquillas que ingresan en el disco, se curvan, y vuelven al citosol. Los desmosomas unen a las células entre sí y aportan gran resistencia mecánica. El número de desmosomas varía en los distintos tejidos, siendo mayor en aquellos que están sometidos a grandes tensiones como músculo, epidermis de la piel, epitelio de la mucosa de la vejiga, etc. UNIONES GAP o NEXUS Son canales que comunican los citoplasmas de las células epiteliales adyacentes y permiten el pasaje libre de solutos como iones, monosacáridos, nucleótidos, aminoácidos, etc. Es decir que permiten el paso de: nutrientes, desechos metabólicos, sustancias que actúan como señales, potenciales eléctricos de acción (como en el corazón, cuyas células deben estar comunicadas para funcionar armónicamente en la contracción cardíaca). No permiten el pasaje de macromoléculas. Cada canal está compuesto por un par de hemiconexones, cada uno aportado por una célula, para conformar el conexón completo. La pared del conexón resulta de la asociación de 6 proteínas transmembranosas idénticas que delimitan un conducto central: las conexinas. Las conexinas sobresalen en el espacio intercelular 1 o 2 nm, por lo que el espacio total entre las membranas es de 2 a 4 nm. Al igual que los canales iónicos tienen la propiedad de abrirse y cerrarse. Los encontramos en: músculo cardíaco, músculo liso, sinapsis nerviosas y células embrionarias. Los nexus se cierran por ejemplo cuando aumenta el Ca+2 intracelular, lo que sucede cuando muere una célula. Este es un mecanismo protector. 91 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Comparamos! Espacio entre las células Proteína de la unión Unión oclusiva Cinturón Adhesivo Desmosoma Nexus 92 Proteínas asociadas citosólicas Función Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros CARA BASAL HEMIDESMOSOMAS Son uniones de tipo adhesivas, similares a los desmosomas, pero no unen 2 células entre sí sino que unen la cara basal de la célula a material extracelular la MEMBRANA O LÁMINA BASAL. Las proteínas de anclaje transmembrana si bien no están caracterizadas totalmente, acá no son cadherinas sino integrinas. Estas integrinas se unen por su dominio citosólico a filamentos intermedios de queratina, a través de la placa discoidal cuya proteína ligadora es BP230, similar a la desmoplaquina. En su dominio extracelular se unen a laminina, proteína de la lámina basal, que a su vez se une a colágeno tipo IV, también perteneciente a la lámina basal. Los hemidesmosomas abundan en aquellos epitelios de revestimiento expuestos a grandes esfuerzos físicos como la epidermis de la piel. ATENCIÓN: no confundir la “membrana o lámina basal” con la parte basal de la membrana plasmática. La primera es material extracelular ubicado entre las células del epitelio y el tejido conectivo subyacente. La segunda es sólo una “porción” de la membrana plasmática. MEMBRANA O LÁMINA BASAL En los epitelios las células basales se vinculan con una parte especializada de la matriz extracelular conocida como lámina basal. Ésta es una estructura extracelular proveniente de material secretado por las células, es heterogénea, amorfa, acelular, y sobre ella apoyan las células de ciertos tejidos, separándolos del tejido conectivo subyacente. Se dice que es el soporte de los epitelios. Está formada por glucoproteínas, proteínas fibrosas - como las fibras colágenasy por componentes fluidos como glicosaminoglicanos y proteoglicanos. Se obrserva: Al microscopio óptico: se observa mediante la técnica de PAS (por las glucoproteínas y GAGs). Al microscopio electrónico: se observa bien su estructura y se diferencian 2 capas: 93 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros LA LÁMINA LÚCIDA: es una capa electrolúcida, es la que se ubica debajo de la cara basal de las células, enfrentada a los hemidesmosomas. Contiene laminina: una glicoproteína ligadora. LA LÁMINA DENSA: es una región electrodensa ubicada debajo de la anterior, en contacto con el tejido conectivo, formada por un denso enrejado de filamentos: Laminina (poca cantidad) Colágeno tipo IV Proteoglicanos ricos en heparán sulfato Fibronectina, proteína más cercana a la cara que contacta con el T.C. Esta lámina densa se une al T.C. subyacente a través de “fibrillas de anclaje” formadas por colágeno tipo V. Debajo de la lámina densa se puede considerar a la “sublámina densa” o lámina fibrorreticular, que es un enrejado de colágeno tipo III. 94 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La lámina basal tiene diversas e importantes FUNCIONES: Actúa como soporte estructural de los tejidos. Facilita el paso de nutrientes y desechos, es decir que actúa como filtro de permeabilidad selectiva entre epitelio y T.C. Contribuye a la adhesión celular Interviene en la migración celular durante el desarrollo embrionario, siendo fundamental acá la fibronectina. Participa en la diferenciación celular Sirve de anclaje para células adyacentes, a través de CONTACTOS FOCALES. Participa especialmente en la filtración renal (formación de orina). Permite la regeneración de los tejidos dañados Funciona como una barrera ante células invasoras IMPORTANTE! Ver a continuación Un poco de oncología: Los crecimientos tumorales (cáncer) pueden ser benignos o malignos. Ello depende de su capacidad para atravesar esta lámina basal o no. Benignos: son aquellos que NO poseen la capacidad de atravesarla, por lo tanto pueden crecer y crecer pero nunca diseminarse a distancia, ya que si no pueden atravesar la lámina basal, no llegan al T.C. (por donde pasan los vasos y nervios) y por ende las células cancerígenas no llegan a la circulación general. La extirpación los cura por completo. Malignos: son aquellos que SÍ poseen la capacidad de atravesarla, por lo tanto crecen e invaden, pudiendo llegar al T.C., alcanzar los vasos sanguíneos, entrar estas células malignas a la circulación, viajar, e implantarse en otro órgano a distancia generando un foco tumoral nuevo. A esto le llamamos metástasis! Si un tumor maligno es detectado a tiempo, puede que aún no haya llegado a pasar la membrana basal, es lo que llamamos “tumor in situ”, y su extirpación puede curar por completo. En cambio si ya ha llegado al T.C. se llama “tumor invasor” y es de muy difícil curación. RECORDAR NO CONFUNDIR: La membrana basal NO es la membrana plasmática basal de la célula, es un material extracelular. 95 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros LABERINTO BASAL Son pliegues basales que incluyen a la membrana celular y al citoplasma. Entre los pliegues se ubican mitocondrias que proveen la energía necesaria para los intercambios iónicos activos que allí se producen. CONTACTO FOCAL O PLACA DE ADHESIÓN Son estructuras que unen las células conectivas a la lámina basal, más específicamente a la fibronectina y al colágeno tipo IV de la lámina densa de la misma. Entonces adhieren la célula a su matriz extracelular. La proteína transmembrana que se une a la fibronectina es la integrina, y ésta a su vez se une en su extremo citosólico a microfilamentos de actina a través de 4 proteínas ligadoras: vinculina, paxilina, talina y alfa-actinina. Los contactos focales se debilitan y reducen cuando la célula se vuelve cancerosa. 96 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros RELACIÓN DE LAS CÉLULAS ENTRE SÍ Y CON SU ENTORNO Los organismos multicelulares están compuestos no solo por células sino también por elementos intercelulares que se agrupan en la denominada MATRIZ EXTRACELULAR. La MEC es el ambiente especial que rodea a la célula. Está formada por un conjunto de materiales ubicados en el espacio extracelular, que puede a veces ser muy pequeño, y que le brinda a las células un ambiente particular. La matriz tiene un papel fundamental en el desarrollo de los tejidos y órganos controlando la diferenciación celular, la morfogénesis, la migración celular y su metabolismo. Otras funciones importantes de la matriz extracelular: Rellenar los espacios no ocupados por las células. Conferir a los tejidos resistencia a la compresión y estiramiento. Constituir el medio por donde llegan los nutrientes y se eliminan los desechos celulares. Proveer a diversas clases de células de puntos fijos donde aferrarse. Ser el vehículo por donde migren las células cuando se desplazan de un punto a otro del organismo. Ser un medio por el que arriban a las células sustancias inductoras (señales) provenientes de otras células. Los tejidos, y por extensión los órganos y sistemas, son el resultado de asociaciones de diferentes tipos de células y matrices extracelulares. Así, el tejido conectivo contiene células que se encuentran dispersas en medio de una abundante matriz extracelular, mientras que en los epitelios la MEC se ve reducida a la delgada lámina basal. 97 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La MEC está compuesta por: ELEMENTOS FIBROSOS: o Fibras de colágeno: la unidad molecular básica es el tropocolágeno, integrado por 3 polipéptidos del mismo tamaño trenzados en forma helicoidal, que se combinan de distinta manera lo que origina 15 tipos de colágenos que se identifican con números romanos. Los más importantes son I, II, III, IV, V, VII, IX y XI. o Fibras elásticas: formadas por elastina. o Fibronectina: glicoproteína filamentosa formada por 2 subunidades polipeptídicas unidas por puente disulfuro. En uno de sus extremos se une a una proteína transmembrana de la célula y en el otro al colágeno. o Laminina: glicoproteína filamentosa integrada por 3 subunidades polipeptídicas unidas por puentes disulfuro. Tiene forma de cruz, con un brazo largo y tres cortos. Es la primer proteína adhesiva que aparece en la MEC del embrión ELEMENTOS FLUIDOS: o Proteoglicanos y GAGs: a excepción del ácido hialurónico los GAGs se encuentran sulfatados. A causa de este sulfato y por los numerosos grupos carboxilo -que tienen carga negativa-, atraen Na+ y con ello al agua, lo cual aumenta la turgencia de la MEC, otorgándole un aspecto de gel. En el tejido óseo y en los tejidos duros de diente la MEC está mineralizada. ¿Cómo se unen las células a su MEC? A partir de los contactos focales y los hemidesmosomas. UNIONES TRANSITORIAS ENTRE LAS CÉLULAS Las uniones vistas anteriormente (oclusiva, adhesiva, desmosoma) son uniones permanentes o estables, pero las células -cuando migran por diferentes motivos ya sea durante el desarrollo embriológico o en la vida adulta- deben establecer uniones transitorias con las células con las que van contactando en su camino. Durante el desarrollo embriológico la migración celular es esencial para que se “acomoden” y estructuren los tejidos, mientras que en la vida adulta se observa principalmente en células del sistema inmunitario que “patrullan” y deben viajar a 98 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros los tejidos donde se ha producido una infección, así como también se ve en la reparación de heridas y detención de hemorragias. EL objetivo de las uniones transitorias es efectuar primero RECONOCIMIENTO y luego ADHESIÓN. Podemos distinguir 2 tipos de uniones: heterofílicas, más comunes en la vida adulta; y homofílicas, más comunes en el desarrollo embrionario. UNIONES HETEROFÍLICAS Se da a través de selectinas. Así se llama a los glicolípidos y glicoproteínas de las membranas plasmáticas de las células que se unen, que interactúan entre sí en forma específica, a partir de su componente glucídico. Como los oligosacáridos interactuantes son diferentes entre sí, se establecen conexiones entre moléculas de diferente composición, por ello se llaman heterofílicas. Lo que está interactuando no es ni más ni menos que el GLUCOCÁLIZ de las células en cuestión! Recordemos que una de sus funciones es la de efectuar reconocimiento y adhesión entre las células. Ejemplos: Se producen por ejemplo entre los glóbulos blancos y las células endoteliales (las que forman la pared de los vasos sanguíneos) cuando los primeros tiene que pasar por entre las segundas para salir de la circulación y entrar a los tejidos a cumplir su función inmunitaria. Este proceso de atravesar el vaso sanguíneo se denomina “diapédesis” y para que pueda suceder debe producirse la unión heterofílica, que es fugaz (reconocimiento y adhesión). También se producen entre linfocitos B y T cuando interaccionan entre ellos en la respuesta inmune. Entre el ovocito y el espermatozoide durante la fecundación. En el desarrollo embrionario también se producen uniones heterofílicas, si bien aquí son más comunes las homofílicas. 99 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros UNIONES HOMOFÍLICAS Durante el desarrollo embrionario algunos tejidos se forman por la asociación de dos o más clases de células diferentes que deben migrar hasta encontrarse en un determinado lugar del organismo. Allí se reconocen, adhieren y finalmente se terminan conectando por uniones estables. En este caso el reconocimiento y adhesión celular es mediado por glicoproteínas transmembrana llamadas CAM (cell adhesión molecules): se encuentran en la superficie de las células destinadas a unirse y sólo interactúan cuando sin idénticas entre sí. Por ello la unión es homotípica u homofílica. Mediante dichas CAM la célula migratoria cuando se va desplazando hacia su punto de destino, “tantea” las propiedades químicas de las CAM situadas en la superficie de las células que encuentra a su paso. Si reconoce una CAM idéntica a la suya se adhiere a ella, si no continúa desplazándose hasta encontrar la célula con la CAM correcta. Podemos integrar y decir que… Existen varios tipos de CAM, un subgrupo son las cadherinas que dependen de Ca2+, también las selectinas y las integrinas son tipos de CAM. Son todas proteínas transmembranarias que se encargan de unir componentes del citoesqueleto de las células con componentes de la MEC, con otras células, etc. formando parte de diversas estructuras que hemos ido estudiando: cinturones adhesivos, desmosomas, hemidesmosomas, contactos focales. 100 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros TRANSMISIÓN DE SEÑALES INTERCELULARES Para poder funcionar integradamente, las células de los organismos multicelulares deben estar comunicadas. De esta manera interaccionan y se regulan entre sí, ya que cada célula depende de otras y a la vez las influye. Esta comunicación intercelular se ajusta siempre a un mismo esquema básico: Una célula emisora, inductora o señal, produce y libera una sustancia química llamada inductor o ligando, el cual toma contacto con un receptor de una célula receptora, inducida, blanco, diana, o target. La unión del ligando con el receptor activa a la célula blanco y se desencadenan una serie de señales intracelulares en las que intervienen “2dos mensajeros” que producen una RESPUESTA en la célula blanco, la cual puede ser muy diversa: va a responder con alguno de los siguientes cambios: Se diferencia Se multiplica Degrada o sintetiza sustancias Las secreta Incorpora solutos o macromoléculas Se contrae Se moviliza Conduce estímulos eléctricos Muere (por “apoptosis” muerte celular programada). La mayoría de las veces el ligando es secretado para que viaje hacia el receptor de la célula diana, pero otras queda “atascado” en la membrana de la célula emisora por lo que ella completa debe moverse hasta tomar contacto con la célula diana. Una consecuencia de la fluidez de la membrana es que permite la movilidad de los receptores hacia donde llegan los ligandos. 101 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Muchas de las drogas que usamos con fines terapéuticos o preventivos actúan ocupando los receptores pero sin producir respuesta, y así impiden que actúen sustancias endógenas. Entonces el efecto observado es un fenómeno llamado “inhibición competitiva” (inhibe la acción de un ligando compitiendo por su receptor). Ej: el cerebro de una persona cansada produce adenosina que se une a receptores específicos lo que produce una disminución de la actividad cerebral y somnolencia. Las drogas estimulantes, como la cafeína, lo que hacen es ocupar los receptores de la adenosina ya que poseen una estructura similar, y no dejan que ésta actúe. Clasificación La comunicación intercelular se clasifica según la distancia entre la célula emisora y la receptora. Así la comunicación puede ser… ENDÓCRINA: Las células se hallan alejadas, por lo que el ligando sólo puede llegar al receptor viajando por la SANGRE Es el caso del sistema endócrino, y el ligando en este caso toma un nombre propio: “hormona”. Ej: la hipófisis produce y libera diversas hormonas que actúan en gónadas, glándulas suprarrenales, tiroides, etc. PARÁCRINA: Las células se hallan una al lado de la otra, por lo que el ligando sólo debe viajar por la MEC. Ejemplos: la llevan a cabo las células del sistema inmune cuando se desencadena la respuesta inmune ya que se activan y “ayudan” entre sí. Los ligando en este caso se llaman interleuquinas (“entre leucocitos”) o citoquinas. También es la comunicación que hay entre 2 neuronas en la sinapsis nerviosa. En este caso se llama comunicación Neural y el ligando se denomina neurotransmisor, que es el encargado de llevar el impulso nervioso. AUTÓCRINA: La célula productora del ligando es a su vez la que tiene el receptor, es decir que se autoinduce. Sólo lo vemos en el sistema inmune, durante la respuesta inmunitaria. Entre las células del sistema inmune (glóbulos blancos) abunda la comunicación parácrina y autócrina, y en estos casos el ligando se llama citoquina o interleuquina POR CONTACTO O YUXTÁCRINA: es el caso en que el ligando no es librado a la MEC si no que queda en la membrana de la célula emisora y por lo tanto deben contactar las membranas plasmáticas de ambas células para que se unan el ligando con su receptor. Ej: en la fecundación, en algunas respuestas inmune y en la reparación de las heridas. 102 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Indicar en cada caso de qué ejemplo se trata: La unión ligando-receptor posee, al igual que la unión “enzima-sustrato”, las siguientes características: Específica: el ligando actúa sólo sobre receptores que son específicos para él, ya que poseen estructuras afines, son complementarios. Saturable: el número de receptores existentes en una célula es limitado, de modo que si aumenta la cantidad de inductor, va a aumentar la cantidad de respuesta generada, pero llegado el momento en que se hayan ocupado todos los receptores, la respuesta ya no seguirá creciendo sino que será constante por más de que siga aumentando la concentración de ligando (mecanismo similar al que sucedía en la difusión facilitada). Reversible: el receptor luego de la unión con el ligando se disocia del mismo para poder estar disponible para nuevos ligandos. Es decir que “no se gasta”. 103 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Los RECEPTORES se clasifican en 2 tipos, según donde se ubican en la célula blanco: Receptores CITOSÓLICOS: se ubican en el citosol celular y por lo tanto el ligando debe atravesar la membrana plasmática para llegar a él. Entonces sólo es apto para ligandos apolares! porque para atravesar la membrana plasmática (bicapa lipídica) se debe ser lipofílico. Una vez el ligando ha tomado contacto con el receptor, el complejo “ligando-receptor” ingresa al núcleo y activa ciertos genes para que se sinteticen determinadas proteínas específicas que serán las responsables de la respuesta. Es un mecanismo lento que implica control genético. Receptores MEMBRANOSOS: Se ubican en la membrana plasmática. Generalmente los ligandos en este caso son hidrofílicos, y tienen su receptor en la membrana porque no la pueden atravesar. Luego de la unión ligando-receptor, se desencadenan una serie de reacciones intracelulares para dar la respuesta celular que casi siempre implica finalmente la activación de proteínas/enzimas efectoras de la respuesta, mediante reacciones de fosforilación, hidrólisis, etc (no se mete con el núcleo). La sustancia inductora es considerada el “primer mensajero”, mientras que las demás sustancias intracelulares que propagan rápidamente la respuesta hacia el interior son los “segundos mensajeros”. Ejemplo: son muy conocidos un grupo de receptores membranosos que se hallan asociados a proteína G, llamada así porque su funcionamiento depende de GTP. Cuando se activa el receptor, una parte de la proteína G se disocia y lleva a la activación de principalmente 2 enzimas: Fosfolipasa C hidroliza al PIP2 (fosfoinositol bifosfato) y forma: DAG (diacilglicerol) e IP3 (inositol trifosfato). Estos últimos dos son segundos mensajeros. El IP3 a su vez activa canales de Ca2+ presentes en la membrana del REL (guarda calcio), lo que permite su salida al citosol y así desencadena más respuestas. Adenilato ciclasa actúa sobre el ATP, lo convierte en AMPcíclico, otro segundo mensajero con funciones propias. Entonces: DAG, IP3, Ca+2 y el AMPcíclico son ejemplos de 2dos mensajeros intracelulares 104 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros CITOESQUELETO El citoesqueleto es una trama de microtúbulos, microfilamentos y filamentos intermedios que atraviesan el citosol, por fuera del sistema de endomembranas. Es una estructura muy dinámica que se reorganiza de manera continua mientras la célula cambia su forma o se divide. Posee las siguientes estructuras: Microtúbulos de 25 nm formados por tubulina. Filamentos Intermedios de 10 nm, de composición heterogénea. Microfilamentos de Actina de 6 nm. Los tres constituyentes están interconectados entre sí y sus funciones están coordinadas FUNCIONES del citoesqueleto: Está relacionado con: La forma de las células (Ej.: glóbulo rojo es bicóncavo) La organización interna celular (los organoides se disponen de forma específica según el tipo celular) El movimiento celular. La movilización de organoides o macromoléculas. Es el “sistema muscular” ↔ la citomusculatura, base de la motilidad, la contracción y los cambios de forma de la célula. 105 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros MICROTÚBULOS Son organoides citoplasmáticos, sin membrana, presentes en todas las células eucariotas. Según su localización, se clasifican en: 1- Citoplasmáticos, presentes en la célula durante la interfase. 2- Mitóticos, correspondientes a las fibras del huso mitótico, presentes durante la mitosis. 3- Ciliares, localizados en el eje de los cilios. 4- Centriolares, pertenecientes a los cuerpos basales y a los centríolos. Aunque todos tienen las mismas características morfológicas, difieren en unas pocas propiedades: los ciliares y los centriolares son muy estables comparados con los citoplasmáticos y los mitóticos que cambian permanentemente de longitud, especialmente en los ciclos de división celular. Tienen forma de tubo, con una luz central y una pared constituida por 13 protofilamentos. Cada protofilamento está formado por subunidades de la proteína tubulina que es un heterodímero de tubulina α y tubulina β. La tubulina es una proteína globular y polar. Ambas subunidades son muy afines, lo cual permite que la subunidad α de cada tubulina pueda combinarse con la subunidad β del propio heterodímero y con la subunidad β de otro heterodímero. Además los heterodímeros pueden unirse por sus flancos y lo hacen de modo tal que se cierran en círculo. Así se forma la estructura tubular cuya pared está integrada por filamentos que recorren el eje longitudinal del microtúbulo; y son los protofilamentos. La tubulina es una proteína citoplasmática muy dinámica, que puede presentarse en forma de 106 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros tubulina ensamblada microtubular (50%) desensamblada tubulina libre (50%). Los MT presentan: 25 nm de diámetro externo, son rectilíneos con varios micrones de longitud. La pared tiene aproximadamente 5 nm de espesor, con un centro claro de 15 nm. Los MT citoplasmáticos nacen en una estructura contigua al núcleo llamada centrosoma o COMT (centro organizador de MT), desde allí se extienden por todo el citoplasma hasta arribar a la membrana plasmática, en la que se fijan, entonces parecen rayos que van del centro a la periferia celular. El COMT está compuesto por un par de centriolos o “diplosoma” y una sustancia aparentemente amorfa que los circunda, que se llama matriz centrosómica. Esta matriz contiene una red de fibras muy delgadas y una proteína reguladora llamada gama-tubulina. FORMACIÓN DE LOS MT Los microtúbulos requieren que unas pocas tubulinas, provenientes del depósito de tubulinas libres del citosol, concurran al centrosoma y se nucleen (polimericen). Esto constituye el primer esbozo del microtúbulos. El nucleamiento de las primeras tubulinas tiene lugar en medio de la red fibrilar de la matriz centrosómica, aparentemente por la influencia de la γ-tubulina, que funcionaría como molde para que se asienten y estabilicen estas primeras tubulinas. Los centríolos no cumplen ningún papel en este proceso. El microtúbulo crece por el extremo [+], al llegar nuevas tubulinas. Los MT son estructuras dinámicas porque los heterodímeros pueden agregarse (polimerizarse) o retirarse (despolimerizarse) por ambos extremos. Es decir que incesantemente se desarrollan microtúbulos nuevos, a la vez que algunos se alargan y otros se acortan hasta desaparecer durante la polimerización el MT se alarga y durante la despolimerización se acorta. Proceso: cada tubulina libre en el citosol contiene un GDP en su subunidad β que se intercambia por un GTP en el citosol → las tubulinas con GTP son atraídas por los extremos (+) de los MT en crecimiento y se unen a ellos → la polimerización provoca la hidrólisis del GTP → GDP + P. Cuando contienen GDP las tubulinas tienden a despolimerizarse en el extremo de los protofilamentos, entonces sería un círculo vicioso ya que la polimerización con la consiguiente formación de GDP produciría la despolimerización → esto no ocurre porque las tubulinas recién incorporadas demoran un tiempo en hidrolizar su GTP, de modo que en el extremo de MT se forma un “capuchón de tubulinas-GTP” que impide la salida de las tubulinas arribadas con anterioridad, a pesar de que en ellas el GTP ya se convirtió en GDP. A causa de esta particularidad, llamada inestabilidad dinámica, para que el microtúbulo pueda mantener la longitud final deseada existen proteínas reguladoras que se unen al extremo [+] para evitar su inestabilidad. 107 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Esta polimerización ocurre con gasto energético. En este caso la energía la provee el GTP. Los MT son estructuras polarizadas y asimétricas, es decir que presentan dos extremos: Uno de los extremos del microtúbulo se llama más [+] y el otro menos [-]. En el primero el microtúbulo se alarga y se acorta más rápidamente que por el segundo. El extremo menos se localiza en el centrosoma, allí los procesos de polimerización y espolimerización se encuentran bloqueados, probablemente por influencia de algún componente centrosómico, como la gama-tubulina. Entonces, para su formación es necesaria la presencia de las siguientes sustancias: - Enzima proteinquinasa que fosforila la tubulina y esto permite su ensamble. - AMP cíclico (necesario para la proteinquinasa). - GMP cíclico. - Iones Ca+2 y Mg+2. - Condiciones óptimas de pH, temperatura y presión. - Proteínas microtubulares relacionada a la unión de los dímeros. La iniciación y la dirección de la síntesis del MT está controlada por centros organizadores de microtúbulos o COMT. 108 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros SUSTANCIAS QUE AFECTAN LA FORMACIÓN DEL MT Colchicina se une a las tubulinas e impide su polimerización, entonces al no formarse el capuchón, desaparecen los MT. El colcemid es un derivado de la colchicina que produce los mismos efectos. Vinblastina – vincristina actúan de forma semejante a la colchicina, aunque lo hacen casi selectivamente sobre las fibras del huso mitótico, de ahí que se las utilice para bloquear las divisiones de las células neoplásicas en el tratamiento del cáncer. El taxol es una droga que también actúa sobre los MT, pero de manera distinta a la colchicina: el taxol acelera la formación de MT y los estabiliza, interrumpiendo la despolimerización, entonces toda la tubulina del citoplasma se polimeriza en MT muy estables. De esta forma, al llegar a la mitosis, no existe tubulina libre para formar los MT del huso y la mitosis no se procesa. También es usado para tratar el cáncer. Los efectos de colchicina y taxol sobre la mitosis son iguales, aunque uno destruya y el otro estabilice MT, lo que demuestra la importancia del sistema formado por tubulina libre y tubulina polimerizada. Catastrofina es el nombre que se le ha dado a una proteína citosólica reguladora que detiene el crecimiento de los MT, lo que lleva a su despolimerizacón (tras la pérdida del capuchón de tubulinas-GTP). PROTEÍNAS MICROTUBULARES ASOCIADAS (MAPs) Son un conjunto de proteínas accesorias clasificadas en reguladoras, ligadoras y motoras que hallan relacionadas a los microtúbulos. Hasta un 15% del contenido proteico de los MT está constituido por estos polipéptidos: - Algunos poseen papel estructural estabilizando las relaciones de los MT entre sí y con los demás componentes celulares. - Otras actúan como proteínas motoras, promoviendo el transporte a lo largo de los MT. Tipos de MAPs: MOTORAS: sus funciones son movimiento y transporte. Hay cuatro familias de MAPs motoras. 1- Quinesina: es una MAP que desplaza materiales hacia el extremo (+) del MT, tiene una proteína complementaria en el material a transportar que se llama quinectina. 109 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros 2- Dineína citoplasmática: es una MAP que desplaza materiales hacia el extremo (-) del MT, tiene como molécula complementaria en el material a transportar a la dinectina. La energía consumida durante el transporte es aportada por el ATP, luego de hidrólisis efectuadas por ATPasas presentes en las cabezas de las proteínas motoras 3- Dineína ciliar y flagelar: es la que se ubica en cilios y flagelos, ya mencionada antes. Las colas de la dineína ciliar están ancladas al microtúbulo A de un doblete, mientras que las cabezas globulares con sus respectivas ATPasas, establecen uniones intermitentes con el microtúbulo B del doblete vecino. 4- Dinamina: es una proteína motora ligada a los microtúbulos de las neuronas, posee actividad GTPasa. Entonces: las proteínas motoras mueven materiales (macromoléculas y organoides) sobre las superficies de los microtúbulos de un punto a otro del citoplasma. Es decir que, el transporte rápido de macromoléculas y de organoides de una parte a otra de la célula implica el movimiento guiado por elementos citoesqueléticos, en particular por los microtúbulos que irradian desde el centrosoma hacia la periferia celular. La actina también participa en el desplazamiento de organoides en el citoplasma, ayudada por la proteína motora miosina I. LIGADORAS: conectan los filamentos del citoesqueleto entre sí y con otros componentes intra y extracelulares, como las que encontramos en el axonema: - Las de la vaina interna o central (estructura que rodea a los MT centrales del axonema) - Las proteínas o eslabones radiales (unen el MT “A” de cada par a la vaina central) - La nexina que conecta el MT “A” de un doblete con el MT “B” del doblete vecino. 110 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros REGULADORAS: controlan la polimerización y despolimerización (o sea el alargamiento y acortamiento) de los componentes del citoesqueleto según las necesidades de la célula. Ej.: la γ-tubulina que se encuentra en los COMTs. La gamma tubulina tiene forma de anillo y su diámetro es similar al de los MT, por esta razón se cree que es el “molde” sobre el cual se nuclean las primeras 13 tubulinas para dar origen a los 13 protofilamentos que forman el MT. También la γ-tubulina sería el componente centrosómico que bloquea el crecimiento y el acortamiento del microtúbulo en el extremo (-). MAPs neuronales Las MAPs de las neuronas comprenden dos familias principales: DE ALTO PM: a- MAP 1 de axones y dendritas. b- MAP 2 de dendritas solamente. Son proteínas ligadoras que crean puentes entre los MT neuronales. DE BAJO PM: En este grupo se ha identificado una MAP reguladora llamada tau (τ) presente en los axones y en el cuerpo neuronal. Esta MAP tau inhibe las despolimerización de las tubulinas en los extremos de los MT, también ejerce una función ligadora ya que establece puentes entre los MT contiguos y les da estabilidad. Los MT y las MAP Tau están relacionados con la enfermedad de Alzheimer → las MAP tau contienen un determinado número de fosfatos; cuyo aumento altera el funcionamiento normal y los MT se tornan inestables. El aumento podría darse por la presencia de quinasas sobreactivas o fosfatasas hipoactivas. La enfermedad de Alzheimer se caracteriza por un deterioro neuronal progresivo, porque al no funcionar los MT no hay transporte intracelular de organoides ni de otros materiales vitales para la célula. FUNCIÓN DE LOS MICROTÚBULOS: 1. Función mecánica o de soporte: participan en el mantenimiento de la forma celular, aunque los principales responsables en esta función son los Filamentos Intermedios. 2. Morfogénesis: dan forma a la célula durante la diferenciación celular. Ej.: 1aparición de axones y dendritas en las neuronas durante la etapa embrionaria y 2- el alargamiento progresivo del flagelo en la espermátide para originar los espermatozoides. 111 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros 3. Participan en el movimiento de los organoides (ciclosis): actuando a manera de carriles por donde se desplazan las MAPs, también transportan macromoléculas como hormonas o enzimas. Ej.: flujo axónico: los microtúbulos de las neuronas, también llamados neurotúbulos transportan NT desde el cuerpo neuronal hasta la parte terminal del axón. 4. Forman el aparato mitótico: así participan íntegramente en la división celular. 5. Forman las prolongaciones en neuronas: forman el eje del axón y son responsables de su alargamiento. También se encuentran en las dendritas. 6. Motilidad celular: participan en la formación de pseudópodos que permiten el movimiento. Ej.: leucocitos. También forman cilias y flagelos (importancia en epitelio respiratorio, sistema reproductor femenino, espermatozoides) 7. Polarización celular: mediante proteínas accesorias, mantienen al retículo endoplasmático y al complejo de Golgi en sus posiciones en el citoplasma, lo que determina la polaridad celular. 8. Forman organitos microtubulares como centríolos, cuerpos basales, cilios, flagelos, áster. ORGANITOS MICROTUBULARES Son organoides constituidos exclusivamente por microtúbulos. Son 1. Centríolos 2. Cuerpos basales 3. Huso mitótico 4. Cilios 5. Flagelos 1- Centríolos: son estructuras cilíndricas huecas que contienen en su pared 9 tripletes de MT, como no poseen MT centrales, esta estructura se conoce como (9+0). La estructura del centríolo es similar a la de un cuerpo basal, pero el centríolo está abierto en los dos extremos, mientras que el cuerpo basal tiene un extremo cerrado por la placa ciliar o basar. Para tener en cuenta: Cuando la célula está en interfase se los visualiza como un par, son dos centríolos perpendiculares entre sí, formando el diplosoma. Antes de la mitosis los centríolos se autoduplican ya que sobre una zona del centríolo maduro aparece una condensación anular que se prolonga en sentido perpendicular formando un procentríolo. 112 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Luego de la duplicación quedan formados los diplosomas, es decir, hay 2 pares de centríolos y en cada par uno de los integrantes es centríolo padre y el otro centríolo hijo. Cada par de centríolos formando parte del centrosoma migra a los polos opuestos de la célula y se observa el áster → conjunto de MT cortos dispuestos de manera radiada a partir del centrosoma. En las células de vegetales superiores el centrosoma existe, pero NO HAY CENTRÍOLOS. 2- Cuerpos basales: ya vistos antes, son similares a los centríolos, son múltiples por célula y se ubican por debajo de los cilios. Los cuerpos basales pueden organizarse a partir de los centríolos del diplosoma mediante un proceso basado en el desarrollo de pro-centríolos, o también “de Novo” (sin la participación de centríolos). Los microtúbulos A y B de los dobletes del cilio, se continúan con los microtúbulos A y B de los tripletes del cuerpo basal. Se ignora el significado de los microtúbulos C de los tripletes y dónde se originan los microtúbulos centrales del axonema. La cantidad de MT varía según el estadío de la célula. Aumentan: durante la interfase formando MT citoplasmáticos y durante la metafase formando los MT del huso mitótico. Disminuyen: en la profase y telofase. Los cuerpos basales se diferencian de los centríolos del diplosoma por: 1- Los primeros se localizan cerca de la superficie celular, son submembranosos, los segundos cerca del núcleo, son paranucleares. 2- Los cuerpos basales no poseen la matriz centrosómica que envuelve a los centríolos. 3- Los cuerpos basales están formados por una sola unidad, mientras que los centríolos se presentan de a dos (perpendiculares entre sí). 4- Los centríolos están abiertos en ambos extremos, los cuerpos basales están cerrados en el extremo desde donde nace la cilia, por la placa basal o ciliar. 5- Los centríolos constituyen sólo un par o dos pares cuando la célula se apronta a dividirse, los cuerpos basales son múltiples por célula, uno por cada cilia. 113 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros 3- Aparato o huso mitótico o acromático: al comenzar la mitosis el centrosoma se divide, las dos partes resultantes forman los polos del huso mitótico, siendo éste quien dirige la separación de los cromosomas duplicados. Aparece en la metafase de la mitosis. Se forma por los centrosomas (con los centríolos) + MT del huso + los ásteres. En la mitosis, los MT citoplasmáticos desaparecen y forman los microtúbulos o fibras del huso. Se clasifican en fibras: Cromosómicas o cinetocóricas: se implantan en el centrómero del cromosoma por medio de una región proteica denominada cinetócoro. Están relacionadas a los movimientos del cromosoma. Polares o continuas: se extienden más allá del ecuador de la célula entrecruzándose con las que vienen del cromosoma opuesto, pero no dan inserción a los cromosomas. Fibras del áster: son más cortas, irradian en todas direcciones y sus extremos se hallan aparentemente libres. Los microtúbulos son estructuras estables en centríolos, cuerpos basales, cilios y flagelos, mientras que son lábiles en el huso mitótico y cuando se encuentran en el citoplasma. Toda estructura que participa en la división celular está formada por MT 4- Cilios y 5- Flagelos (ya vistos). 114 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros MICROFILAMENTOS DE ACTINA Son estructuras sólidas formadas ACTINA, su diámetro es de 6 a 8 nm y son más flexibles que los microtúbulos. Tienen como principal proteína accesoria a la MIOSINA, que es motora, con actividad ATPasa. Pueden dividirse en dos grupos: Transcelulares que atraviesan el citoplasma en todas las direcciones (se destacan las fibras tensoras del tejido conectivo). Corticales que se ubican por debajo de la membrana plasmática (se destacan las del tejido epitelial). Éstos son los que forman la famosa “red o malla cortical” que ya hemos venido mencionando, sobre la que se asientan los MF de actina que forman las microvellosidades, también relacionado al soporte de las uniones intermedias o cinturones adhesivos. Ambos contribuyen al establecimiento de la forma celular. Los MF también forman el esqueleto de las microvellosidades e integran el armazón contráctil de las células musculares. ESTRUCTURA Los filamentos de actina son polímeros construidos por la suma lineal de monómeros cuyo ensamble les da a los filamentos una configuración helicoidal. La estructura terciaria de los monómeros es globular, por eso se les dice actina G, mientras que el polímero resultante (helicoidal, doble y filamentoso) se denomina actina F. Cada filamento comienza a formarse a partir de un núcleo de tres monómeros de actina G que se combinan entre sí en cualquier punto del citosol → el alargamiento del microfilamento se produce como consecuencia del agregado sucesivo de nuevos monómeros en los extremos del filamento → tal polimerización requiere que las actinas G contengan un ATP. Luego de la polimerización el ATP → ADP + P, es decir que se produce el mismo fenómeno descripto para los microtúbulos con la formación de un capuchón compuesto por monómeros que demoran un tiempo en convertir sus ATP en ADP → “CAPUCHÓN DE ACTINAS-ATP”. 115 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Como el mantenimiento de esta inestabilidad tiene un alto costo en ATP, cuando el filamento alcanza la longitud deseada se colocan proteínas reguladoras en sus extremos para estabilizarlo (como vimos en el microtúbulo). PROTEÍNAS REGULADORAS DE LOS MF DE ACTINA Aparentemente la polimerización de los monómeros de actina depende de una proteína reguladora llamada profilina. (A pesar de que induce la hidrólisis del ATP, en los monómeros ya polimerizados). En el proceso de despolimerización participan varias proteínas reguladoras, entre las que se destacan la timosina y el ADF: la timosina inhibe el nucleamiento del trímero inicial de actinas G y su polimerización en el filamento en crecimiento. En cambio, el ADF se une al filamento de actina y lo despolimeriza progresivamente. Al igual que los MT, son estructuras polarizadas, con el extremo [+] y el [-], por el primero se alargan y se acortan más rápidamente que por el segundo. Se encuentran en todas las células del organismo, constituyendo aproximadamente el 3% del total proteico, pero son de vital importancia en células musculares en las que representan el 20% del total proteico. FUNCIONES DE LOS FILAMENTOS DE ACTINA Forman el esqueleto de las microvellosidades. Estos filamentos no se alargan ni se acortan por eso se dice que son estables. Contribuyen a establecer la forma celular. A través de las fibras transcelulares y de la red cortical Forman una malla por debajo de la membrana plasmática en las células epiteliales. Los filamentos de actina corticales se disponen en direcciones muy variadas y forman una malla por debajo de la membrana plasmática. Se observa que la actina se une entre sí y a la membrana plasmática mediante la proteína ligadora fodrina, quien se conecta con proteínas integrales de membrana, como la bomba de sodio y potasio, a través de otra proteína ligadora anquirina. La fodrina es similar a la espectrina que se encuentra en la membrana terminal de las microvellosidades y en el citoesqueleto del eritrocito. 116 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Participa en la formación del cinturón adhesivo: lo hace una franja de filamentos de actina de la malla cortical. En algunos epitelios el cinturón adhesivo tiene funciones morfogenéticas durante el desarrollo embrionario Gracias a los filamentos de actina algunos epitelios planos originan estructuras tubulares, por ejemplo el tubo neural primitivo, función que ejecuta junto a la proteína motora miosina I. Participan del transporte de organoides ciclosis. En las células epiteliales los filamentos de actina transcelulares actúan como vías que sirven para transportar organoides con la intervención de la proteína motora miosina I. Se encuentran tendidos entre puntos opuestos de la membrana plasmática y entre ésta y la envoltura nuclear, de modo que atraviesan el citoplasma en todas las direcciones. En las células conectivas los filamentos de la actina transcelulares se llaman fibras tensoras. La distribución de estas fibras tensoras en el tejido conectivo es similar a la del tejido epitelial, pero aquí forman atados más gruesos y más numerosos. Se ligan a la membrana plasmática mediante el CONTACTO FOCAL. Entre los filamentos de actina de las fibras tensoras se localizan numerosas unidades de la miosina II. Al igual que la miosina I las cabezas de miosina II tienen actividad ATPasa y son responsables de las propiedades mecánicas de la proteína. Las fibras tensoras además de tener función estructural también sirven como vías para trasportar organoides con la intervención de la miosina I. Experimentan modificaciones (en las células conectivas). En dichas células, rodeadas por una abundante matriz extracelular, los filamentos de actina corticales se distribuyen de una manera característica y cambiante: arman una especie de andamio ortogonal o o Para construir el andamio interviene además de la profilina una proteína ligadora llamada filamina o ABP, que une los filamentos de actina en ángulos rectos. Para desarmar el andamio actúa la gelsolina, proteína dependiente del Ca+2, que fragmenta los filamentos de actina. 117 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Filamina y gelsolina son entonces proteínas reguladoras de los MF de actina. Cumplen un papel protagónico durante la motilidad celular. La migración celular es un fenómeno muy común durante el desarrollo embrionario, decisivo para la formación de tejidos y órganos. En el organismo desarrollado, la migración celular se vincula con la defensa y la reparación tisular En las células musculares, los filamentos de actina no se acortan ni se alargan, pero en las células locomotrices el citoesqueleto presenta un gran dinamismo. La motilidad celular se debe a cambios en sus componentes, que incluyen polimerizaciones y despolimerizaciones de los filamentos de actina. La célula migratoria antes de ponerse en marcha adquiere un aspecto poligonal que luego, por modificaciones en los filamentos de actina corticales (en el extremo de la célula correspondiente al futuro movimiento), forma varias láminas citoplasmáticas horizontales llamadas LAMELIPODIOS, de cuyos bordes libres nacen numerosas prolongaciones digitiformes denominadas FILOPODIOS. Ambas alternan períodos de crecimiento y de acortamiento que constituyen la base de la motilidad celular, lo que se produce por la presencia en sus ejes de filamentos de actina que hacen ciclos de polimerización y despolimerización. 118 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Los lamelipodios nacen, crecen y se acortan gracias a las proteínas reguladoras que hemos visto en el punto anterior. Pero no sólo se alargan y se acortan sino que también se mueven, gracias a que en sus raíces se hallan numerosas moléculas de miosina II entre los filamentos de actina. Estos filamentos nacen en el borde libre del armazón ortogonal y se extienden hasta la membrana plasmática de la punta del filopodio donde se anclan mediante contactos focales. También encontramos a la proteína ligadora fimbrina y a la proteína motora miosina I, que también participan del proceso. Participan en los desplazamientos celulares que son guiados por HAPTOTAXIS y QUIMIOTAXIS. Los filopodios se alargan y a través de sus puntas donde abundan los contactos focales se conectan mediante la fibronectina con fibras de colágeno de la matriz extracelular, mientras éstos se acortan otros se alargan y se conectan con fibras de colágeno situadas más adelante, los primeros filopodios se desprenden de las fibras de colágeno y los segundos se acortan, de modo que la célula avanza un poco más. La migración celular resulta de la repetición de estos espisodios. Las células se desplazan hacia sus puntos de destino siguiendo itinerarios predeterminados y no se detienen hasta alcanzarlos, ni avanzan más allá. HAPTOTAXIS: es la locomoción celular guiada por gradientes de concentración de moléculas no solubles en el medio extracelular, como puede ser la fibronectina. (Haptein: enganchar y taxis: movimiento). QUIMIOTAXIS: los desplazamientos de las células son dirigidos por sustancias solubles emitidas por otras células, a veces distantes, que pueden provocar su atracción o repulsión. Si es atracción se llama quimiotaxis y es la conducción de las células migratorias hacia el lugar de mayor concentración de la sustancia soluble. Participan en el avance de los axones, fenómeno que presenta semejanzas con la motilidad celular. Los axones son prolongaciones citoplasmáticas que conectan las neuronas entre sí y las neuronas con las células musculares y secretorias. Cualquiera que sea el grado de separación, la neurona no necesita migrar para tomar contacto con la otra célula, sólo crece su axón. Para poder crecer y avanzar el axón Fig. anterior desarrolla en su extremo distal una especialización llamada cono de crecimiento, análogo a la región 119 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros frontal de las células migratorias, pero con filopodios bastante más largos, que contienen a la proteína motora miosina V. También participan en el alargamiento del axón los microtúbulos y la proteína motora dinamina. Intervienen en la citocinesis división del citoplasma. Cuando la mitosis está por finalizar, se forma un ANILLO CONTRACTIL compuesto por filamentos de actina y miosina II, por debajo de la membrana plasmática, en la zona ecuatorial de la célula en división. La miosina II, al deslizarse sobre los filamentos de actina hace aparecer un surco en la superficie celular, que al profundizarse genera un estrangulamiento que culmina con la partición celular. anillo contráctil surco de segmentación dos células hijas Intervienen junto a varias proteínas accesorias en la contractilidad de las células musculares estriadas, cardíacas y lisas. El músculo estriado está constituido por células o fibras cilíndricas de 10 a 100 μm de diámetro y varios milímetros o centímetros de longitud, multinucleadas. Los elementos del citoesqueleto de estas células forman estructuras regulares y estables adaptadas para acortarse durante la contracción y alargarse en los períodos de reposo. La maquinaria contráctil de estas células está representada por unas estructuras derivadas del citoesqueleto → las MIOFIBRILLAS: Son tan largas como la propia célula y se disponen en forma paralela. Están compuestas por una sucesión lineal de unidades contráctiles llamadas sarcómeros, formadas por actina y miosina II. En el límite entre un sarcómero y otro hay una estructura electrodensa llamada Disco Z. Se distinguen distintas bandas o “estrías” (donde se ubican las distintas proteínas). La contracción de la célula muscular resulta de la suma de los acortamientos de todos los sarcómeros, lo que se produce cuando las cabezas de la miosina II se pliegan, toman contacto con los microfilamentos de actina y traccionan de ella 120 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros PROCESO DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR ESTRIADA La flexión de las cabezas de miosina II es desencadenada por el Ca+2, cuya concentración aumenta en el citosol cuando la célula muscular es inducida a contraerse. En el proceso participan las proteínas reguladoras tropomiosina y troponinas I, C y T, que se hallan junto a los filamentos de actina. Las tres troponinas forman un complejo que se mantiene unido gracias a la troponina T. Filamento de miosina II Filamento de actina En el músculo en reposo la tropomiosina se encuentra sobre los filamentos de actina en una posición tal que impide la unión de las cabezas de miosina II con dichos filamentos, esta posición es controlada por la troponina I, que inhibe el corrimiento de la tropomiosina. El aumento de Ca+2 en el citosol hace que el ión se una a la troponina C, entonces el complejo Ca+2-troponina C bloquea a la troponina I lo que hace que la tropomiosina cambie de posición y las cabezas de miosina puedan unirse a los filamentos de actina. De esta forma la miosina “tracciona” los filamentos de actina lo que los hace acercarse entre sí, acortando los sarcómeros y logrando la contracción global de la célula. El diseño de estas células es tan eficiente que son capaces de contraerse y relajarse 100 o más veces por segundo 121 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Video: Contracción muscular En el MÚSCULO CARDÍACO, las estructuras s diferencia es que en el primero hay discos intercalares que son los encargados de unir a las células cardíacas por sus extremos, se comportan como si fueran discos Z, ya que de ellos nacen los filamentos de actina y titina. Los discos intercalares contienen desmosomas y además poseen uniones comunicantes (nexus), para sincronizar las contracciones de las células miocardíacas. En el MÚSCULO LISO, el aparato contráctil es relativamente más sencillo. Se asemeja al conjunto de fibras tensoras transcelulares de las células conectivas, con la diferencia de que en las musculares los haces de filamentos de actina son más gruesos y más numerosos y sus partes centrales son reemplazadas por filamentos intermedios de desmina. Estos impiden que se comprima la zona central de la célula donde se refugian el núcleo y los componentes citoplasmáticos más delicados para protegerse de la contracción. 122 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Forman parte del citoesqueleto de los eritrocitos. Participan del movimiento de receptores. Participan en la emisión de pseudópodos. Participan en la endocitosis. Conclusión: funciones de la actina: es ESTRUCTURAL y MECÁNICA La principal proteína accesoria de la actina es entonces la MIOSINA ▄ La miosina I posee una cabeza y una cola, ya que en uno de los extremos la proteína es globular y en el otro es fibrosa. La cabeza es la responsable de las propiedades motoras y en ella existe una ATPasa dependiente de Ca+2. La cola de la miosina I siempre se ancla en un filamento de actina y la cabeza establece conexiones intermitentes con los filamentos vecinos. ▄ La molécula de miosina II se compone de una molécula fibrosa con dos cabezas en una de sus puntas. Al igual que en la miosina I la cabeza es la responsable de las propiedades motoras y en ella existe una ATPasa. Las cabezas de las miosinas II se orientan en sentidos opuestos a cada lado del filamento de actina, por eso de les dice bipolar. Conforman una especie de palo de golf con una cabeza doble, un cuello y una cola. La actividad ATPasa se manifiesta al unirse a los MF de actina para posibilitar los fenómenos de contracción tanto en células musculares como no musculares. (Por ejemplo para formar el anillo contráctil). 123 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros FILAMENTOS INTERMEDIOS Son los elementos más estables que constituyen el citoesqueleto. Son tetrámeros de proteínas fibrilares (α hélice) o filamentosas o fibras proteicas. Formación Todos los filamentos intermedios muestran la misma organización estructural. Son polímeros lineales cuyos monómeros son proteínas que presentan una estructura en hélice α fibrosa (es una diferencia con los microtúbulos y los filamentos de actina que poseen monómeros globulares). Las proteínas fibrosas están integradas por una sucesión de secuencias idénticas de siete aminoácidos cada una, lo que les permite combinarse entre sí lado con lado y componer dímeros lineales. Los dímeros vuelven a combinarse entre sí, también de a dos, en forma desfasada y antiparalela, así se generan tetrámeros. A continuación los tetrámeros se conectan por sus extremos y dan lugar a estructuras lineales llamadas protofilamentos. Finalmente 8 protofilamentos se adosan por sus flancos y forman un tubo de 10 nm de grosor. 124 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Son fibras gruesas, resistentes e insolubles (apolares), químicamente heterogéneas. Forman redes tridimensionales en el citoplasma, contribuyen al mantenimiento de la forma celular y establecen las posiciones de los organoides en el interior de la célula, no obstante su función también es mecánica y se encuentran muy desarrollados en células sometidas a grandes tensiones. No se conoce un sistema de ensamble y desensamble como en lo MT, si bien se cree que en la formación de los tetrámeros influye la fosforilación, por lo tanto la presencia de enzimas quinasas. Tienen un diámetro de 10 nm (intermedio entre el de los MT y MF, de allí su nombre). Los Fl son muy importantes para determinar tumores histoquímicamente porque los distintos Fl se tiñen con colores diferentes, así se puede determinar el origen del cáncer. UBICACIÓN Forman una malla perinuclear y luego se alejan radialmente hacia la periferia celular, conectando la membrana plasmática con la envoltura nuclear. En forma de laminofilamentos formando una fina capa en la superficie interna de la membrana nuclear Abundan en las prolongaciones de las neuronas (axones y dendritas) FUNCIÓN DE LOS FILAMENTOS INTERMEDIOS Función estructural mecánica. Forma celular. Ubicación de organoides en regiones específicas (células polarizadas). Uniones intercelulares: desmosomas, hemidesmosomas, etc. Otorgan fuerza tensil y durabilidad a células como las de la piel y músculo sometidas a esfuerzo mecánico O sea que la función es: estructural y mecánica. TIPOS DE FILAMENTOS INTERMEDIOS A- CITOPLASMÁTICOS: 1- Filamentos de desmina o esqueletina Los encontramos en: Fibras musculares o miocitos sean estriadas (voluntarias o cardíacas) o lisas. En las células cardíacas se asocian a los desmosomas. En las células musculares lisas se asocian con los filamentos de ACTINA. 125 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Los filamentos de desmina se unen entre sí por una proteína ligadora llamada sinamina. Función: coordinar e integrar la actividad contráctil en las miofibrillas. 2- Filamentos de vimentina. Presentan aspecto ondulado y los encontramos en células embrionarias y en el organismo desarrollado se encuentran en células de origen mesodérmico (fibroblastos, células endoteliales, células sanguíneas). Aclaración: tejido mesodérmico o mesenquimático es una red de tejido conectivo embrionario constituido por células que se originan en regiones del mesodermo. Forma a los tejidos conectivos del adulto y los vasos sanguíneos y linfáticos. La proteína ligadora que une a los filamentos de vimentina donde se entrecruzan es la plactina. Función: - Conectan la membrana plasmática con la nuclear. - Controlan la posición del núcleo. 3- Neurofilamentos. Son los principales elementos estructurales de las dendritas, cuerpo y axón de las neuronas. En el axón conforman un enrejado tridimensional que convierte al axoplasma (citosol del axón) en un gel muy resistente y altamente estructurado. Función: participan en el flujo axoplasmático, acompañados de MT. 4- Filamentos de queratina o citoqueratina o tonofilamentos. Los encontramos en los epitelios como la epidermis, en faneras, en las mucosas y en las glándulas. Faneras: formaciones epidérmicas diferenciadas y queratinizadas que emergen de la superficie de la piel → pelos y uñas. Los monómeros de los Fl de queratina se llaman citoqueratinas y son de naturaleza variable, presentan citoqueratinas ácidas (tipo I) y neutras o básicas (tipo II). Una proteína ligadora denominada filagrina une a los filamentos de queratina donde se entrecruzan. Función: - Participan en la adhesión celular (desmosomas y hemidesmosomas) - Protección contra el medio extremo. 5- Filamentos gliales o gliofilamentos. Están constituidos por glioproteína fibrilar ácida. Los encontramos en: Células de la neuroglia (en el citosol de los astrocitos y en algunas células de Schwann) Los oligodendrocitos no contienen estos filamentos intermedios. Función: son útiles en técnicas de diagnóstico para diferenciar gliomas cerebrales de una metástasis. 126 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros B- INTRANUCLEARES: 6- Lámina fibrosa o laminofilamentos. Forman una malla aplanada sobre la superficie interna de la envoltura nuclear en todas las células eucariotas y están constituidos por polipéptidos llamados lamininas A, B y C. La lámina nuclear es responsable de la forma y resistencia de la envoltura nuclear. Es una red muy dinámica y rápidamente se desarma durante el inicio de la mitosis y se reensambla cuando ha terminado. Esto ocurre como consecuencia de la fosforilación y desfosforilación de las lamininas. Si bien los filamentos intermedios se destacan en distintas células, no son exclusivos de dicha célula, ya que pueden coexistir. Como es el caso de vimentina y queratina en células epiteliales. Video: La vida en el interior de una célula Ejercicio: mirando el siguiente esquema respecto a la ubicación de los diferentes componentes del citoesqueleto. ¿Cuál corresponde a MT, cuál a MF, y cuál a FI? 127 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Resumen de proteínas del Citoesqueleto: Prot. Principal Prot. Asociadas Microtúbulos Microfilamentos Filamentos I. 128 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros INCLUSIONES Cuando se acumulan en el citosol en grandes cantidades ciertas macromoléculas, forman estructuras detectables con el microscopio, llamadas inclusiones. Son partículas que se encuentran generalmente sin membrana a su alrededor y que se forman por una acumulación de sustancias. No son constantes en la célula. → No son esenciales para la célula. → Se hallan en forma transitoria. → Se encuentran en la célula en un número o cantidad variable. → Su composición química es variable. → Su forma y origen son diversos. Estas características dependen de “qué sustancia” estén almacenando. CLASIFICACIÓN De acuerdo a su composición química: 1- INCLUSIONES DE RESERVA ENERGÉTICA O ALIMENTOS ALMACENADOS: Podemos tener: Inclusiones de hidratos de carbono. Inclusiones de lípidos. Inclusiones de hidratos de carbono: se almacenan principalmente en hepatocitos y en menor grado en las células musculares, en forma de: Inclusiones de GLUCÓGENO: tanto en los hepatocitos como en las células del músculo estriado es común la presencia de gránulos de glucógeno llamados glicosomas, miden entre 50 y 200 nm y están compuestos por subpartículas de 20 a 30 nm de diámetro. En las imágenes ultramicroscópicas los glicosomas no corresponden directamente al glucógeno, sino que representan a las proteínas enzimáticas que intervienen en la síntesis y en la degradación del polisacárido ya que su molécula no toma los colorantes electrónicos de uso habitual. En la célula muscular los gránulos desaparecen durante las contracciones debido a la glucogenólisis que se realiza para obtener glucosa, que es el combustible para la formación del ATP necesario para la contracción. Existen enfermedades congénitas producidas por mutaciones de los genes que codifican a las enzimas que regulan la síntesis y la degradación del glucógeno, conocidas como glucogenosis. En ellas las células muestran una acumulación excesiva de inclusiones de glucógeno o formas anormales del polisacárido. 129 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Inclusiones de lípidos: diversos tipos de células contienen gotitas de grasa (triglicéridos) en el citosol, que también constituyen reserva de energía. Son muy comunes en los hepatocitos y en el músculo estriado. En las células musculares las inclusiones de grasa se localizan cerca de las mitocondrias, hacia las cuales se dirigen los ácidos grasos para su oxidación. Las células llamadas adipocitos contienen una gran gota de grasa, con numerosas gotitas a su alrededor que ocupa casi todo el citosol recordar “célula en anillo de sello”. En el citosol de las células secretoras de la glándula mamaria en actividad, se generan gotas de grasa que constituyen elementos importantes de la leche. Durante la secreción mamaria cada gota sale de la célula envuelta por una fina capa de citosol rodeada por una fracción de membrana plasmática, lo cual se denomina secreción apócrina. TINCIÓN: Las grasas de estas inclusiones se tiñen con colorantes liposolubles como Sudán y también con tetróxido de osmio. 2- INCLUSIONES DE PIGMENTOS En algunos tipos celulares el citosol contiene pigmentos: sustancias con color propio, que pueden ser producidos por la misma célula (endógenos) o provenir del exterior (exógenos) Pigmentos endógenos: o Derivados de la hemoglobina Hemosiderina Bilirrubina Biliverdina o Melanina o Lipofucsina Pigmentos exógenos o Carotenos o Minerales o Polvos o Tatuajes Inclusiones de pigmentos ENDÓGENOS: se generan dentro del organismo a partir de sustancias NO pigmentadas. A- Hemoglobina (Hb): es un pigmento respiratorio que contiene hierro y una proteína básica llamada globina, se encuentra en los eritrocitos. La Hb transporta los gases respiratorios O2 y CO2 desde los pulmones a los tejidos. Puede ser: *Oxihemoglobina: transporta oxígeno, y es de color rojo carmín. *Carbohemoglobina: transporta dióxido de carbono y es de color rojo oscuro. *Carboxihemoglobina: transporta monóxido de carbono, gas para el cual la Hb tiene 210 veces más afinidad que para el O2, desplazándolo fácilmente (“intoxicación por CO”). 130 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La hemoglobina no es una inclusión, ya que se encuentra en forma permanente en los eritrocitos, sí lo son sus pigmentos de degradación Cuando la Hb se degrada da origen a los siguientes pigmentos: Hemosiderina: es de color pardo dorado. Se forma porque a los 120 días aproximadamente los eritrocitos envejecen y son fagocitados por los macrófagos del bazo. En los macrófagos se encuentra la hemosiderina que La ictericia es un transporta el hierro proveniente de la Hb a la médula ósea trastorno clínico para su reutilización en la eritropoyesis. que se produce Biliverdina: color verdoso. Se produce por descomposición cuando hay del grupo Hemo de la hemoglobina exceso de Bilirrubina: es de color amarillo parduzco, no contiene hierro bilirrubina en los y le da color amarillo a la bilis que es secretada por el hígado tejidos. y concentrada en la vesícula biliar. Se forma por la reducción de la biliverdina. B- Melanina: presenta color café oscuro o negro, la encontramos en las células de la piel y ojos, siendo producida por células llamadas melanocitos. La melanina se encuentra ligada a una proteína estructural de unos gránulos densos, elipsoides llamados melanosomas. Datos: Las variaciones en el color de la piel que se observan en las diferentes razas humanas, y por ejemplo en los lunares, depende del contenido de melanina. La melanina protege al hombre de la acción nociva de los rayos UV. La ausencia de melanina provoca una enfermedad denominada albinismo: Las personas albinas tienen piel rosada, ojos celestes muy claros, cabello blanco y son fotosensibles. La melanina no es considerada una inclusión en los melanocitos, ya que en dichas células se encuentra en forma permanente. C- Lipofucsina o lipocromo endógeno o ceroide: presenta color marrón, se trata de fosfolípidos asociados a proteínas. Son gránulos toscos e irregulares, aparecen en forma poco frecuente en individuos jóvenes, pero debido a que aumentan con la edad se los llama “pigmento de desgaste o envejecimiento”. Representan cuerpos residuales formados por la permanencia de sustancias no digeridas en el interior de los lisosomas, resultado de la autofagia* que la célula no elimina. Abundan en células musculares cardíacas (cardiocitos) y en neuronas, que de acuerdo al ciclo celular son células perennes*, también en hepatocitos. 131 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Algunas definiciones: o Autofagia: mecanismo por el cual los lisosomas digieren sus propios componentes celulares, generalmente para su renovación o Célula perenne: que no se divide, no hace mitosis. Inclusiones de pigmentos EXÓGENOS: se originan fuera del organismo. A- Carotenos: son de color naranja-amarillentos, son liposolubles por lo tanto le confieren este color a la grasa corporal y se encuentran en diferentes vegetales. Existen provitaminas en el grupo de los carotenos que una vez en el organismo se trasforman en vitamina A. B- Minerales: como las partículas de plomo y de plata. C- Polvos: éstos penetran al organismo por vía respiratoria y pueden contener pigmentos. Como el polvo de carbón proveniente del humo de la polución atmosférica, en estos casos las partículas llegan hasta los alvéolos pulmonares y son fagocitados por los macrófagos. Esta acumulación de pigmentos ennegrece el tejido pulmonar y se denomina antracosis. D- Tatuajes. 3- INCLUSIONES DE ESTRUCTURAS CRISTALINAS Algunas células contienen en el citosol cristales de proteínas, pero se desconoce su significado. Cristales de Reinke: se encuentran en células de Leydig del testículo que son las células endócrinas que producen la hormona testosterona. Están constituidos por moléculas filamentosas cuyo significado se desconoce. Tienen aspecto de red. Cristales o cuerpos de Russell: se encuentran en el RE de células plasmáticas (plasmocitos) que son las productoras de inmunoglobulinas. Se cree que son moléculas de inmunoglobulinas incompletas Partículas virales: los virus forman inclusiones cristalinas que se alojan en el núcleo o citoplasma de las células que han infectado. En el riñón se observa acumulación de uratos monosódicos. También existen cristales de ferritina que causan hemosiderosis. 132 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros SISTEMA DE ENDOMEMBRANAS Una de las características distintivas de las células eucariotas respecto de las procariotas es su alto grado de compartimentalización. La presencia de un núcleo bien diferenciado, con una envoltura nuclear que confina el material genético al interior del núcleo, es sólo un aspecto de la separación espacial de funciones dentro de la organización celular. El citoplasma, a su vez, se encuentra recorrido en todas direcciones por un sistema de sacos, túbulos y cisternas, cuyas paredes de membrana ofician de límite entre la matriz citoplasmática (“citosol”) y la luz o cavidad del sistema (“espacio intraluminal”). Este conjunto de estructuras membranosas, incluida la envoltura nuclear, se conoce como “Sistema de Endomembranas”. Es uno de los compartimientos más voluminosos en que se divide la célula. Se distribuye por todo el citoplasma y está compuesto por varios subcompartimientos: túbulos, cisternas y sacos revestidos por membrana. En algunos lugares la comunicación es directa, y en otros es mediada por vesículas transportadoras. Estas nacen de un compartimiento y se transfieren a otro mediante procesos que comprenden pérdida y ganancia de membranas. Las vesículas transportadoras: 1- Brotan de la membrana de un compartimiento DONANTE. 2- Viajan por el citosol en busca de otro compartimiento llamado RECEPTOR, con cuya membrana se fusionan. Como consecuencia de esto una parte de la membrana y una parte del contenido del compartimiento donante se transfieren respectivamente a la membrana y al interior del compartimiento receptor. El compartimiento donante recupera la membrana perdida gracias a vesículas recicladoras, que no tienen contenido, sólo membrana 133 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Este sistema divide al citoplasma en dos compartimientos: Compartimiento luminal: incluye lo que está por dentro del sistema de endomembranas. Compartimiento citosólico: involucra lo que está por fuera del sistema de endomembranas → es el citosol. Respecto a sus membranas: Debido a la selectividad de la misma, hay diferencias de pH, iones, presión osmótica, etc, dentro y fuera de este sistema. Cada membrana presenta dos caras: una citosólica y otra luminal. La composición química de sus membranas es idéntica a la de la membrana plasmática: es decir una bicapa de lípidos y proteínas con carbohidratos hacia la cara luminal, siguiendo el modelo de mosaico fluido. El tamaño de este sistema varía en las distintas clases de células, siendo de gran tamaño en aquellas células que produzcan “proteínas de exportación” (ej: tejido glandular: páncreas, hígado, tiroides, etc.) Recordar diferenciación celular. Los componentes del Sistema de Endomembranas son: 1. Membrana o envoltura nuclear. 2. Retículo Endoplasmático Rugoso (RER). 3. Retículo Endoplasmático Liso (REL). 4. Complejo de Golgi (con sus vesículas y vacuolas asociadas). 5. Endosomas. 6. Lisosomas. 7. Vesículas transportadoras y recicladoras que comunican a los anteriores. De estos componentes el principal es el Retículo Endoplasmático (es la gran “fábrica” de la célula). MEMBRANA NUCLEAR: como esta estructura forma parte del núcleo, la estudiaremos cuando veamos el tema núcleo celular. Recordar que es doble y tiene poros. RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO: se distribuye por todo el citoplasma, desde el núcleo hasta la membrana plasmática. Está compuesto por una red tridimensional de sacos aplanados y túbulos comúnmente anastomosados entre sí y con el resto del sistema de endomembranas. 134 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros A pesar de su extensión y de su morfología, posee una membrana continua y una sola cavidad. Funciones del RE: sostén mecánico, síntesis y distribución intraluminal de sustancias, transporte iónico. Comprende dos porciones caracterizadas por la presencia o ausencia de ribosomas: El REL: no está revestido por ribosomas, se lo observa “liso”. El RER: está revestido por ribosomas, lo que le da un aspecto rugoso o granular. Hay 2 tipos de ribosomas, los que se encuentran adheridos al RER, y los que se encuentran libres en el citosol, pero tienen la misma función. RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO LISO O AGRANULAR (REL) Se encuentra constituido exclusivamente por una red de túbulos interconectados. NO POSEE ribosomas adheridos, por lo tanto tampoco posee riboforinas (proteína de anclaje para los ribosomas), y por lo tanto su función NO es la síntesis de proteínas. Al M.O: NO se lo puede discriminar, pero se lo observa visualizando la actividad de su marcador químico que es la glucosa-6-fosfatasa. Esta enzima es desfosforilante, cataliza la hidrólisis de la glucosa-6-fosfato → glucosa + fosfato inorgánico y permite así el paso de la glucosa a la circulación. Al M.E: se lo observa en disposición tubular y sin ribosomas adheridos. Funciones del REL: es esencialmente la fábrica de lípidos de la célula, y en algunos tipos celulares el REL cumple funciones adicionales: 135 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros 1- Desfosforilación de la glucosa-6-fosfato: en la membrana del REL de los hepatocitos se encuentra la glucosa-6-fosfatasa. Su función es extraer el fosfato de la glucosa-6-P y dar glucosa libre. Ésta puede abandonar la célula y pasar a la circulación sanguínea para ser utilizada como fuente de energía para los tejidos. La glucosa-6-P proviene de la degradación de glucógeno depositado en el citosol de los hepatocitos en forma de inclusiones. Esta enzima no existe en los miocitos. 2- Destoxificación: en los hepatocitos el REL contiene grupos de enzimas que neutralizan sustancias tóxicas para la célula, algunas derivadas del metabolismo normal y otras incorporadas desde el exterior (fármacos). En esta función participa una familia de citocromos P450, quienes junto con las enzimas convierten sustancias tóxicas en moléculas hidrosolubles que salen de la célula y se eliminan con la orina con suma facilidad. Comúnmente ocurren reacciones de: Oxidación: reacciones con oxígeno. Conjugación: reacción entre el metabolito + otra sustancia polar o hidrofílica. 3- Es el principal depósito de Ca+2 de la célula: la concentración de Ca+2 en el citosol es muy inferior respecto a la que existe en el RE y en el líquido extracelular, la diferencia se debe a las bombas de Ca+2 de la membrana del RE y de la membrana plasmática. Ambas sacan el Ca+2 del citosol que pasa al REL o al líquido extracelular. Obviamente el traslado del ión en sentido inverso es pasivo y se produce a través de canales iónicos. Recordar que el aumento de Ca+2 en el citosol de la célula muscular lleva a la unión del ión con la troponina C lo cual, finalmente, desencadena la contracción. 4- Síntesis de esteroides: a- En las glándulas suprarrenales: corticoides. b- En gónadas: *Testículo: testosterona. *Ovario: estrógenos. 5- Flujo de membranas. 6- Provee la membrana para los autofagosomas: los organoides envejecidos se eliminan de la célula mediante autofagosomas, quienes luego son degradados por los lisosomas mediante autofagia. 7- Síntesis de lipoproteínas: en sangre los lípidos circulan unidos a proteínas, ambas moléculas se ligan en el REL de los hepatocitos, donde se encuentran las enzimas que catalizan la unión. Este tema tiene relación con el colesterol. Como es una molécula hidrofóbica, tanto él como sus ésteres circulan unidos a lipoproteínas. 136 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El colesterol-LDL o lipoproteína de baja densidad (LDL = low density lipoprotein), es un compuesto lipoproteico originado en el REL de las células hepáticas. La hipercolesterolemia familiar es una enfermedad causada por una mutación del gen que codifica el receptor del colesterol-LDL, dicho receptor resulta defectuoso o está ausente, entonces el colesterol no ingresa en las células y su concentración se eleva en sangre lo que produce cuadros de arterioesclerosis (se tapan las arterias). Existe otra variedad: el colesterol-HDL o lipoproteína de alta densidad (HDL = high density lipoprotein) cuya característica es transportar relativamente poco colesterol. Importancia del REL: es un organoide muy desarrollado en células de algunos órganos endócrinos, en hepatocitos y células musculares. RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO RUGOSO O GRANULAR (RER) Está constituido por un sistema de sacos aplanados con ribosomas adheridos del lado citoplasmático de sus membranas, por lo tanto se lo ve “rugoso”. La membrana del RER posee glicoproteínas transmembranarias llamadas riboforinas I y II, que actúan como receptores y permiten la unión de los ribosomas a través de la subunidad mayor. Lo encontramos en todas las células, pero abunda en aquellas que se encuentran en activa síntesis de proteínas, como la de los ácinos pancreáticos y las glándulas salivales, por ejemplo. Su desarrollo se da en las células más diferenciadas, no en las embrionarias donde predominan los ribosomas libres. Junto a los ribosomas que se encuentran libres en el citoplasma forma una zona basófila que se llama ergastoplasma o sustancia basófila o cromidial y en las neuronas sustancia tigroide o de Nissl. En las células secretoras que son polarizadas se ubica en el citoplasma basal. Al M.O: se observa el ergastoplasma como área basófila, coloreado con colorantes básicos tipo azul de toluidina y representa al RER junto a los ribosomas libres. Al M.E: se lo observa como retículo de membranas con los ribosomas unidos a la superficie citosólica de los túbulos y cisternas. *También se lo puede identificar con el test de Brachet, que consiste en tratar el tejido con ribonucleasa (ARNasa). 137 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros FUNCIONES: 1- Efectúa la síntesis de proteínas de exportación, para las membranas celulares o para la constitución de otros organoides. 2- Efectúa el envío de las proteínas al aparato de Golgi en las vesículas de transferencia. 3- También glicosida algunas proteínas, forma proteoglicanos por ejemplo. Importancia: es más desarrollado en aquellas células que sintetizan proteínas de exportación. Las proteínas que se sintetizan en el RER, son proteínas: De exportación: salen fuera de la célula. Para la membrana plasmática y para las membranas intracelulares. Que actúan como enzimas lisosómicas. La secuencia de la síntesis de una proteína de exportación es: 1- Transcripción en el núcleo. 3- Transferencia al aparato de Golgi. 2- Traducción en el RER. 4- Exocitosis. En cambio, las proteínas que se sintetizan en ribosomas libres, son proteínas: Que quedan libres en el citosol. Que están destinadas al interior de alguna organela: o proteínas del núcleo. o proteínas de la mitocondria. o proteínas del cloroplasto o proteínas del peroxisoma. 138 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros PROCESO DE SÍNTESIS PROTEICA Toda proteína comienza a sintetizarse cuando un ribosoma libre en el citosol lee una molécula de ARNm (traducción), y comienza a producir la proteína mediante el ensamblado (polimerización) de los aminoácidos correspondientes. La proteína va emergiendo del ribosoma por su extremo -NH2 terminal. Si la proteína debe quedar en el citosol (ej tubulina), la misma no posee ninguna señal específica. Si la proteína debe ir al interior de la mitocondria, peroxisoma, o núcleo, se terminará de traducir en el ribosoma libre y luego será enviada a su destino porque se reconoce al “péptido señal” que es el conjunto de aproximadamente 30 aa que posee en el extremo por el que emerge y que tiene la información de “a dónde le toca ir, a dónde pertenece esa proteína”. Si la proteína es de exportación, intramembranaria o es una enzima lisosomal, entonces el péptido señal indicará que debe ir al RER a continuar la síntesis, por lo que el ribosoma completo debe viajar, con la proteína a medio sintetizar, hacia el mismo y anclarse allí, a través de la riboforina (proteína transmembrana del RER que actúa como receptor y anclaje del ribosoma) y por su subunidad mayor. La molécula que reconoce y “lee” al péptido señal apenas éste emerge del ribosoma, es la PRS (partícula de reconocimiento de la señal), la cual se une al péptido señal a través de una molécula llamada NAC. Así es como el PRS lleva a la proteína + el ribosoma hasta el RER, dónde hay un Receptor para el mismo Receptor del PRS. El PRS es un complejo ribonucleoproteico formado por 6 proteínas + un ARNpc. Además de conducir el ribosoma hacia el RER, la PRS unida al péptido señal interrumpe el crecimiento de la proteína, lo cual evita que se plieguen los primeros tramos antes de su incorporación al RER. Cuando el ribosoma se adhiere a la riboforina, la PRS se desprende del péptido señal y se reanuda la síntesis proteica, volviendo la PRS al citosol, quedando disponible para su reutilización. El extremo animo de la proteína cruza la membrana del RER por un túnel proteico vecino a la riboforina. De esta manera se ancla al ribosoma y transloca a la proteína a través del túnel, llamado translocón. 139 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Las proteínas destinadas a la cavidad del RER, poseen sólo UN péptido señal localizado en el extremo –NH2 de la molécula. En cambio las que se insertan en la membrana del organoide contienen un péptido señal cercano al extremo amino y otras señales adicionales en la proteína cuyo número depende de la cantidad de veces que la proteína cruza la bicapa lipídica APARATO DE GOLGI Este organoide constituido 100% por membranas y con forma de “platos o monedas apilados” fue descubierto por Camilo Golgi en 1898 con técnicas de impregnación argéntica (tinción con sales de Plata). En una célula idealizada, una célula tipo, el Golgi se halla entre el RE y la membrana plasmática, con los endosomas y lisosomas situados entre ésta y el complejo. Lo podemos encontrar: En neuronas es perinuclear. En células secretoras polarizadas se ubica en citoplasma apical. No existe Golgi en los glóbulos rojos. Por medio de vesículas transportadoras las moléculas provenientes del RE alcanzan el complejo de Golgi, lo recorren, se desprenden de él y arriban a la membrana 140 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros plasmática o a los endosomas. Estos flujos comprenden moléculas membranosas y luminales. Algunas moléculas son sintetizadas directamente en el Golgi, sin la intervención del retículo endoplasmático. EL Golgi está integrado por una o varias unidades funcionales llamadas DICTIOSOMAS. Cada dictiosoma está integrado por: 1- Una red cis formada por numerosos sacos y túbulos interconectados. 2- Una cisterna cis, conectada con la red cis. 3- Una o más cisternas medias independientes, no están conectadas entre sí ni con el resto de los componentes. 4- Una cisterna trans conectada con la red trans. 5- Una red trans similar a la red cis. La cara de entrada del dictiosama sólo recibe vesículas transportadoras provenientes del RE Los dictiosomas presentan características morfológicas constantes: forma curvada con la cara convexa mirando al núcleo y la cara cóncava hacia la membrana plasmática. La primera se llama: cara de entrada o CIS, cara proximal, o inmadura y también se llama “de formación” porque forma los gránulos de secreción. A esta se asocian las vesículas de transferencia o de transporte. La otra cara de salida o TRANS, cara distal, o madura: está alejada del núcleo y rodea a una zona de donde salen las vesículas secretorias, por eso también se llama de “secreción”. A esta se asocian las vacuolas de condensación que se desprenden del Golgi y originan los gránulos de secreción. 141 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La dirección del tránsito de una proteína o lípido en formación es CIS TRANS: Como la red cis y la cisterna cis forman un solo compartimiento, las moléculas incorporadas a la membrana y a la cavidad del organoide circulan de la red a la cisterna por simple continuidad, en cambio para pasar de la cisterna cis a las cisternas mediales y de éstas a la cisterna trans, las moléculas usan vesículas transportadoras. Estas nacen en el borde de la cisterna cis y luego de un corto tránsito por el citosol se incorporan al borde de la cisterna media contigua, lo mismo ocurre entre las sucesivas cisternas medias y entre la última de ellas y la cisterna trans. El recorrido se completa cuando las moléculas llegadas a la cisterna trans pasan a la red trans por simple continuidad. Para pasar el contenido entre la cara cis, la medial y la trans se emplean las vesículas transportadoras debido a que no hay continuidad entre ellas Las moléculas que arriban a la red trans son transferidas mediante vesículas transportadoras a: a- La membrana plasmática: las moléculas del interior de la vesícula se vuelcan fuera de la célula o sea son secretadas (por exocitosis) y las membranas se integran a la membrana plasmática. La exocitosis podía ser: constitutiva o regulada. b- Los endosomas: cuando el contenido de la vesícula son enzimas hidrolíticas (o lisosomales), la misma vuelca ese contenido en la luz del endosoma, que se transformará entonces en LISOSOMA. Todas las estructuras que forman el Golgi están rodeadas de membrana El único caso en que las vesículas viajan en dirección TRANS CIS, es cuando están vacías, y esto se hace sólo para “devolver” membrana a la región cis para que ésta no se consuma. Estas vesículas se llaman recicladoras. El Golgi: Al M.O: se lo observa de dos maneras: - Detectando la actividad de enzimas marcadoras como la glucosiltransferasa. - Con la técnica de impregnación argéntica. Al M.E: se lo observa como cisternas o sacos aplanados en forma de discos apilados, denominados dictiosoma. FUNCIONES: Lo que hace el Golgi es básicamente tomar lo productos provenientes de RE y continuar y finalizar el procesamiento, ya sea agregado de glúcidos (glicosilación) para formar glucolípidos y glucoproteínas, agregado de fósforo (fosforilación), cortar la molécula para hacerla activa (hidrólisis), etc. Decimos usualmente que el Golgi “recibe, produce, empaqueta y distribuye”. 142 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros 1- Recepción de las vesículas de transferencia del RE por su cara proximal. 2- Participa en el flujo de membranas: es decir en la fabricación, reparación y reciclado de las membranas para su utilización. Ejemplo de agregados y remociones de moléculas en un oligosacárido a medida que pasa por las sucesivas cisternas del Golgi Recordemos que las vesículas de transferencia se incorporan a la cara cis y suplen la pérdida de membranas que se producen en la cara trans de donde se desprenden las vacuolas de condensación. 3- Participa en la biogénesis de los lisosomas, destacándose la diferenciación del acrosoma (un lisosoma particular) situado en la cabeza de los espermatozoides. 4- Participa en la exocitosis: durante la exocitosis la vesícula transportadora expulsa su contenido fuera de la célula para lo cual debe ocurrir la fusión de la membrana de la vesícula con la membrana plasmática y la descarga del contenido vesicular en el exterior. Atención! Recordemos que de acuerdo al ritmo secretorio podemos tener: Secreción continua o CONSTITUTIVA: los se descargan a medida que se elaboran, NO se aculuman en la célula. Ej.: glicoproteínas producidas en el hepatocito, componentes de la saliva, etc. Secreción discontinua o REGULADA: los productos se almacenan en la célula luego de sintetizados, y sólo se liberan frente a la llegada del estímulo adecuado. Ej.: secreción de gránulos de zimógeno por el páncreas, previo almacenamiento en el citoplasma. zimógeno: un zimógeno o proenzima es un precursor enzimático inactivo, es decir, no cataliza ninguna reacción todavía. Para activarse, necesita de un cambio bioquímico en su estructura. 143 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Vesícula Transportadora DATO: Las moléculas sintetizadas en el RE y Golgi se dice que están contenidas en gránulos o vesículas “secretorias” cuando están acumuladas en el citoplasma, o sea cuando la exocitosis es regulada. Cuando están próximos a la membrana para salir por exocitocis continua o constitutiva se llaman vesículas “transportadoras”. Recordar: el Golgi está más desarrollado en las células secretorias. Ej.: en los plasmocitos que secretan anticuerpos para la defensa del organismo, o en las células de los ácinos pancreáticos que producen enzimas digestivas y también hormonas como la insulina. 144 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros ENDOSOMAS El compartimiento endosómico (o receptosoma) es un complejo heterogéneo de vesículas y túbulos membranosos que se ubica entre la membrana plasmática y el aparato de Golgi, en lo que sería la región perinuclear. Esto corresponde a la zona de tránsito celular: por allí circulan receptores y ligandos. Están formados por una membrana simple en la cual poseen una bomba de protones (H+) que los ingresa al lumen en contra del gradiente, lo que hace que el mismo sea ácido (recordar: a mayor concentración de H+, menor pH acidez). El pH del endosoma está entre 5,5 y 6,5. Dibujamos: Encontramos dos tipos de endosomas: El endosoma TEMPRANO o PRIMARIO se halla próximo a la membrana plasmática y recibe el material captado por pinocitosis. Él decide si lo que ingresó sirve o no. En este último caso, lo liberará al endosoma tardío para su posterior degradación. En los endosomas tempranos o primarios el contenido ácido hace que se libere el receptor que estaba ubicado en la membrana plasmática de la molécula que había sido incorporada. → El receptor se recicla volviendo a la membrana plasmática para repetir su función. En el endosoma TARDÍO o SECUNDARIO el pH es aún más ácido ya que actúa aún más la bomba de protones ingresándolos al lumen. Se halla próximo al Golgi. A él le llega el material proveniente de los endosomas tempranos (cuando no sirva) así como directamente lo que entró por fagocitosis (que nunca sirve ya que recordemos que éste es un mecanismo de defensa). El endosoma secundario está destinado a transformarse en LISOSOMA: le llegan las enzimas hidrolíticas, desde el Golgi y se produce la digestión intracelular del material que contienen. 145 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El pH 6 del endosoma permite que los ligandos se separen de sus receptores, en tanto que el pH 5 de los lisosomas es óptimo para la acción de las enzimas hidrolíticas. El pH 7,2 del citosol no es óptimo para la acción de las enzimas lisosomales. ENTONCES: los endosomas permiten la entrada del ligando a la célula evitando la inmediata fusión con los lisosomas, a diferencia de los fagocitos que llegan directamente a ellos. También están conectados con el Golgi interviniendo en el reciclaje de ciertos receptores y ligandos. Se caracterizan por: No poseer enzimas degradativas esto lo diferencia del lisosoma. No poseer clatrina. Su interior tiene pH ácido esto es una similitud con el lisosoma, si bien el pH del endosoma temprano no es tan ácido como el del lisosoma. Recordar: Los endosomas secundarios son organoides destinados a recibir enzimas hidrolíticas provenientes del complejo de Golgi, así como el material ingresado a la célula por endocitosis, cuando suman ambos contenidos se transforman en lisosomas. 146 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros ¡Integramos! PROCESO DE SECRECIÓN CELULAR Es el mecanismo por el cual se secretan las proteínas de exportación y las enzimas de lisosomas y peroxisomas. Las proteínas sintetizadas en el RER o los lípidos sintetizados en el REL son recibidos por el Golgi y excretados al espacio extracelular por exocitosis. Participan en este proceso: - ADN. - ARN. - RER. - Golgi. - Membrana plasmática. - ATP (mitocondrias). - Citoesqueleto. Se toma como modelo de célula secretora, la célula acinosa pancreática, donde distinguimos las siguientes etapas: 1- Ribosómica: ocurre la síntesis proteica. Hay participación de chaperonas. 2- Cisternal o intraluminal: involucra el transporte de proteínas hacia la luz del RER. 3- De transporte intracelular: la proteína es transportada desde el RER a la cara cis del Golgi a través de las vesículas de transferencia y recorre las cisternas hasta alcanzar las vacuolas de condensación. 4- De concentración de la secreción: la vacuola de condensación se transforma en gránulo de zimógeno. También puede verse como un empaquetamiento y a estas vacuolas se las llama condensantes. 5- De acumulación intracelular: los gránulos de zimógeno se almacenan temporalmente en el citoplasma apical, como gránulos o vesículas secretorias. 6- Exocitosis: los productos de secreción rodeados por membranas aportadas por el Golgi se aproximan a la membrana plasmática y se descargan por el mecanismo de exocitosis. La etapa 5 se omite cuando la secreción es continua y a estas vesículas en lugar de secretorias se las llama transportadoras. ¿Qué es un gránulo de zimógeno? El zimógeno es un precursor inactivo que se convierte en la enzima activa por acción de ácidos, de otra enzima o por otros medios. También se le dice “pro-enzima”. 147 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros VESÍCULAS TRANSPORTADORAS El diámetro de las vesículas transportadoras es de 50 a 200 nm, (la medida mayor corresponde a las vesículas secretorias). Los fagosomas suelen ser aún más voluminosos. Todas las vesículas transportadoras adquieren una cubierta proteica durante su formación. Existen dos clases de cubiertas: las de CLATRINA y las de COATÓMERO. Ambas se vinculan con el proceso de formación de las vesículas y se estima que proveen una fuerza mecánica que succiona a la membrana plana hacia el citosol. Primero en cada área de succión se forma una fosita, que se convierte en vesícula cuando se desprende de la membrana originaria. Las vesículas transportadoras que adquieren cubiertas de CLATRINA (del griego kleter enrejado de varillas) son: 1- Las vesículas producidas durante la endocitosis. 2- Las vesículas que nacen en la cara de salida del complejo de Golgi y se hallan destinadas a los endosomas. 3- Las vesículas nacidas en la cara de salida del complejo de Golgi y que se hallan destinadas a la membrana plasmática, aunque sólo las correspondientes a la secreción regulada. En cambio, adquieren la cubierta de COATÓMERO: 1- Las vesículas nacidas en el RE que se hallan destinadas a la cara de entrada del Golgi. 2- Las que conectan las cisternas del Golgi entre sí. 3- Las vesículas nacidas en la cara de salida del complejo de Golgi y que se hallan destinadas a la membrana plasmática, aunque sólo las correspondientes a la secreción constitutiva. 4- Las vesículas recicladoras. 148 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La cubierta de clatrina se forma por la asociación de un número variable de unidades proteicas denominadas TRISQUELIONES. El trisquelión posee tres brazos flexibles, doblados hacia un mismo lado. Para generar las vesículas los trisqueliones se ensamblan entre sí hasta formar un poliedro. La presencia de trisqueliones sobre la cara citosólica de una membrana le confiere la fuerza mecánica que provoca su invaginación, inicialmente se forma una fosita, la cual se convierte en vesícula que finalmente se desprende de la membrana y se libera en el citosol. La cubierta de clatrina se desarma apenas se forma la vesícula, porque los trisqueliones se liberan y pueden ser vueltos a utilizar. Los trisqueliones se conectan con el dominio citosólico de los receptores que corresponden a los materiales que serán transportados. Como los dominios citosólicos de esos receptores son distintos entre sí y todos los trisqueliones son iguales, deben conectarse mediante unas moléculas intermediarias específicas llamadas ADAPTINAS. Son proteínas heterodiméricas que poseen dos dominios funcionales uno para el trisquelión y otro para el receptor. La unión de los trisqueliones a la membrana de las vesículas depende de una clase especial de proteína ARF. Cuando las vesículas se desprenden de sus cubiertas de clatrina, los ARF y las adaptinas igual que los trisqueliones quedan libres en el citosol y pueden ser vueltos a usar. 149 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Las cubiertas de coatómero se forman cuando numerosos complejos moleculares, cada uno compuesto por varias proteínas llamadas COP (coat protein) se colocan sobre la cara citosólica de una membrana plana. Cada complejo se liga a la membrana de las vesículas por intermedio de la proteína ARF. La ARF contiene un GDP y un ácido graso oculto en el interior de la molécula, cuando el GDP es intercambiado por GTP, el ácido graso emerge de la molécula e inserta a la ARF y al coatómero en la membrana. También los coatómeros se anclan en la membrana directamente ya que se conectan con el dominio citosólico del receptor membranoso específico de la molécula que va a ser transportada, hecho que es posible porque ese dominio es igual en todos los receptores. Entonces: la ARF determina cuándo y dónde debe formarse la vesícula y recluta a las COP, que son las que deforman la membrana, a medida que se construye la cubierta succiona a la membrana hacia el citosol, lo que genera una fosita y luego una vesícula. Una vez formada la vesícula la cubierta de coatómero se desarma y las ARF y las COP pasan al citosol para ser reutilizadas. La salida se produce porque el GTP de las ARF es hidrolizado a GDP. Cada compartimiento del sistema de endomembranas contiene un conjunto particular de moléculas membranosas y luminales, distintas de las de otros compartimientos. Estos compartimientos se vinculan entre sí y con la membrana plasmática mediante vesículas transportadoras. La pregunta es: ¿Cómo hace una vesícula transportadora que emerge de la membrana de un compartimiento donante para encontrar la membrana del compartimiento receptor con la que debe fusionarse y no se extravía en un medio tan lleno de membranas como es el citoplasma? 150 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Existen mecanismos que aseguran su llegada a la membrana correcta, dependen de receptores complementarios: Uno perteneciente a la membrana donante: V-SNARE (v = vesícula) y Otro a la membrana receptora: T-SNARE (t = target). Los t-SNARE son retenidos en las membranas de los compartimientos, mientras que los v-SNARE salen de ellos integrando la membrana de las vesículas transportadoras. Estos pueden actuar una vez que se desprende la cubierta proteica de la superficie de las vesículas. Dada la especificidad del sistema para cada par de compartimientos donante/receptor existe una pareja particular de SNARE complementarios, por ello durante el traslado de una vesícula (que lo realiza el citoesqueleto), el v-SNARE debe tantear a numerosos t-SNARE antes de encontrar a su complementario. La unión entre el v-SNARE y el t-SNARE complementarios depende de una proteína llamada RAB. Además para que se unan las membranas interactuantes se necesitan cuatro PROTEÍNAS FUSÓGENAS que residen en el citosol: tres llamadas SNAP y una llamada NSF (es una ATPasa). La fusión de membranas consume energía que es provista por un ATP hidrolizado por la ATPasa del NSF. SNAP y NSF regresan al citosol y pueden ser reutilizadas, el v-SNARE se integra a una vesícula recicladora y retorna al compartimiento donante (ahora receptor), al que identifica porque la membrana de éste posee un t-SNARE complementario. Durante el reciclaje los compartimientos invierten sus roles 151 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros LISOSOMAS Son organoides citoplasmáticos polimórficos pertenecientes al sistema de endomembranas. Ya vimos antes que se forman cuando al endosoma secundario le llega: MATERIAL para digerir (desde el endosoma primario o desde una vesícula fagocítica) ENZIMAS LISOSOMALES (se las manda el GERL, la “zona del Golgi que relacionada al RE, produce Lisosomas”) marcadas con Manosa-6-fosfato. Entonces están constituidos por una membrana lipoproteica simple en cuyo interior existen enzimas hidrolíticas o hidrolasas ácidas encargadas del proceso de digestión de materiales intra y extracelulares. Heredaron del endosoma secundario una bomba de protones en su membrana, que acidifica el pH hasta 5 aproximadamente: el pH necesario para que actúen las enzimas. Los lisosomas miden aproximadamente entre 0,2 a 0,8 micras. ENZIMAS HIDROLASAS ÁCIDAS ¿Por qué hidrolasas? Porque degradan, hidrolizan o catabolizan sustancias biológicas a moléculas más pequeñas, con la incorporación de agua. Se considera que este proceso degradativo provee de nutrientes para la célula. ¿Por qué ácidas? Porque actúan a un pH ácido (aproximadamente pH=5) que es mantenido gracias a una bomba de protones dependiente de ATP que lleva los H+ desde el citosol hacia el interior del lisosoma. Estas enzimas son de lo más variadas, ya que el lisosoma debe tener la capacidad de digerir gran cantidad de sustancias. Se han identificado alrededor de 50 hidrolasas ácidas. Algunos ejemplos son: Proteasas y peptidasas: colagenasa, catepsina (la catepsina es una endopeptidasa). 152 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Nucleasas: ribonucleasa, desoxirribonucleasa, fosfatasa ácida. Hidrolasas de los carbohidratos de glicoproteínas y glicolípidos: α– manosidasa, α-galactosidasa, β–glucosaminidasa, glucosidasas. Hidrolasas de lípidos: esterasa, esfingosidasa, lipasas, fosfolipasas Otras hidrolasas: lisozima, hialuronidasa. Estas enzimas tienen la propiedad de no salir al exterior ya que la membrana del lisosoma es de gran estabilidad y resistente a las enzimas en condiciones normales*, esto asegura que el proceso digestivo ocurre solamente en el interior del lisosoma. *La membrana es resistente ya que posee un revestimiento interno (sobre la cara luminal) de oligosacáridos especiales, que se encuentran formando parte de glicoproteínas recordemos que es el glucocáliz reviste a la membrana plasmática por fuera y al sistema de endomembranas por dentro. Se cuenta así con un mecanismo protector para el resto de la célula frente al poder destructivo de las hidrolasas Si la membrana lisosomal se rompiera, las enzimas escapadas no afectarían a los demás componentes celulares debido a que se inactivarían al tomar contacto con el citosol cuyo pH aproximado= 7,2. Todas las enzimas lisosomales son glicoproteínas y se sintetizan en los ribosomas adheridos al RER. Las enzimas lisosómicas se sintetizan en el RE y se marcan con MANOSA-6-FOSFATO, (M6P) en la cara Cis del Golgi. Luego son seleccionadas en la cara Trans mediante receptores ubicados en la membrana luminal que reconocen a la manosa-6fosfato. Las enzimas son empaquetadas en vesículas transportadoras (antiguamente llamados “lisosomas primarios”) y tienen como destino final los endosomas tadíos. ENTONCES: La M6P es la responsable de transportar las enzimas hidrolíticas desde la cara Cis a la cara Trans del Golgi, donde el receptor específico permite que las enzimas sean empaquetadas en vesículas de transporte y llevadas mediante transporte dependiente de receptores hacia los endosomas tardíos, en lugar de ser secretadas por exocitosis como ocurriría normalmente. Las enzimas se mantienen ancladas en la membrana del endosoma sólo transitoriamente porque se desprenden de los receptores de manosa-6-fosfato cuando el pH del organoide baja, lo cual ocurre al activarse la bomba de protones. La manosa-6-fosfato regresa a la región de salida del complejo de Golgi este reciclaje hace posible la reutilización de los receptores. Algunos tipos celulares como el epitelio del epidídimo tienen receptores de M6P en la membrana plasmática con el fin de captar hidrolasas ácidas del medio extracelular. 153 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros ¿Y qué sucede dentro del lisosoma? En el interior de los lisosomas las proteínas y los hidratos de carbono son digeridos a dipéptidos y monosacáridos. Estos y otros productos de degradación atraviesan la membrana lisosómica y pasan al citosol, donde terminan de digerirse o se aprovechan para construir nuevas moléculas. Culminadas sus funciones las enzimas lisosómicas también pasan al citosol, donde son degradadas por los PROTEASOMAS. Finalmente, libres de las enzimas y del material digerido, los lisosomas se reconvertirían en endosomas. Encontramos lisosomas en: protozoarios, células vegetales y animales (excepto en el Glóbulo Rojo ¿Por qué?). Son especialmente abundantes en leucocitos polimorfonucleares neutrófilos y en macrófagos, con importantes funciones de defensa. Ambos ejemplos son tipos de glóbulos blancos, que realizan activa fagocitosis. Recordemos que en bacterias no existen lisosomas. La principal característica de los lisosomas es el polimorfismo: presentan tamaño, estructura interna y formas muy diversas debido a la variedad de material 154 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros endocitado y también a la variada composición de hidrolasas en los distintos tipos celulares. Esto dificulta su identificación. AI M.O: Se los puede visualizar mediante técnicas histoquímicas detectando su enzima marcadora que es la fosfatasa ácida por técnica de Gomori. También se los puede teñir con tinta china en las células fagocíticas. AI M.E: Se ven como cuerpos densos electrónicamente y rodeados por una membrana única. FUNCIONES En general es efectuar digestión intra y extracelular. Los materiales a ser digeridos en el lisosoma, cuando hablamos de digestión INTRACELULAR -la más común-, provienen de CUATRO POSIBLES RUTAS: 1. Macromoléculas incorporadas del medio externo por pinocitosis: van a endosomas tempranos, si el material no sirve van luego al endosoma tardío y luego son digeridos por las hidrolasas. 2. Partículas o microorganismos que son incorporados por fagocitosis, conducidos directamente a endosomas tardíos y luego digeridos. 3. Eliminación de partes de la propia célula (“AUTOFAGIA”). Ej.: la mitocondria para ser digerida primero debe ser rodeada por membrana proveniente del REL y luego digerida por acción hidrolítica. *Recordemos que es el REL quien provee de membranas a los autofagosomas. Componentes celulares que participan de la formación del autofagosoma y del fagolisosoma 155 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El autofagosoma sigue el mismo camino que el fagosoma, es decir se fusiona con un endosoma secundario, el cual se convierte en fagolisosoma al recibir las enzimas hidrolíticas de Golgi. 4. Entrada de proteínas del citosol (es decir no endocitadas) directamente a los lisosomas para su degradación. Esta clases de lisosomas cuenta con un receptor membranoso especifico llamado LGP96 (glicoproteína lisosomal) que reconoce a la proteína, la cual ingresa por medio de un translocón, ayudada por dos chaperonas de la familia hsp 70, una citosólica (que desenrollaría a la proteína) y otra luminal (que la impulsaría a entrar). EL LISOSOMA PUEDE HACER TANTO DIGESTIÓN INTRACELULAR COMO EXTRACELULAR DIGESTIÓN INTRACELULAR: de los propios componentes celulares y tisulares. Se puede hablar de varios subtipos: Heterofagia: Se digiere material que ingresó a la célula por endocitosis. Las células responsables de este mecanismo de defensa son los macrófagos del tejido conectivo y los leucocitos polimorfonucleares de la sangre (células fagocíticas). Autofagia: Permite renovar los elementos celulares. También recurre a ella cuando se ve privada de nutrientes y necesita vivir de sus propios recursos (situación que se da durante el ayuno prolongado), lo cual puede llevarla a su propia destrucción. Ejemplos de Autofagia: regresión postlactancia de la glándula mamaria, renovación de mitocondrias envejecidas, en la reducción de los tejidos del útero después del parto El útero en el momento del parto pesa aproximadamente 2 kilos y luego del mismo debe volver a su peso normal de 70g. Microautofagia: Se produce degradación del material proveniente del citosol (de menor tamaño). Crinofagia: por este proceso se degradan los gránulos de secreción que se han producido en exceso, los cuales se vuelven inútiles cuando la secreción deja de ser estimulada. DIGESTIÓN DE MATERIAL EXTRACELULAR: se produce cuando las enzimas lisosómicas se liberan por exocitosis al medio extracelular NORMALMENTE esto ocurre: Durante el desarrollo embrionario de algunos órganos se lleva a cabo la “muerte celular programada” o “apoptosis” en algunos tejidos, a medida otros crecen. 156 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros En el adulto en los osteoclastos, que son células que actúan en la resorción ósea, durante el crecimiento. Osteoclasto: es una célula multinucleada gigante cuya función es reabsorber y eliminar tejido óseo, esto se traduce en un aumento de la resorción del hueso y liberación de sales de calcio y fósforo hacia el líquido extracelular. Es decir que el osteoclasto va “comiendo hueso” (liberando sus enzimas lisosomales hacia la MEC) mientras por detrás suyo el osteoblasto va sintetizando matriz ósea nueva, y así el hueso se va renovando. En el espermatozoide: esta célula posee un lisosoma gigante especializado llamado acrosoma que contiene acrosina y hialuronidasa. Estas enzimas, liberadas al exterior mediante la “reacción acrosomal”, permiten digerir parte de la membrana del óvulo formada por ácido hialurónico, por lo tanto el acrosoma permitiría la fecundación del óvulo. PATOLÓGICAMENTE ocurre: En la artritis reumatoidea y en la gota (artritis gotosa) donde se producen alteraciones articulares. Tiene lugar cuando los cartílagos de las articulaciones son erosionados por los lisosomas, mediante un mecanismo de autoinmunidad. CLASIFICACION DE LISOSOMAS NOTA: La clasificación en lisosomas primarios y secundarios, es una clasificación perimida; no obstante puede aparecer en algunos libros de texto. Ahora preferimos decir: Vesícula o vacuola conteniendo hidrolasas ácidas (ex lisosomas primarios): es la vesícula que sale del GERL y va dirigida al endosoma tardío con las enzimas lisosomales. Lisosomas (ex lisosomas secundarios): los endosomas tardíos, quienes se transforman en lisosomas gracias a la llegada de las hidrolasas ácidas, del material a digerir y de la acidificación del lumen hasta pH=5 Según el tipo de digestión que estén haciendo, los lisosomas también pueden llamarse: Heterofagosoma o fagolisosoma: es el que ha actuado sobre un fagosoma o material extraño incorporado a la célula por endocitosis autofagosoma o vacuola autofágica o citolisosoma: es el lisosoma que ha actuado sobre un componente propio de la célula. Grandes vacuolas digestivas: es el lisosoma que digiere partículas grandes. Ejemplo: una bacteria. Cuerpo residual: es el lisosoma que se forma por una digestión incompleta y contienen restos de sustancias. Cuerpos multivesiculares: contienen gran cantidad de estructuras vesiculares de 50 nm aproximadamente (lisosoma que hace crinofagia) 157 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros PROTEASOMA La célula cuenta con dos dispositivos para degradar a las proteínas fabricadas en su propio citoplasma, es decir las no endocitadas. Uno comprende a los lisosomas y el otro actúa en el citosol y se denomina proteasoma. Su función es opuesta a la de los ribosomas, es decir, degrada a proteínas citosólicas cuando se han plegado mal, se han dañado o han concluido su función. Estructura: pared formada por un complejo enzimático de proteasas + conducto central donde se degrada la proteína. Proceso: Para ingresar en el proteasoma, las proteínas destinadas a desaparecer deber ser marcadas por otra proteína llamada ubiquitina la ubiquitina es la “sentencia de muerte” de la proteína Una vez degradada los oligopéptidos resultantes pasan al citosol para su reutilización. Es un proceso que consume ATP. El proteasoma es reutilizable. INTERÉS MÉDICO DE LOS LISOSOMAS 1) La liberación descontrolada de las enzimas lisosomales puede atacar los componentes extracelulares y esto explica aquellas patologías donde se observa una inflamación aguda en los tejidos. Se trata de enfermedades producidas por sustancias externas que promueven la liberación de las hidrolasas con fibrosis colágena. Ejemplo: artritis, gota, neumoconiosis como la silicosis y enfermedades autoinmunitarias en general (lupus, esclerodermia). Algunos conceptos: Fibrosis: aumento y neoformacion de tejido conectivo por aumento en la síntesis de colágeno. Artritis: inflamación de las articulaciones Gota: artritis ocasionada por aumento del ácido úrico. Neumoconiosis: reacción fibrosa, crónica del tejido broncopulmonar producida por la inhalación de polvo o partículas. Ejemplos: o Silicosis: neumoconiosis producida por la inhalación de polvo de piedras, arena o vidrio de sílice o sus sales (silicatos) o Antracosis: forma de neumoconiosis producida por la inhalación de polvo de carbón, donde los pulmones y los ganglios linfáticos regionales se presentan muy ennegrecidos. o Asbestosis: neumoconiosis producida por la inhalación de partículas de asbesto o Tabacosis: neumoconiosis causada por el polvo del tabaco, etc. El fenómeno común presente en estas patologías es que se produce liberación de las hidrolasas acidas lisosomales contenidas en los macrófagos del tejido conectivo y se produce un cuadro inflamatorio agudo, muy común en articulaciones Por ejemplo, una enfermedad bastante común es la gota: se produce por un aumento de ácido úrico. Eso lleva a que los macrófagos fagociten los cristales de 158 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros urato en las articulaciones, esto altera la membrana lisosomal, se liberan las enzimas al exterior y éstas inflaman los tejidos articulares. 2) Enfermedades por almacenamiento o atesoramiento Son enfermedades congénitas producidas por falta de algunas enzimas lisosomales que actúan en el catabolismo de alguna sustancia determinada. Se producen por mutaciones de los genes que codifican a las enzimas lisosómicas. Estas enfermedades se denominan “por acumulación o almacenamiento” y se caracterizan por la acumulación intracelular de las sustancias que esas enzimas degradan. La mayoría de estas enfermedades atacan el sistema nervioso central, deterioran el individuo llevándolo a la muerte. Enfermedad de células I (Por “Inclusión”): a causa de trastornos genéticos los fibroblastos no poseen la enzima que marca con M6P a las hidrolasas ácidas (Nacetilglucosamina fosfotransferasa). Por lo tanto las vesículas que transportan a esas enzimas se dirigen hacia la membrana plasmática y se secretan en el medio extracelular, en lugar de ir al endosoma tardío. La falta de enzimas en el endosoma impide la digestión de las sustancias endocitadas, las cuales pasan al citosol y pueden acumularse como inclusiones. También puede producirse este fenómeno por un defecto en el receptor para la M6P. También es conocido como Síndrome de los lisosomas vacíos. 159 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros MITOCONDRIAS Las mitocondrias son organoides membranosos semiautónomos, ya que tienen su propio ADN y sintetizan parte de sus proteínas en sus ribosomas: el 10%, lo que corresponde a 13 proteínas, la mayoría de ellas pertenecen a la cadena respiratoria (son enzimas). Las restantes proteínas son sintetizadas en los ribosomas del citosol, y deben ingresar a la mitocondria, gracias a la participación de chaperonas. En su interior tiene lugar la respiración celular aeróbica. Están involucradas con la obtención de energía a partir de los compuestos orgánicos y su acumulación en forma de ATP. Podemos decir que es un organoide transductor de energía. Más datos: Las mitocondrias son cilíndricas, aunque experimentan sutiles cambios de forma derivados de su actividad, en promedio miden 3 micras de largo. Normalmente son abundantes en células con altos requerimientos energéticos como hepatocitos (suele haber entre 1000 y 2000 por célula) y células musculares. Se localizan cerca de los sitios de consumo Ejemplo: en el laberinto basal en células de los túbulos renales. Se desplazan de un lugar a otro del citoplasma hacia las zonas necesitadas de energía. Los microtúbulos y las proteínas motoras intervienen tales desplazamientos. En espermatozoides, adipositos y células del músculo estriado se hallan inmovilizadas en lugares fijos. Son escasas en espermatozoides y linfocitos y están ausentes en los glóbulos rojos, que obtienen su energía a través de la glicólisis anaerobia. ESTRUCTURA DE LA MITOCONDRIA 160 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Podemos distinguir en ella DOS MEMBRANAS: una Membrana Externa lisa y una Membrana Interna con pliegues llamados “crestas mitocondriales”, que amplían su superficie A mayor número de crestas, mayor requerimiento energético tiene la célula. Entre las 2 membranas se definen DOS ESPACIOS O CÁMARAS: Intermembranoso o Cámara Externa (entre la M. Ext y la M. Int), y la Matriz Mitocondrial o Cámara Interna (el espacio encerrado en la M. Int) Membrana Externa: en ella se encuentra la enzima monoaminooxidasa (MAO) que es la “enzima marcadora” de la mitocondria, Esta membrana es permeable a los solutos presentes en el citosol, pero no a las macromoléculas, porque en la bicapa lipídica presenta numerosas proteínas transmembranosas multipaso llamadas porinas, que forman canales acuosos de tamaño regular, por donde pasan libremente iones y moléculas. Membrana Interna: desarrolla plegamientos hacia la matriz que dan lugar a las llamadas crestas mitocondriales. En la membrana interna se localizan: 1)- Las moléculas que en conjunto componen la “cadena transportadora de electrones” o “cadena respiratoria”, ubicadas en forma específica y ordenada. Existen innumerables copias de estos conjuntos en la bicapa lipídica, cada uno integrado por tres grandes complejos proteicos llamados: NADH deshidrogenasa Son enzimas y a la vez son bombas de H+ que llevan H+ desde la matriz hacia la cámara externa! complejo b-c1 (transporte activo). citocromo oxidasa* Entre esos complejos se encuentran dos transportadores de electrones pequeños: la ubiquinona y el citocromo c. *La citocromo oxidasa es la enzima marcadora de la membrana interna que cataliza la reducción de oxígeno para formar agua. O sea que la cadena respiratoria está formada por 5 eslabones, y a veces usa un sexto que es la FADH deshidrogenasa, como veremos más adelante. 2)- La coenzima FAD y una de las 9 enzimas del CICLO DE KREBS, la succinato deshidrogenasa (las otras 8 enzimas de ese ciclo se hallan en la matriz). 3)- En la superficie interna de las crestas mitocondriales encontramos estructuras con un tallo fino que las une a la membrana, son las partículas F1 o partículas de Racker o partículas elementales, o fosforilantes o de 9nm, que tienen actividad ATPsintetasa, es decir en ellas se lleva a cabo las FOSFORILACIÓN OXIDATIVA: ADP + Pi ----> ATP 161 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Como veremos, la energía necesaria para formar el ATP proviene de la cadena respiratoria, la cual a su vez proviene del ciclo de Krebs. Partículas F1: las partículas tienen un tallo o pie (F0) + una cabeza (F1). En el tallo o pie, encontramos la proteína F0 (proteína transmembranaria de la membrana interna) la cual tiene un canal para el pasaje de protones (H+) desde el espacio intermembranario a la matriz mitocondrial (transporte pasivo). La cabeza está orientada hacia la matriz mitocondrial y la forma la proteína F1, que es la responsable de la fosforilación oxidativa porque cataliza la síntesis de ATP, partiendo de ADP +Pi La existencia de las partículas fosforilantes en la membrana interna explica por qué la presencia de pliegues en ella los pliegues aumentan la superficie, lo que permite albergar más cantidad de partículas fosforilantes y ser entonces la mitocondria más efectiva! 4)- Un fosfolípido doble, el difosfatidilglicerol o cardiolipina que impide el pasaje de cualquier soluto a través de la bicapa lipídica, excepto O2, CO2, H2O, NH3 y los ácidos grasos. 5)- Diversos canales iónicos y permeasas que permiten el pasaje selectivo de iones y moléculas desde el espacio intermembranoso a la matriz mitocondrial y en sentido inverso. 6)- Proteínas transmembranarias destinadas al transporte de H+ (activo y pasivo). Ya los hemos mencionado antes. Los H+ están más concentrados en la cámara externa que en la interna, por lo tanto tenemos: Bombas de H+ (transporte activo) son los complejos de la cadena transportadora de electrones, que “bombean” a los H+ en contra de su gradiente (desde la matriz hacia la cámara externa). La energía que necesitan estas bombas NO la provee el ATP, lo cual es una excepción, la proveen los mismos electrones que están pasando por los complejos (energía eléctrica). Canales de H+ (transporte pasivo) son las partículas fosforilantes que poseen el túnel o tallo F0. Son una “puerta abierta” por la que los H+ pueden regresar desde la cámara externa a la matriz, a favor de su gradiente. Son estos protones pasando masivamente a través del tallo F0, los que activan a la cabeza F1 y generan la energía final para que se fosforile el ATP (energía protónicomotora). 162 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Cámara Externa: es el espacio comprendido entre la membrana externa y la interna. Gracias a las porinas el contenido de solutos en este espacio es similar citosol, aunque suele tener una elevada concentración de H+. El espacio más importante es la Cámara Interna o Matriz Mitocondrial. En ella encontramos: H2O Gránulos de distintos tamaños compuestos principalmente por Ca+2. La mitocondria es un reservorio de calcio, igual que el REL. Varias copias de un ADN circular y desnudo (se hallan anclados en la membrana interna del organoide) muy parecido al de la bacteria. 13 tipos de ARNm 2 tipos de ARNr con los cuales se forman auténticos ribosomas 55S, uno para cada subunidad. 22 tipos de ARNt para los 20 aminoácidos La coenzima A (CoA), la coenzima NAD+, ADP, fosfato, O2. Enzimas: o del complejo Piruvato Deshidrogenasa que participa en la DOP o del ciclo de Krebs (menos la succinato deshidrogenasa que está en la membrana interna). o de la β- oxidación de los ácidos grasos o de la transaminación de los aminoácidos Coclusión: todos los procesos mitocondriales se desarrollan en la matriz. ADN MITOCONDRIAL- Diferencias con el ADN nuclear - Existen varias copias de un mismo ADN. - Es una molécula bicatenaria y circular, NO está combinado a proteínas. - Posee un único origen de replicación. - Es muy pequeño, presenta 37 genes y representa el 1% del total de ADN de la célula siendo un sistema genético propio para la mitocondria. - Genera 13 ARNm con los cuales elabora proteínas. - Genera 22 tipos de ARNt (no 31 como el nuclear). 163 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros - Codifica dos clases de ARNr 12S y 16S. - Se transcriben las dos cadenas. - Las moléculas de ARN que transcribe el ADN se procesan mientras se sintetizan, el procesamiento comprende la remoción de partes. - Poseen muy pocas y al vez muy cortas secuencias no genéticas, que no se transcriben. - En su código genético existen 4 codones cuyas instrucciones son diferentes de las de sus pares en el ADN nuclear. - Es de origen materno ya que todas las mitocondrias provienen del ovocito fecundado. - El ADN mitocondrial es más propenso a mutar, por la ausencia de histonas. Observación microscópica: AL M.O: se la observa con la coloración Verde de Jano B (colorante supravital) que interactúa específicamente con las mitocondrias. También se la observa con la Técnica de Regaud. Usa hematoxilina férrica y tiñe de color marrón o negro. Con hematoxilina-eosina son acidófilas, se tiñen con la eosina de color rosa. AI M.E.: Se observa el doble sistema de membranas, la externa lisa y la interna con pliegues o crestas, entre ambas membranas se observa la cámara externa. De las crestas se desprenden partículas con forma de tallo y cabeza (como un fósforo) que son las partículas F1. Mediante técnicas de SUBFRACCIONAMIENTO MITOCONDRIAL se logran separar los distintos componentes de la mitocondria. Origen: la mayoría de las mitocondrias se originan por fisión binaria, para lo cual previamente deben crecer al doble (igual mecanismo de reproducción que la bacteria). Esto requiere que se duplique al área de sus membranas, para lo cual deben sumarse nuevos fosfolípidos a sus bicapas lipídicas al igual que con las otras membranas de la célula, los fosfolípidos son provistos por las membranas del RE, donde se gestan. Para tomarlos del RE la mitocondria recurre a proteínas citosólicas llamadas intercambiadoras que los sustraen de la membrana del retículo y los descargan en la capa citosólica de la membrana mitocondrial externa. Una parte de los fosfolípidos pasa a la capa opuesta gracias a movimientos de flip-flop. La división de la mitocondria tiene lugar durante todo el ciclo celular. 164 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Sin embargo en las células que no se multiplican o en las que poseen interfases prolongadas algunas mitocondrias envejecen y son degradadas por los lisosomas mediante el mecanismo de autofagia FUNCIÓN: producir la energía de la célula a partir de la degradación de glucosa, ácidos grasos y aminoácidos. La energía producida se acumula en el ATP cuya principal característica es que tiene dos uniones terminales de alta energía, y la liberación de cualquiera de sus dos uniones fosfatos produce 7300 calorías por mol. Estas uniones de alta energía le permiten a la célula acumular gran cantidad de energía en muy poco espacio. Importancia: las mitocondrias abundan en aquellas células con altos requerimientos energéticos. Ejemplo: las células parietales del estómago que producen HCI, las células musculares, etc. CHAPERONAS Las proteínas que no sintetiza la mitocondria (el 90% de sus proteínas) provienen de los ribosomas libres. Para poder acceder a la mitocondria luego de sintetizadas, se asocian con a) una chaperona citosólica de la familia HSP70 que mantiene desplegadas a las proteínas, ya que esto es necesario para que puedan llegar a la mitocondria y translocar a la membrana mitocondrial sin dificultad, Una vez en la membrana de la mitocondria se desprenden de la chaperona citosólica y se asocian con b) una chaperona mitocondrial de la membrana interna, de la misma familia. Estas atraen a la proteína hacia el interior de la mitocondria por un mecanismo que consume ATP. Las proteínas abandonan la chaperona cuando llegan a la matriz mitocondrial y ahora deben plegarse, para ello necesitan c) otra chaperona, ahora de la familia HSP60 con la cual adquieren la estructura secundaria y/o terciaria necesaria para desarrollar sus funciones. Dibujamos: 165 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Las proteínas mitocondriales tienen un péptido señal (25 aa) que indica que deben ser transportadas hasta la mitocondria, donde se encuentran receptores para dichos péptidos. La proteína se incorpora a la mitocondria a través de túneles proteicos o translocones que cruzan las membranas externa e interna. Si la proteína está destinada a la matriz mitocondrial, una proteasa escinde el péptido señal y la molécula se libera en la matriz. Si la proteína está destinada a las membranas poseen señales adicionales que la retienen en la bicapa lipídica de la membrana apropiada. ORIGEN DE LAS MITOCONDRIAS. “Teoría Endosimbiótica”. Existen importantes semejanzas entre las bacterias y las mitocondrias: se reproducen por fisión binaria, se parecen en formas y medidas y en la presencia de componentes comunes (el ADN, los ribosomas, la doble membrana que se puede asociar a la pared de las bacterias, etc.) Estas semejanzas han llevado a proponer que las mitocondrias son un producto evolutivo de bacterias aeróbicas. ¡Recordemos! Las primeras células eucariotas eran anaeróbicas y cuando la atmósfera terrestre se hizo rica en oxígeno incorporaron en sus citoplasmas bacterias aeróbicas que tras sucesivos cambios adaptativos se convirtieron en las actuales mitocondrias. Esta simbiosis permitió a las células eucariotas aprovechar el oxígeno atmosférico, por lo que comenzaron a producir mayor cantidad de energía a partir de la misma cantidad de alimentos. Entonces, la membrana plasmática de la célula eucariota quedo liberada de realizar procesos energéticos y se concentró en otras actividades como: controlar la transferencia de solutos, posibilitar la entrada y salida de macromoléculas, recibir y emitir señales, etc. FUNCIONES DE LA MITOCONDRIA La mayor parte de la energía contenida en los alimentos (que llegan a la célula en forma de glucosa, ácidos grasos y aminoácidos) es extraída mediante una sucesión de oxidaciones, al cabo de las cuales el oxígeno atmosférico se une al hidrógeno y al carbono liberado por esas moléculas y se forma agua y dióxido. Estas oxidaciones se cumplen paso a paso, en algunas etapas se liberan pequeñas porciones de energía, y se llevan a cabo en su mayor parte dentro de la mitocondria. Recordemos que oxidarse no es sólo ganar oxígeno, sino también perder hidrógeno, como así también perder electrones. Durante estas reacciones de oxidación y reducción participan dos moléculas intermedias el NAD (NAD+/NADH) y el FAD (FAD/FADH2). Son las coenzimas de las enzimas que catalizan esas reacciones, algunas utilizan NAD y otras FAD. Cada vez que suceda una oxidación, o el NAD o el FAD se debe reducir (pasan a la forma NADH y FADH2). 166 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros ETAPAS DEL METABOLISMO ENERGÉTICO Podemos decir que la célula está constantemente realizando actividades que le demandan energía, por lo que está constantemente produciéndola también. Entonces tenemos dos procesos que forman parte de un ciclo constante: La RESPIRACIÓN CELULAR es el proceso que se lleva a cabo en las mitocondrias y a partir del cual se fosforila el ADP para formar ATP (batería cargada). Para esto la mitocondria requiere glucosa y O2 luego de una serie de oxidaciones graduales* de la misma, se libera CO2 y H2O y la ENERGÍA contenida en la glucosa, que se la guarda ahora en el ATP. Es decir que es el proceso que produce y guarda la energía para la célula *Estas óxido-reducciones ocurren en forma gradual, controlada, de otra forma la energía se liberaría bruscamente y se disiparía como calor. La respiración celular es un proceso catabólico que libera energía, por lo tanto una reacción exergónica. El TRABAJO CELULAR es todo proceso en el que se gaste esa energía: se usa la energía contenida en el ATP provisto por las mitocondrias y se libera ADP + Pi (batería descargada). Trabajo celular es por ejemplo: mitosis, contracción celular, síntesis proteica, secreción, señalización, endocitosis, exocitosis, etc, etc. Entonces las mitocondrias son usinas de moléculas de ATP Una vez formado el ATP sale de las mitocondrias y difunde por la célula para que su energía pueda ser usada para las distintas actividades celulares. Una vez removida la energía del ATP se reconstituye el ADP que reingresa a las mitocondrias para recibir una nueva carga de energía. FUNCIONES DE LA CÉLULA QUE REQUIEREN ENERGÍA 167 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros FOSFORILACIÓN DEL ATP El ATP se obtiene por la fosforilación del ADP, y en ese enlace fosfato-fosfato se concentra la gran energía almacenada. Esto puede conseguirse de 2 maneras: Fosforilación a nivel del sustrato: la energía deriva directamente de un sustrato orgánico. En una única reacción se obtiene ATP a partir de alguna molécula de gran energía. No requiere oxígeno (metabolismo anaeróbico) pero su rendimiento es muy pobre 2 ATP Fosforilación oxidativa: la energía deriva de óxido-reducciones sucesivas, siendo el oxígeno el aceptor final de los hidrógenos. Es la que sucede en la mitocondria. Requiere sí o sí la presencia de oxígeno (metabolismo aerobio) pero su rendimiento energético es muy superior 36 ATP. REACCIONES QUÍMICAS LIGADAS A LA PRODUCCIÓN Y ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA Las sustancias alimenticias se clasifican en hidratos de carbono, grasas, proteínas, minerales y agua, a las cuales debemos agregarles el oxígeno. Los alimentos ingresan al organismo por el sistema digestivo, salvo el O2 que lo hace por vía respiratoria. No toda la energía depositada en las uniones químicas de los alimentos es transferida al ATP, ya que parte de esa energía se convierte en calor y se disipa. Los alimentos ingresados deben convertirse en combustible de libre utilización para poder ser aprovechados por la célula, entonces, apenas los alimentos son ingeridos los polisacáridos, lípidos, y proteínas son escindidos en moléculas cada vez más pequeñas por la acción de enzimas. Se establecen verdaderas cadenas metabólicas degradativas. En las primeras etapas son distintas para cada tipo de alimento y en los últimos pasos confluyen en una vía metabólica común. La escisión enzimática de los alimentos tiene lugar primero en el tubo digestivo, luego en el citosol de las células y finalmente en la mitocondria Una vez que la energía ha sido extraída de los alimentos, queda como productos de desecho CO2 y agua, más algunas sustancias nitrogenadas derivadas del catabolismo. ¿Qué sucede desde que ingerimos los alimentos hasta que finalmente la energía aportada por ellos es almacenada en el ATP? 168 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Ocurren las siguientes ETAPAS: La primera etapa de la escisión enzimática tiene lugar en el TUBO DIGESTIVO, o sea que es extracelular. Los carbohidratos glucosa Los lípidos (triacilgliceroles) ácidos grasos + glicerol Las proteínas aminoácidos En general podemos decir que los polímeros se cortan en sus monómeros constituyentes. Luego de ser absorbidos por el epitelio intestinal, ingresan a la sangre y por ella llegan a las células de todo el cuerpo. Para asegurarse un abastecimiento continuo de energía, las células guardan en el citosol glucógeno y triacigliceroles (inclusiones). El hígado y el musculo estriado contienen importantes reservas de estas moléculas en forma de inclusiones, desde donde las movilizan cuando es necesario. El hígado es el principal reservorio de glucógeno del cuerpo. Los adipocitos (tejido graso) sirven de depósito para grandes cantidades de triacigliceroles (“célula en anillo de sello”). Los hidratos de carbono son lo más fácilmente metabolizables y la GLUCOSA representa el principal combustible para la célula. Una vez que llegan la glucosa, los ácidos grasos y los aminoácidos a las células, cada uno sigue una vía metabólica propia. Estas vías metabólicas se vuelven a encontrar ya que todos los compuestos terminan, tarde o temprano, formando Acetil-CoA, a partir del cual la historia es la misma para todos. Ahora vamos a estudiar qué sucede con la GLUCOSA: GLUCÓLISIS ANAERÓBICA: La glucosa (6 C), luego de ingresar a la célula, en el citosol (aún no entramos a la mitocondria) se transforma en dos moléculas de ácido pirúvico o piruvato (3 C) mediante un proceso denominado glucolisis anaeróbica. En ella ocurren una serie de reacciones químicas consecutivas en las que intervienen 10 enzimas citosólicas. Al comienzo de este proceso se gastan 2 ATP, pero de inmediato se generan 4 por “fosforilación a nivel del sustrato” (todavía no entró a jugar el oxígeno), entonces se ganan 2 ATP (1 por cada piruvato). Además parte de la energía liberada se usa para la reducción de dos NAD+ (1 por cada piruvato). Luego veremos cómo en las mitocondrias la energía contenida en los dos NADH de la glucólisis es transferida al ATP (si hubiere oxígeno). 169 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Glucosa 2 piruvatos + 2 NADH + 2 ATP Una vez formado el piruvato, pueden suceder dos cosas: Si la célula NO cuenta con oxígeno suficiente (situación normal por ejemplo cuando las células musculares sobrepasan un determinado nivel de actividad agotando el oxígeno que llega por los glóbulos rojos), el piruvato que está en el citosol es convertido por la enzima lactato deshidrogenasa en ácido láctico o lactato donde finaliza la vía metabólica cuando no hay O2. Este proceso se denomina fermentación láctica o vía del lactato. El resultado energético son los 2 ATP obtenidos por la glucólisis anaeróbica por fosforilación a nivel del sustrato. Si la célula SÍ cuenta con oxígeno, los piruvatos dejan el citosol e INGRESAN EN LAS MITOCONDRIAS. DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA DEL PIRUVATO: El piruvato ingresa a la mitocondria y por acción de un complejo enzimático llamado piruvato deshidrogenasa, cada piruvato se descarboxila (pierde C en forma de CO2) y se transforma en acetilo, que es un resto de 2 C. Éste se une a la “coenzima A” y se forma el Acetil-Coenzima A. El conjunto de estas reacciones es llamada DOP = Descarboxilación Oxidativa del Piruvato. Durante la descarboxilación también se genera energía suficiente para reducir un NAD+, lo cual implica la formación de un NADH por cada acetilo producido. Luego veremos cómo la energía depositada en este NADH es transferida al ATP. Por cada piruvato se forma una sola Acetil-CoA y un NADH A continuación, siempre en las mitocondrias, los átomos de C e H del acetilo son oxidados generando CO2 y agua como productos finales. Las oxidaciones son graduales y en su transcurso se libera la energía depositada en las uniones covalentes entre esos átomos, que pasa al ATP. Ambos procesos, las oxidaciones y la formación de ATP ocurren en dos tiempos, en el primero se genera CO 2 y en el segundo, agua. a.- CICLO DE KREBS: El primero de los tiempos que representa la cuarta etapa en la degradación de los glúcidos, abarca una sucesión de oxidaciones en el llamado Ciclo de Krebs o de los Ácidos Tricarboxílicos o del Ácido Cítrico, que es la vía metabólica final común para la glucosa, ácidos grasos y aminoácidos, ya que todos terminan formando Acetil-CoA. Comprende una serie de 9 reacciones mediadas por 9 enzimas específicas. El acetil-CoA que ingresa al ciclo se combina con oxalacetato (4 C) y forman citrato, de 6 C. 170 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Las enzimas actúan secuencialmente de forma tal que el último de sus productos vuelve a ser el ácido oxalacético u oxal-acetato, el cual al combinarse con el grupo de acetilo de otra acetil-CoA genera de nuevo ácido cítrico, esto inicia otro ciclo de Krebs y así sucesivamente mientras haya oxalacetato y acetilos disponibles. Decimos que el ciclo gira constantemente, mientras haya Acetil-CoA ingresando al mismo que actúa como “motor del ciclo” De la energía liberada en esta etapa una parte se aprovecha para generar un ATP en forma directa (se forma un GTP que luego se transforma en ATP), pero la mayor parte es usada para reducir tres NAD+ y un FAD En cada vuelta del ciclo de Krebs cada acetil-CoA libera 2 moléculas de CO2, y se genera energía para formar 1 ATP (ex GTP), 3 NADH y 1 FADH2. Como se necesitan dos vueltas del ciclo de Krebs para procesar a los dos acetilos derivados de la glucolisis de una molécula de glucosa, por cada molécula de glucosa se originan 2 ATP, 6 NADH, 2 FADH2, y 4 moléculas de CO2 b.- CADENA RESPIRATORIA: En el segundo tiempo, contemporáneo al ciclo de Krebs, los NADH y los FADH2 son oxidados en una serie de complejos moleculares conocidos como cadena respiratoria o sistema transportador de electrones que tiene lugar en la membrana interna de la mitocondria. De modo que los NADH y FADH2 son reoxidados y vuelven a convertirse en NAD+ y FAD NADH NAD+ + 1H+ + 2eFADH2 FAD + 2H+ + 2eLos electrones surgidos de estos procesos poseen un elevado potencial de transferencia, es decir una gran cantidad de energía. Así ingresan en la cadena transportadora de electrones. Como cada componente de la cadena posee por los e- una afinidad mayor que su predecesor, los e- fluyen por la cadena en el siguiente orden: Para los electrones cedidos por NADH el punto de entrada es la NADH deshidrogenasa, de esta pasan a la ubiquinona que los transfiere al complejo b-c1. Los electrones dejan este complejo y pasan al citocromo c, desde donde pasan al quinto y último eslabón que es la citocromo oxidasa Para los electrones cedidos por FADH2 el punto de entrada es la FADH deshidrogenasa, de ahí pasan a la ubiquinona, a partir de la cual fluyen por los restantes eslabones de la cadena en el mismo orden que los electrones cedidos por NADH. 171 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La energía que han cedido los electrones es usada para transportar los H+ (que vienen de los NADH y FADH2) desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembranoso. Los H+ pasan a través de los complejos de la cadena respiratoria quienes actúan como verdaderas BOMBAS DE PROTONES, se trata de un transporte activo porque pasan a un medio donde su concentración es mayor (luego van a querer volver por su gradiente). El bombeo de protones se produce en tres puntos de la cadena respiratoria. Los electrones luego de perder una parte sustancial de su energía abandonan la cadena respiratoria y regresan a la matriz. Se combinan con los H+ que llegaron del espacio intermembranoso (a favor del gradiente) y con el O2 proveniente de la atmósfera lo que da lugar a la formación de agua metabólica. La atracción de los e- por el O2 se debe a que poseen una gran afinidad por éste, mayor que la que tienen por la citocromo oxidasa, lugar por donde salen de la cadena respiratoria. ENTONCES: En la respiración celular aeróbica el último aceptor de e- es el O2 Como producto final se forma H2O que se incorpora a la célula, siendo el otro producto final del metabolismo el CO2. Este pasa al citosol, de ahí al espacio extracelular y finalmente a la sangre, que lo transporta a los pulmones para su eliminación. El agua pasa al citosol, donde puede quedar retenida o pasar al espacio extracelular. Debemos saber que: Cuando los H+ ingresan a la cadena por NAD producen 3 ATP Cuando los H+ ingresan a la cadena por FAD, producen 2 ATP. Pero, ¿cómo es que se termina formando ATP? FOSFORILACIÓN OXIDATIVA: Los H+ que han sido bombeados hacia la cámara externa poseen un alto gradiente que mira hacia la matriz, por lo que regresarán a ella por la “primera puerta abierta que encuentren”. Esta puerta abierta es el canal de H + (transporte pasivo) que constituye la porción F0 de la partícula F0-F1. Por lo tanto los protones regresarán en masa hacia la matriz pasando por este túnel F0, activando así la partícula F1 que es la cabeza que tiene actividad ATPsintasa. La energía que se utiliza para la fosforilación es la llamada “energía protónico motora” que acumulan esos H+ ávidos por volver a la matriz. La ATP sintasa se comporta entonces como una turbina que convierte energía protonicomotora derivada del gradiente electroquímico de H+ en otra más provechosa para la célula LA ENERGÍA QUÍMICA DEL ATP. 172 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Decimos que el acoplamiento entre la cadena respiratoria y el sistema fosforilante se cumple en las partículas F1 y se denomina HIPÓTESIS QUIMIOOSMÓTICA. Esta etapa, quinta y última en la degradación de los glúcidos, como da lugar a oxidaciones (que requieren O2) acopladas a fosforilaciones, se llama fosforilación oxidativa. I: NADH deshidrogenasa II: FADH deshidrogenasa III: complejo b-c1 IV: citocromo oxidasa. Los complejos I, III y IV funcionan como bombas de H+ Por cada glucosa que entra en la vía de la fosforilación oxidativa se generan en total 36 ATP. A esto se le deben sumar los 2 ATP que ya se había formado por la glucólisis anaerobia en el citosol, por lo que cada glucosa degradada en presencia de oxígeno da un saldo energético total de 38 ATP (versus los 2 ATP que se forman si no hay oxígeno que son únicamente los de la fosforilación a nivel del sustrato de la glucólisis) BALANCE ENERGÉTICO Los 36 ATP producidos x glucosa a través de la fosforilación oxidativa se obtienen de la siguiente manera (recordemos que cada NADH que ingresa a la cadena respiratoria genera 3 ATP y cada FADH2 genera 2ATP): Cada piruvato genera 1 NADH en la DOP. Cada Acetil-CoA que ingresa al ciclo de Krebs genera 3 NADH, 1 FADH2, y 1 GTP Entonces por piruvato tenemos: 4 NADH 12 ATP 1 FADH2 2 ATP 1 GTP 1 ATP ---------------------------15 ATP Como cada glucosa da 2 piruvatos 30 ATP. 173 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Finalmente a esto se le suman los 2 NADH que se formaron en la glucólisis que en presencia de O2 ingresan también a la mitocondria (a través de sistemas llamados “lanzaderas”) y van directo a la cadera respiratoria 6 ATP extras = 36 ATP La reacción completa que ocurre es: C6H12O6 + 36Pi + 36 ADP + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP + 2ATP 38ATP . . . “Por cada glucosa que entra a la célula se producen 38 ATP “ El ATP sale al citosol por un contratransportador pasivo de la membrana mitocondrial interna, la ATP-ADP translocasa, por cada ATP que la atraviesa entra un ADP a la matriz mitocondrial. Dato: La ATP sintasa también puede llamarse ATPasa ya que es capaz de hidrolizar ATP y con la energía liberada bombea H+ al espacio intermembranoso a través de F0. No obstante generalmente recibe el nombre de ATP sintasa porque en la matriz mitocondrial el cociente ATP/ADP normalmente es inferior a 1, lo cual lleva a la síntesis de ATP y no a su hidrólisis. Hasta acá estudiamos la vía catabólica de la glucosa. ¿Qué pasa con los AG y aa derivados de la digestión? ÁCIDOS GRASOS A diferencia de la glucosa los ácidos grasos no se degradan en el citosol, sino que pasan derecho a las mitocondrias donde una serie de enzimas específicas los desdoblan y forman Acetilos. El proceso se llama Beta-oxidación y comprende varios ciclos sucesivos. Igual que los acetilos derivados de la DOP, los surgidos de la B-oxidación son conjugados con la CoA e ingresan al ciclo de Krebs. Las cadenas metabólicas que degradan a los glúcidos y las grasas generan una molécula común: la Acetil-CoA, que ingresa al ciclo de Krebs. Por ellos decimos que es la “encrucijada metabólica”. Las grasas aportan más energía que los hidratos de carbono por la cantidad de NADH y FADH2 suplementarios que se producen durante la B-oxidación. AMINOÁCIDOS Cuando no se utilizan para sintetizar proteínas y son requeridos para generar energía, algunos se convierten en piruvato, otros en acetilo y otros en moléculas intermediarias del ciclo de Krebs. Es decir que de una u otra forma terminan ingresando siempre al ciclo de Krebs. 174 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Algunos datos finales: Cuando el piruvato sigue la vía del lactato, este último, acumulado en las células musculares pasa a la sangre y por ella llega al hígado. En los hepatocitos, se convierte en glucosa, que será utilizada por la célula muscular si continúa la demanda de energía. Este fenómeno se denomina fermentación láctica, cuando esto ocurre se omite el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa. Si la energía protonicomotora de los H+ situados en el espacio intermembranoso no se rescatara para formar ATP, los H+ al volver a la matriz mitocondrial igual se unirían a los e- y al O2 para formar agua, pero la energía protonicomotora al cabo de la reacción se convertiría en energía térmica, se disiparía como calor. Esto es lo que ocurre en las células adiposas de la grasa parda, cuyas mitocondrias son incapaces de transferir la energía protonicomotora aI ATP. En la membrana interna de estas mitocondrias existe un transportador de H+ llamado termogenina, que permite el regreso de los H+ a la matriz sin que su energía sea aprovechada para formar ATP. La grasa parda es un tejido que poseen los recién en la región interescapular, si el niño nace en medio muy frío los ácidos grasos de los triacilgliceroles depositados en las células de la grasa parda se degradan y generan calor en lugar de ATP, entonces la grasa parda puede ser vital en el momento del nacimiento, al permitir una rápida adaptación de los recién nacidos a la baja temperatura. 175 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La oxidación completa de la glucosa (respiración aerobia) da 36 ATP adicionales (mediante fosforilación oxidativa) siendo su rendimiento energético mucho mayor al de la fosforilación a nivel del sustrato. El rendimiento energético total de la glucosa (38 ATP, energía libre*) representa aproximadamente el 40% de su contenido energético, el 60% restante se disipa como calor, mientras que en los motores tales cifras suelen ser del orden del 20% y el 80% respectivamente (mucho menos productivo) *Energía libre: es la energía útil o disponible para efectuar trabajo celular. El mejor rendimiento logrado por la célula se debe a que degrada los alimentos en forma gradual, por medio de enzimas que ella misma sintetiza. Esto permite que la energía liberada de los alimentos sea transferida al ADP y se forme ATP con mínima generación de calor. OTRAS FUNCIONES DE LA MITOCONDRIA Remoción de Ca+2 del citosol: normalmente esta función está a cargo del RE, pero cuando la concentración de Ca+2 aumenta a niveles peligrosos, se pone en funcionamiento una Ca+2-ATPasa localizada en la membrana interna de las mitocondrias que al bombear Ca+2 hacia la matriz mitocondrial lo retira del citosol. Síntesis de aminoácidos: a partir de moléculas intermediarias del ciclo de Krebs. Síntesis de esteroides: en algunas células de la corteza suprarrenal, de los ovarios y de los testículos, la mitocondria participa en la síntesis de diversos esteroides (función esteroidogénica). Una enzima de la membrana mitocondrial interna capta el colesterol y lo convierte en pregnenolona, ésta sale de la mitocondria e ingresa al RE donde continúa su metabolismo mediante diversas enzimas que actúan secuencialmente. 176 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros MICROCUERPOS También se los llama microsomas, son organoides constituidos por una membrana simple o única y en su interior se encuentran enzimas. Su función es tomar sustancias tóxicas del citosol y convertirlas en polares, es decir, participan de la destoxificación celular. Tienen forma esferoidal u oval con un diámetro de 0.5 a 1 μm. Son abundantes en riñón e hígado (órganos destoxificadores por excelencia), donde se los encuentra asociados al retículo endoplásmico, constituyendo grupos o racimos. Se encuentran microsomas en algas, hongos, protistas, células de vegetales superiores y gran variedad de tejidos animales. NO hay microsomas en células procariotas. Existen dos tipos de microsomas: los peroxisomas y los glioxisomas (peroxisomas vegetales). PEROXISOMAS Son organoides que se encuentran en todas las células eucariotas. Tienen forma ovoide. Tienen diámetro de 0,6 μm . Están rodeados por una sola membrana. Contienen enzimas que forman y degradan al peróxido de hidrogeno (H2O2). Una de sus funciones es proteger a la célula de sustancias tóxicas. Puede haber entre 70 y 100 por célula (en hepatocitos y células renales puede haber más) Cumplen variadas funciones metabólicas. Contienen enzimas oxidasas: o D-aminoácido oxidasa. o Urato oxidasa. Los peroxisomas que contienen esta enzima exhiben un cuerpo pequeño cristalino compuesto por múltiples cristalitos. o Enzimas de la B-oxidación de los ácidos grasos (igual que la mitocondria). o Además contienen a la enzima CATALASA es destructora de peróxido. Las distintas enzimas actúan en forma secuencial: primero oxidan sustratos específicos como ácido úrico, purinas, aminoácidos, ácidos grasos, etc. formando como producto H2O2. Y como éste es un agente oxidante muy reactivo y tóxico para la célula, luego lo toma la catalasa y forma H2O y O2 como productos. 177 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Además de la eliminación de sustancias tóxicas, la beta-oxidación de AG, y el metabolismo del peróxido de hidrógeno, en su interior se produce también el metabolismo de las purinas (bases púricas: adenina y guanina). La catalasa también degrada el peróxido producido fuera del peroxisoma, como el de las mitocondrias, del retículo endoplásmico y del citosol. En estos sitios las oxidaciones dan lugar a pequeñas cantidades de anión superóxido (O2-) conocido comúnmente como un “radical libre”*. Estos radicales son muy reactivos y tóxicos, por lo que la enzima superóxido dismutasa se encarga de eliminarlos mediante la siguiente reacción: 2 O2- + 2 H+ ----- H2O2 + O2 Por lo tanto en estos sitios mencionados se forma peróxido (que también es tóxico) el cual debe ingresar al peroxisoma para ser eliminado por la catalasa. Se cree que el anión superóxido produce pérdida de sulfhidrilos en las proteínas, alteran la bicapa lipídica de las membranas celulares y producen mutaciones genéticas lo que podría acelerar el envejecimiento orgánico y facilitar la aparición de cuadros cancerígenos. *Radicales libres Un radical o radical libre es una especie química (orgánica o inorgánica) caracterizada por poseer uno o más electrones desapareados. Se forma en el intermedio de reacciones químicas, a partir de la ruptura homolítica de una molécula y, en general, es extremadamente inestable y, por tanto, con gran En las células hepáticas y renales la catalasa actúa también como enzima destoxificante. Para ello, ante la presencia de ciertos tóxicos en lugar de convertir el peróxido en agua y oxígeno, utiliza el peróxido para oxidarlos y neutralizar su toxicidad. La reacción sería: poder reactivo y de vida media muy corta. Son tóxicos para la célula, están relacionados con el envejecimiento celular y el cáncer. H2O2 + TH2 ----- 2 H2O + T Donde TH2 simboliza a la sustancia tóxica y T a la misma sustancia después de su oxidación (perdió H). Ejemplos: fenoles, formaldehído, ácido fórmico, y el etanol. Entonces parte del etanol ingerido con las bebidas alcohólicas es neutralizado por la catalasa de los peroxisomas que lo oxida a acetaldehído. Habíamos dicho que los peroxisomas intervienen en la oxidación de los ácidos grasos: la misma da lugar a la formación de energía química (ATP) ya que estos AG se convierten en grupos acetilo que se transfieren a las mitocondrias e ingresan al ciclo de Krebs. En realidad sólo una pequeña proporción de los ácidos grasos celulares es oxidada en los peroxisomas, el resto en las mitocondrias. El resto de las oxidaciones del peroxisoma no generan energía química (ATP) como ocurre en las mitocondrias, sino energía térmica. 178 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Los peroxisomas también efectúan GLUCONEOGÉNESIS: es la formación de glucosa a partir de moléculas que no son carbohidratos: aminoácidos, lactato y la porción glicerol de los ácidos grasos. Por técnicas de centrifugación diferencial sedimentan junto con los lisosomas, pero pueden diferenciarse de ellos porque se tiñen fuertemente con diaminobencidina (DAB), tinción que marca a la catalasa. Los peroxisomas pueden mostrar un núcleo cristalino llamado cristaloide o nucleoide que contiene a la urato oxidasa cristalizada, enzima que cataliza la oxidación del ácido úrico durante la degradación de las purinas. Estos microsomas con nucleoide se observan en hígado y odontoblastos, no así en las células del riñón. Si observamos un peroxisoma al M.E. podremos-ver: Los peroxisomas hacen fisión binaria: Se cree que tienen una vida media de 5 a 6 días luego de lo cual son destruidos por los autofagosomas. Su número se restablece del mismo modo en que lo hacen las mitocondrias, mediante duplicación de peroxisomas jóvenes, es decir por fisión binaria. Para que la fisión binaria se concrete la masa del peroxisoma debe antes duplicarse: la bicapa lipídica de la membrana crece por el agregado de fosfolípidos extraídos del RE mediante proteínas intercambiadoras. Las proteínas que se incorporan a la matriz o a la membrana de estos organoides son proteínas citosólicas (sintetizadas por los ribosomas libres), son entonces transportadas y desplegadas por chaperonas de la familia HSP 70, para ello las proteínas peroxisómicas tienen un péptido señal (está cerca del extremo carboxilo y está compuesto por 3 aminoácidos) que será reconocido por un receptor de la membrana del organoide y entonces es translocada adentro del peroxisoma. El translocón por donde ingresan las proteínas y la chaperonas HSP 60 que facilita sus plegamientos no han sido identificados. 179 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La mutación del gen que codifica la síntesis de una proteína de la membrana del peroxisoma hace que falte la proteína translocadora, entonces no se produce la entrada de las enzimas oxidativas a la matriz del peroxisoma y se produce el Síndrome de Zellweger, caracterizado por peroxisomas vacíos que provoca la muerte de los niños antes del año de vida Importancia: los peroxisomas están desarrollados en hepatocitos, macrófagos y células renales Podemos resumir las FUNCIONES del peroxisoma en: Destoxificación celular Regulación del metabolismo del H2O2 Metabolismo de las purinas Oxidación de los ácidos grasos Gluconeogénesis GLIOXISOMAS Son peroxisomas vegetales, donde se regula el metabolismo de los triglicéridos, en la conversión de grasas a hidratos de carbono. La germinación de las semillas suele necesitar de la degradación de lípidos acumulados. Se los encuentra en células vegetales, principalmente en semillas y en células de animales inferiores como los protozoarios. Son peroxisomas que realizan el ciclo del glioxilato, donde se transforman los ácidos grasos de la semilla en hidratos de carbono ya que éstos contribuyen al desarrollo de las plantas jóvenes. Es un ejemplo de gluconeogénesis (obtención de glúcidos a partir de compuestos no glucídicos). El ciclo del glioxilato es una variante del ciclo de Krebs. La diferencia radica en que este ciclo requiere dos moléculas de acetil-CoA y utiliza dos enzimas exclusivas. Ciertos peroxisomas vegetales efectúan FOTORRESPIRACIÓN: ocurre en los peroxisomas de células fotosintéticas (hojas verdes). Consiste en la oxidación de glicolato, molécula de 2 C que se sintetiza en los cloroplastos en los días secos de sol intenso. La oxidación del glicolato consume luz y O2, produciéndose glioxilato y H2O2. El H2O2 es descompuesto par la catalasa del peroxisoma (en agua y O2) y el glioxilato se convierte en glicina, que se metaboliza en Ia mitocondria y produce CO2. En este proceso participan peroxisomas, cloroplastos y mitocondrias y se llama fotorrespiración ya que para la síntesis y oxidación del glicolato se necesita luz y O2 y se libera CO2. 180 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros CLOROPLASTOS y OTROS PLÁSTIDOS Plástidos: son organoides citoplasmáticos especiales que están presentes en las células vegetales. Son: Cloroplastos (poseen pigmento verde la clorofila) Cromoplastos (predominan otros pigmentos: licopeno, ficobilinas) Leucoplastos (son incoloros). Los más importantes son los: CLOROPLASTOS Son organoides semiautónomos (tienen ADN) membranosos de doble membrana ubicados en las células eucariotas vegetales donde se lleva a cabo el proceso de fotosíntesis, gracias a que contienen al pigmento verde clorofila que les da a su vez color. Se localizan principalmente en las hojas de las plantas superiores y en las algas. Las algas poseen a menudo un sólo cloroplasto muy voluminoso, en cambio en las plantas superiores existen entre 20 y 40 por célula. En las hojas de algunas especies hay alrededor de 400.000 cloroplastos por mm 2. Si su número es insuficiente aumentan por división (es decir pueden hacer fisión binaria), si es excesivo se reducen por degeneración. Son más abundantes y con más clorofila en plantas verdes que crecen en la sombra, respecto a las que crecen bajo el sol. Los cloroplastos son los plástidos más comunes y los de mayor importancia biológica. Producen oxígeno y la mayor parte de la energía química que es utilizada por los seres vivos, la vida se mantiene gracias a ellos, sin ellos no habría plantas ni animales 181 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Se puede decir que “cada molécula de oxígeno usada en la respiración y cada átomo de carbono presente en nuestros organismos pasaron alguna vez por un cloroplasto”. Al MO: se observan fácilmente ya que miden entre 4 a 6 μm, con forma discoidal más o menos aplanados. Al ME: comprobamos que posee tres componentes principales: Ia envoltura, la estroma y los tilacoides. La ENVOLTURA presenta dos membranas, a través de las cuales se producen los intercambios con el citosol. La ESTROMA representa la mayor parte del cloroplasto. Contiene membranas internas qua adoptan forma de sacos aplanados Ilamados TILACOIDES. Además contiene disueltos: enzimas proteínas gránulos de almidón gotitas de lípidos Sistema genético: ADN del cloroplasto: es circular de alrededor de 45 μm de largo y cerca de 135.000 pares de bases ARN Ribosomas pequeños Estos últimos hacen que el cloroplasto sea un organoide semi-autónomo igual que la mitocondria. Sólo sintetiza el 10% de sus proteínas, entonces Ia mayoría de ellas provienen del citosol, de modo que son codificadas por genes nucleares. Los TILACOIDES pueden estar apilados o aislados. Cuando los tilacoides se asocian constituyendo una serie de pilas se llaman en conjunto grana y los componentes del grana se llaman tilacoides del grana, también puede haber tilacoides que atraviesan la estroma y que conectan entre sí a dos grana y se llaman tilacoides de la estroma. En la membrana de los tilacoides se encuentra la clorofila, por lo tanto allí se producen las reacciones fotoquímicas. La pared de los tilacoides llamada “membrana tilacoide” es una bicapa lipídica con proteínas y otras moléculas, casi todas involucradas en las reacciones químicas de la fotosíntesis. Esta pared separa el compartimiento de los tilacoides, es decir el “espacio tilacoide”, de la estroma. Algunas evidencias indican que las luces de todos los tilacoides estarían interconectadas, de modo que existiría un solo “espacio tilacoide” Para entenderlo mejor: podríamos decir que los tilacoides se parecen a un “sistema de endomembranas” dentro de la estroma del cloroplasto. 182 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Entonces el cloroplasto tendría TRES compartimientos: El intermembranoso (entre las membranas externa e interna). El estroma (entre la membrana interna y la membrana tilacoide). El espacio tilacoide. Desde un punto de vista funcional el espacio tilacoide equivale a la matriz mitocondrial, ya que allí se llevan a cabo las reacciones más importantes. El tema FOTOSINTESIS será desarrollado en el capítulo de ECOLOGÍA Es importante saber que: En el estroma (además de las reacciones oscuras de Ia fotosíntesis) también ocurren los procesos genéticos de replicación, transcripción y traducción del ADN. Los procariontes como las algas verdeazules pueden realizar fotosíntesis. Además de la clorofila existen otros pigmentos fotosintéticos accesorios: *Carotenoides: xantófilas (pardo amarillado) y carotenos (naranja) *Ficobilinas: ficocianinas (azul) y ficoeritrina (rojo, púrpura o violeta) Estos pigmentos le permiten a la célula absorber la energía solar, aunque sin dudas las clorofilas son los más importantes. Origen de los cloroplastos: Los cloroplastos, al igual que el núcleo y las mitocondrias, se originan de cloroplastos ya existentes o de un plasto no diferenciado llamado PROPLASTO o PROPLÁSTIDO que se encuentran en las células vegetales no diferenciadas. El proplástido es un organoide pequeño (1μm) de forma discoidal, con dos membranas que encierran un estroma sin estructura y sin clorofila, pero que al ser expuesto a la luz, la membrana interna crece y emite vesículas hacia la estroma. Estos elementos tubulares luego se transforman en sacos aplanados son los futuros tilacoides que en algunas regiones se apilan apretadamente hasta formar los GRANA. En el cloroplasto maduro los tilacoides ya no se hallan unidos a la membrana, pero los grana quedan unidos entre sí por los tilacoides de la estroma. En la última etapa de su formación, que es la maduración, comienza la síntesis de los pigmentos. 183 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Distinguimos tres etapas: 1-) Fase de proplástido: incide la luz y comienzan a crecer hacia el estroma prolongaciones de la membrana Empiezan a formarse los tilacoides. 2-) Fase de diferenciación: se apilan los grana y sigue aumentando de tamaño. 3-) Fase de maduración: síntesis de pigmentos. Otros PLÁSTIDOS CROMOPLASTOS Contienen otros pigmentos En los pétalos, frutos y raíces de ciertas plantas hay cromoplastos amarillos o anaranjados. Tienen menos clorofila y por lo tanto menor actividad fotosintética. En el tomate maduro en el pigmento es rojo y se denomina licopeno (caratenoide). En las algas se encuentran pigmentos como las ficobilinas. LEUCOPLASTOS Son plástidos incoloros, se encuentran en las células embrionarias y en las células de los órganos que no reciben luz. Dentro de estos tenemos los: Amiloplastos: producen y acumulan gránulos de almidón. Son muy abundantes en las raíces y tubérculos de diversas plantas. Proteoplastos: acumulan proteínas. Oleoplastos: acumulan lípidos. 184 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros RIBOSOMAS Los ribosomas son las únicas organelas NO membranosas de la célula, junto a las inclusiones y el citoesqueleto, si bien estas últimas no son estrictamente organelas. Recordemos que son las únicas organelas que comparte la célula eucariota con la procariota (que justamente no tiene ninguna membrana interna) pero el ribosoma bacteriano es 70S mientras que el eucariota es 80S. Los ribosomas e encuentran en forma de subunidades libres en el citoplasma y cuando se hallan en función de síntesis de proteínas se unen estas dos subunidades y se adosan al ARNm. Ambas subunidades están formadas por proteínas + ARNribosomal, pero sus características difieren según se trate de una célula eucariota o procariota. Célula procariota: son más pequeños. Cada ribosoma está formado por 2 subunidades: la mayor 50 S y la menor 30 S, siendo el ribosoma completo 70 S. Célula eucariota: son más grandes: la mayor 60 S, la menor 40S, siendo el ribosoma completo 80 S. En la célula eucariota: Existen dos tipos de ARNr: 5S y 45S. El 45S a su vez por escisión forma tres tipos finales: 28S, 18S y 5.8S La subunidad menor está constituida por 33 proteínas + RNAr de tipo 18S. Las proteínas se designan como S1, S2, hasta S33 (S por small). La subunidad mayor está constituida por 50 proteínas + RNAr de tipos 28S, 5.8S y 5 S. Las proteínas de la subunidad mayor se designan L1, L2 hasta L50 (L por large). Podemos decir que los componentes del ribosoma derivan de 85 genes 83 genes corresponden a las proteínas, uno al ARNr 45 S y otro para el ARNr 5 S. La diferencia entre célula eucariota y procariota es útil en Medicina porque se pueden emplear antibióticos que selectivamente afecten los ribosomas 185 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros bacterianos y no los humanos. Algunos antibióticos inhiben la síntesis proteica sólo en los ribosomas 70 S. S = es la unidad Svedberg y es un coeficiente de sedimentación que mide la velocidad a la que sedimenta una partícula, cuando es ultracentrifugada. La subunidad 60 S migra más rápidamente hacia el fondo del tubo por la fuerza centrífuga que la 40 S. Ya sabemos que el ribosoma completo es 80 S, pero los números no se adicionan debido a que los coeficientes de sedimentación no equivalen a los pesos moleculares El ARNr se sintetiza por transcripción en los organizadores nucleolares Todos los tipos de ARN se sintetizan por transcripción a partir de moléculas de ADN “codificantes”, es decir, las que “sirven”, se expresan, o sea los genes. Los genes que corresponden a los ARNribosomales se denominan organizadores nucleolares. Los organizadores nucleolares son segmentos de ADN que contienen los genes que codifican para los ARNr. Se denominan así, porque alrededor de ellos se organiza ubica- el nucléolo (y el nucléolo se ubica allí porque es el encargado de sintetizar las subunidades ribosomales, previa síntesis de los ARNr, por lo tanto necesita la información contenida en dichos genes). 186 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El organizador nucleolar se ubica: Durante la interfase como cromatina adherida al nucléolo, siendo una zona Feulgen positivo. Se destaca este hecho, ya que el nucléolo es en su mayor parte Feulgen negativo por la presencia del ARN. Durante la división celular o mitosis en las constricciones secundarias de algunos cromosomas. Las constricciones secundarias son zonas adelgazadas cercanas a los extremos de los cromosomas. Aparecen en los cromosomas de los pares 13, 14, 15, 21 y 22 (son los llamados cromosomas acrocéntricos) Síntesis de los ribosomas Los ribosomas son sintetizados en el nucléolo. Por lo tanto éste debe ser provisto de los dos materiales necesarios: ARNr y proteínas ribosomales. El ARNr viene por transcripción a partir de los organizadores nucleolares que como ya vimos se ubican cerca del nucléolo. Las proteínas deben llegar desde el citosol, donde son sintetizadas en ribosomas libres. Ingresan al núcleo a través de los poros de la membrana nuclear y con la ayuda de chaperonas (acá participan de la familia HSP 90). En el nucléolo se condensan estos dos materiales y se forman las subunidades por separado. Cuando están listas, salen del núcleo para permanecer en el citoplasma también separadas, esperando a ser requeridas. Las subunidades sólo se unen para formar el ribosoma completo cuando “son llamadas” a sintetizar una proteína, a partir de un ARNmensajero (proceso llamado Traducción). Entonces recordemos: La TRANSCRIPCIÓN es el pasaje de ADN a ARN (de cualquier tipo). Es un proceso nuclear. La TRADUCCIÓN es el pasaje de ARNm a proteína, a cargo de los ribosomas. Es un proceso citosólico. Estos dos procesos constituyen el dogma de la biología celular Dato: Todos los ARNr se sintetizan en el nucléolo, excepto el 5 S que se sintetiza en el Jugo Nuclear o Nucleoplasma. Entonces: Las proteínas se sintetizan en el citoplasma, de allí pasan al núcleo y en el nucléolo se ensamblan con el ARNr para constituir las subunidades. Se trasladan al citoplasma donde se mantienen separadas mientras estén inactivos, hasta el momento de comenzar la síntesis de proteínas cuando ambas subunidades se unen (en presencia de Mg++) para dar el ribosoma completo. 187 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Para iniciar la síntesis proteica el ARN mensajero se combina primero con la subunidad menor y luego unas proteínas llamadas factores de iniciación posibilitan la unión de este complejo con la subunidad mayor. El ARNm no es leído por un solo ribosoma, sino por varios al mismo tiempo, entonces cuando se unen muchos ribosomas forman los polirribosomas o polisomas, que son varios (10 a 50) ribosomas unidos a un mismo RNA mensajero. Cada ribosoma sintetiza una proteína y todos los ribosomas unidos al mismo ARNm sintetizan la misma proteína. Los ribosomas avanzan desde el extremo 5’ al extremo 3’ del ARNm. Polirribosoma Los ribosomas tienen un tamaño aproximado de 20 nm. Al M.O.: se los observa como zonas basófilas color azul o violeta en el citoplasma, constituyendo la zona denominada ergastoplasma y que incluye a los ribosomas libres + los adheridos al RER y a la membrana nuclear externa. El ergastoplasma también se llama sustancia basófila o cromidial y en las neuronas sustancia tigroide o de Nissl. También se detectan a través del test de Brachet. Al M.E.: se los observa como partículas electrodensas sin membrana. Además del citosol, también podemos encontrar ribosomas en: Mitocondrias Cloroplastos Ambos organoides son semiautónomos por la presencia de ADN, que les permite sintetizar de sus proteínas, entonces necesitan sus propios ribosomas. FUNCIÓN: sintetizar las proteínas traduciendo el mensaje contenido en el ARN mensajero 188 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Recordemos que las proteínas sintetizadas en los ribosomas libres tienen como destino: quedar en el citosol, ir la mitocondria, ir a los cloroplastos (en la célula vegetal), a los peroxisomas, o al núcleo. Por otro lado, si tienen una señal específica que lo indique, ésta proteína junto al ribosoma, deben ir hacia el RER para continuar allí la síntesis, y es el caso de proteínas de exportación, transmembranosas, y enzimas lisosomales. Repasamos: el tránsito de las proteínas desde el citosol hacia su destino requiere de un sistema de señales específicos para asegurar la llegada de cada proteína al lugar adecuado. Esas señales se encuentran en las mismas proteínas y están representadas por unos pocos aminoácidos que se denominan péptidos señal y señales de anclaje. Estos segmentos proteicos se encuentran en el extremo amino (lo más común) o en el carboxilo o en uno o más puntos intermedios. Las proteínas destinadas a quedarse en el citosol no necesitan ningún tipo de señal. Toda proteína al emerger del ribosoma debe ser asistida por distintos tipos de chaperonas. CHAPERONAS La secuencia de aminoácidos de una proteína contiene la información necesaria para la estructura tridimensional de la misma, pero la proteína debe plegarse en el momento oportuno y en la forma adecuada. Esto se logra mediante la intervención de proteínas llamadas chaperonas, nombre que significa "acompañantes". Las chaperonas sin ejercer acciones directas sobre las proteínas, previenen su plegamiento prematuro y aseguran que sea el correcto. Existen tres familias de chaperonas: hsp60, hsp70 y hsp90 (HSP = Heat Shock Protein). Dicho nombre se entiende porque las chaperonas se incrementan en las células sometidas a golpes de calor o a otros factores de estrés metabólico. Ambas situaciones desnaturalizan la mayoría de las proteínas y las chaperonas 189 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros aumentan para facilitar la renaturalización proteica. El número que acompaña a la sigla HSP corresponde al peso molecular de la primer chaperona descubierta en cada grupo. CUANDO LA PROTEÍNA ES DESTINADA AL CITOSOL, apenas emana del ribosoma, se le asocian varias chaperonas hsp70 para evitar el plegamiento prematuro o su combinación con moléculas inapropiadas. Las hsp70 son monoméricas y presentan un surco en el cual se ubica una parte de la proteína a la cual asisten. Luego de sintetizada toda la proteína, las hsp70 se desprenden y comienzan a actuar las hsp60. Las hsp60 son poliméricas y se hallan formadas por chaperoninas (polipéptidos idénticos entre sí), dispuestos en torno a un compartimento central. La proteína se acomoda en su interior para quedar aislada de los componentes citosólicos, lo que asegura su pegamiento correcto. Finalmente la proteína se libera de la chaperona y fija su residencia en el citosol. Ambas chaperonas consumen energía, que la provee el ATP. Luego de concluir sus funciones las chaperonas quedan libres y pueden volver a usarse. CUANDO LA PROTEÍNA ES DESTINADA AL NÚCLEO: antes de atravesar los poros de la envoltura nuclear las proteínas experimentan procesos semejantes a los descriptos para las proteínas citosólicas, además algunas se asocian a chaperonas de la familia hsp90. Las proteínas DESTINADAS A MITOCONDRIAS y PEROXISOMAS, mientras se sintetizan en los ribosomas y son trasladadas a dichos organoides permanecen parcialmente desplegadas por chaperonas hsp70. Las proteínas DESTINADAS AL RE, prácticamente no entran en contacto con el citosol y se pliegan luego de incorporarse al organoide. Recordemos que en éste último caso la proteína comenzó su síntesis en los ribosomas libres, pero el péptido señal reconocido por la PRS (al que se une por el NAC), indica que debe trasladarse al RE para terminar allí la síntesis. Entonces se trata de una proteína cuyo destino puede ser: 190 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Proteínas de exportación, Ej.: -Enzimas secretadas al duodeno por el páncreas. -Enzimas secretadas al estómago por las glándulas gástricas. -Todas las hormonas. Proteínas destinadas a las membranas intracelulares, Ej.: -Proteínas para las membranas del retículo endoplásmico. -Proteínas para las membranas del aparato de Gogli. -Proteínas para la membrana plasmática. Proteínas que se incorporan a los lisosomas, Ej.: -Las enzimas lisosomales. polirribosomas libres subunidades inactivas polirribosomas adheridos al RER 191 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros NÚCLEO Es el organoide celular que: Contiene la INFORMACIÓN GENÉTICA, es decir los factores hereditarios que dan los rasgos característicos al organismo. Está implicado en todas las funciones de la célula. Interviene en el control y regulación de las actividades celulares. Está presente “al menos en alguna etapa” de la vida de todas las células eucariotas (como sucede con el eritrocito). Puede tener distintas formas en las diferentes células: Esférica (como en células epiteliales cúbicas). Elíptica. Ovalada. Arriñonada. Multilobulada (en neutrófilos). En herradura. Cuboideo. Polimorfo. Aplanado (células epiteliales planas). En general acompaña la forma de la célula Por célula puede haber: Ninguno: célula anucleada. Ej.: eritrocito. Uno: célula mononucleada. Ej.: neurona. Dos: célula binucleada. Ej.: algunos hepatocitos, cel. cartilaginosas, fibroblastos. Muchos: célula multinucleada - Ej.: células del músculo estriado esquelético, leucocitos. Puede estar ubicado en la célula en forma: Basal central periférica excéntrica (como en adipocitos plasmocitos). o Todas estas características cambian con el tipo celular, pero se mantienen constantes dentro de un mismo tipo celular. Tamaño núcleo: 3 a 5 μm La proporción núcleo/citoplasma es 1/4 o 1/5. Esta relación puede modificarse en algunos tipos celulares y varía conforme a la célula. Ej.: linfocito y espermatozoide son células con escaso citoplasma, donde la relación cambia a ½. También es importante la ruptura de esta relación en las células cancerosas donde la relación se vuelve ½. 192 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Ejemplos de células con núcleos particulares: Plasmocito Tinción: el núcleo es muy basófilo debido al contenido en ácidos nucleicos, se tiñe con colorantes básicos como hematoxilina o azul de toluidina y se lo observa de color azul/violeta. EN EL COMPARTIMENTO NUCLEAR SE LOCALIZAN 46 cromosomas, cada uno formado por una sola molécula de ADN. Varías clases de ARN mensajeros, ribosómicos, de transferencia y pequeños. El nucléolo, donde se localizan los genes de los ARNr (“organizador nucleolar”) y los ARNr recién sintetizados formando ribosomas. Diversas proteínas: las que regulan la actividad de los genes, las que procesan los ARN, las que se combinan con los ARNr en el nucléolo, las enzimas ADN y ARN polimerasas. Todas estas proteínas han debido ingresar al núcleo por los poros, ya que siempre la síntesis proteica es citosólica, nunca se forman proteínas en el núcleo. Todos los elementos que nombramos se hallan dispersos en la matriz nuclear o nucleoplasma. Según el momento del ciclo celular en el que se encuentre la célula (interfase o división), vamos a encontrar diferentes morfologías nucleares, ya que el núcleo es parte de dichos procesos y sufre modificaciones. La interfase es el periodo de vida celular normal en el que la célula crece, sintetiza proteínas, etc. La célula si no está en mitosis, está en interfase. 193 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Sus Componentes durante la interfase son: 1. Cromatina (ADN + a histonas). 2. Nucleoplasma, jugo nuclear, carioplasma o cariolinfa. 3. Nucléolo. 4. Envoltura o membrana nuclear o carioteca. COMPOSICION QUÍMICA DEL NÚCLEO -Ácidos nucleicos (ADN y ARN). -Proteínas básicas (histonas y protaminas) y no histónicas. -Sales de Ca, Mg, Fe, Zn. ¡Repasamos ácidos nucleicos! Diferencias entre ADN y ARN: ADN ARN Localización Cadena Tipos Composición química de cada monómero (nucleótido) Origen Función 194 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros CROMATINA Se denomina así al material Feulgen (+) que se visualiza en interfase (en mitosis no se ve como cromatina sino que ésta se condensa -enrrolla- al punto de que se ve como “cromosomas”). Es una nucleoproteína, constituida por ADN más proteínas básicas llamadas HISTONAS y también no histónicas o acídicas. Éstas integran un grupo heterogéneo formado por distintas clases de proteínas que en su mayoría son reguladoras de la expresión genética. Las histonas poseen una alta proporción de lisinas y argininas, aminoácidos cargados positivamente, esto favorece la unión de las histonas con las moléculas de ADN, en las que predominan las cargas negativas. Durante el período de división celular, la cromatina se compacta enrollándose sobre sí misma formando los cromosomas (cromatina compactada). La cromatina es el material del que están compuestos los cromosomas. La totalidad de la información genética depositada en las moléculas de ADN se denomina GENOMA conjunto de todos los genes de un célula. Esta información rige la actividad de todo el organismo desde el primer instante del desarrollo embrionario hasta la muerte, también de esta información depende la inmunidad o la predisposición del organismo a determinadas enfermedades. Los ADN de los 46 cromosomas contienen en conjunto unos 6 x 109 pares de nucleótidos. En promedio una molécula de ADN de un cromosoma humano completamente extendida mediría 4 cm de largo lógicamente 46 moléculas de tamaña longitud no podrían ser contenidas en el núcleo (no sólo por el espacio, también por los enredos). La célula ha resuelto el cromosomas sonde cromatina problema haciendo que la molécula de ADN se enrolleLos sobre sí misma forma superenrrollada. Esto sucede cuando muy organizada. la célula se va a dividir. El grado de enrollamiento varía según el momento del ciclo: o Es mínimo durante la interfase en esta etapa se observa la cromatina más o menos enrollada. o Es máximo cuando la célula se apresta a dividirse se observan los cromosomas, la forma máxima de enrollamiento de la cromatina. 195 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros ESTRUCTURA DE LA CROMATINA Existen cinco clases de histonas, llamadas: H1, H2A, H2B, H3 y H4. Las cuatro últimas se llaman histonas nucleosómicas porque la molécula de ADN se enrolla en torno de ellas para formar los nucleosomas, que constituyen las unidades básicas del enrollamiento cromatínico. En cada nucleosoma las histonas nucleosómicas se asocian y forman una estructura octamérica (que es el núcleo del nucleosoma) compuesta por 2 H2A, 2 H2B, 2 H3 y 2 H4. El octámero adopta la forma de un cilindro de 10nm de diámetro y se halla envuelto por un tramo de ADN que recorre su circunferencia casi dos veces, cada vuelta equivale a 81 pares de nucleótidos y en total el segmento de ADN asociado al nucleosoma es de 146 pares de nucleótidos Las dos vueltas del ADN se fijan al núcleo del nucleosoma gracias a la histona H1, y el complejo formado por el nucleosoma + la histona H1 se denomina cromatosoma. El segmento de ADN que se le asocia es de 166 pares de nucleótidos. 10 nm Cromatina, también llamada “fibra de 10 nm” En la cromatina existen dos proteínas accesorias ambas ácidas que asisten a las histonas para que se liguen entre sí, se llaman proteína N1 y nucleoplasmina. La primera asocia H3 con H4 y la segunda H2A con H2B. Son proteínas ligadoras. Los cromatosomas están separados entre sí por tramos de ADN llamados espaciadores, de longitud variable, que contienen entre 20 y 60 pares de nucleótidos. 196 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Esta alternancia entre cromatosomas y segmentos espaciadores le da a la cromatina el aspecto de un "collar de cuentas". A esta estructura también se la llama “fibra de 10 nm”. Comúnmente un gen tiene 10.000 pares de nucleótidos, entonces posee alrededor de 50 cromatosomas, separados por otros tantos ADN espaciadores. Para que la cromatina pueda ser contenida en el pequeño espacio que el núcleo le ofrece, debe experimentar nuevos y sucesivos grados de enrollamientos, cada vez mayores: La fibra de diez nanómetros se enrolla sobre un eje helicoidal (como el cable de un teléfono) y da lugar a una estructura llamada solenoide, de 30 nm de diámetro. Este enrollamiento depende de las histonas H1 que se unen entre sí. Cada vuelta del solenoide contiene a seis cromatosomas. 30nm. Solenoide. Fibra de 30nm. La cromatina se compacta todavía más la fibra de 30nm al volver a enrollarse forma lazos de variada longitud que nacen de un eje constituido por proteínas no histónicas. Los dos extremos de cada lazo se sujetan a ese eje por secuencias de ADN llamados SAR (Scaffold Associated Regions). Se considera que cada lazo constituiría una unidad de replicación del ADN y probablemente una unidad de transcripción, o sea un gen. Finalmente esta estructura de “lazos de cromatina” se sigue enrollando sobre sí misma para formar el cromosoma. Las histonas aumentan el plegamiento y condensación del ADN, por lo cual se cree que las histonas reprimen la actividad génica del ADN, ya que dicha asociación le quita la capacidad de actuar como molde para la síntesis de ARNm. Para que el ADN pueda expresarse (ser leído y copiado en ARNm), debe estar desenrrollado. La cromatina durante la interfase, adopta distintos grados de enrollamiento, que están en relación directa con la actividad transcripcional del ADN. 197 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El enrollamiento es mínimo durante la interfase porque la síntesis de ARN es alta. La cromatina menos compactada es la que posee el ADN transcripcionalmente activo, es decir el ADN que sintetiza moléculas de ARN. Los sectores de ADN “chatarra”, que no expresan genes, se encuentran más enrollados, lo que habla de poca o nula actividad transcripcional. M.O: Coloracion: se colorea intensamente con colorantes básicos como hematoxilina, azul de toludina o azul de metileno y la vemos color azul-violeta. Microscopio Electrónico: se la observa como un “collar de cuentas”, donde cada “cuenta” es un CROMATOSOMA. ¡COMPLETAR! Grados de enrollamiento de la cromatina poner el nombre correspondiente: Según el grado de enrollamiento en cada caso, la cromatina puede encontrarse en las células como: Cromatina Laxa o Eucromatina desenrollada. Cromatina Densa o Heterocromatina: o o Constitutiva siempre enrollada. Facultativa enrollada, pero con la facultad de desenrollarse y formar eucromatina. 198 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Cromatina Laxa o Eucromatina Representa a la porción menos compactada de la cromatina. En ella el ADN está estirado para facilitar la transcripción de ARN mensajero, esto facilita la expresión de la información genética. ¡Este ADN abarca sólo alrededor del 10% del genoma! A la eucromatina se la puede encontrar en células con activa síntesis de proteínas. Contiene ADN de secuencia única, de repetición moderada, o repetido intercalado con ADN de secuencia única. Dato: existen tipos de ADN según las secuencias de nucleótidos que presentan. El 75% del ADN se halla representado por secuencias de nucleótidos no repetidas (copias únicas) o que se repiten pocas veces. En esta parte se localizan los sectores funcionales del ADN, es decir los genes (que abarcan alrededor del 10% del ADN). El 25% del ADN restante corresponde a secuencias de nucleótidos que se repiten muchas veces. Las funciones del ADN repetitivo se desconocen, pero no se descarta que desempeñen algún papel en el mantenimiento de la estructura de los cromosomas. Cromatina densa o Heterocromatina Representa a la porción condensada de la cromatina que se observa en los núcleos durante la interfase, profase y telofase. En ella el ADN está plegado, arrollado o fruncido, no permitiendo la transcripción a ARNm, se duplica más tardíamente y decimos que es ‘genéticamente inactiva’, desde el punto de vista transcripcional. A esta categoría pertenece toda la heterocromatina y también el sector de la eucromatina donde el enrollamiento se halla en un grado intermedio entre la eucromatina transcripcionalmente activa y la heterocromatina. Se la encuentra en células con escasa síntesis de proteínas. A su vez, ésta puede ser: Heterocromatina Constitutiva: se denomina así a la cromatina altamente condensada, formada por una variedad de ADN constituido por secuencias de nucleótidos muy repetidas o redundantes. Se halla de manera constante en todos los tipos celulares, como un componente estable del genoma y no es convertible en eucromatina. No tiene actividad génica: esta variedad de cromatina representa regiones con información genética que la célula no necesita transcribir. A esta categoría pertenece la mayor parte de la cromatina que forma: Los brazos cortos de los cromosomas acrocéntricos (a excepción de la cromatina correspondiente a la constricción secundaria donde se localizan los genes del ARN ribosómico 45 S) Los centrómeros (heterocromatina centromérica) La del brazo largo del cromosoma Y 199 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Dato: el centrómero está constituido por heterocromatina constitutiva, pero se ha comprobado que entre el ADN repetitivo están los genes que codifican las proteínas del cinetocoro. Se cree que la función de esta cromatina es conservar el orden estructural del núcleo y proteger a las regiones genéticamente activas. Durante la interfase, se distribuye: a) Formando gránulos que se llaman cariosomas. b) Alrededor del nucléolo. c) En la cara interna de la membrana nuclear (heterocromatina periférica), junto a los laminofilamentos (Filamentos Intermedios de laminina). Heterocromatina Facultativa: es la que se detecta en localizaciones que varían en los distintos tipos celulares y en las sucesivas etapas de diferenciación de una célula dada, de modo que sectores que aparecen como heterocromatina en un tipo celular o en una etapa de su diferenciación, en otros tipos celulares o en otras etapas se presentan como eucromatina. Un ejemplo de este tipo de cromatina es la llamada “cromatina sexual” o “corpúsculo de Barr”. Para entender el ejemplo, debemos repasar: En el organismo humano, encontramos dos tipos de células: 1) Somáticas o diploides o 2n: formadas por 46 cromosomas distribuidos en 23 pares. -En el varón tenemos: 44 cromosomas somáticos + el par sexual XY. -En la mujer tenemos 44 cromosomas somáticos + el par sexual XX. Son todas las células del cuerpo, salvo las gametas. 2) Sexuales o haploides o n: formadas por 23 cromosomas simples (no hay pares). Son las gametas: -En el varón es el espermatozoide con 22 cromosomas somáticos y el cromosoma sexual que puede ser X o Y. -En la mujer es el óvulo con 22 cromosomas somáticos y el cromosoma sexual X. CROMATINA SEXUAL o CUERPO DE BARR Representa un cromosoma sexual X de las hembras de los mamíferos que se inactiva genéticamente por un proceso de compactación o enrollamiento heterocromatinización. Al comienzo de la vida embrionaria ambos cromosomas sexuales X de las células somáticas se encuentran desenrollados. A la semana de la fecundación uno de ellos se compacta en las células trofoblásticas, es decir la futura placenta. Dos semanas después lo hace en las restantes células embrionarias. En embriones 200 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros humanos femeninos el corpúsculo de Barr se puede ver desde los 16 días de gestación. El cromosoma X compactado permanece así en todas las células femeninas somáticas (no en las germinativas) hasta la muerte. Como varía con el tipo celular, en algunas células aparece heterocromatina facultativa y en otros aparece como eucromatina como ¡IMPORTANTE! -Este corpúsculo fue descripto por Barr y Bertrand en 1947 en núcleos interfásicos de mamíferos hembras, destacando que no se hallaban en los machos. -Primero se lo observó en neuronas de gatos, pero en 1953 Barr demostró su existencia en células de ganglios linfáticos humanos. -También hoy se sabe que la inactivación del cromosoma X no es total y que sólo una parte del mismo se condensa para formar el corpúsculo. A diferencia de la heterocromatina constitutiva que permanece condensada en todos los tipos de células, esta heterocromatina facultativa sólo se condensa en las células somáticas, pero no en las germinales Tiene diferente disposición según el tipo de células y se lo puede observar adherido a la envoltura nuclear con aspecto de "tienda de campaña" o como bastoncito en forma de "palillo de tambor" El número de corpúsculos de Barr por núcleo corresponde al número de cromosomas X (del par sexual) menos 1. Hembra XX, por lo tanto 2X - 1 = 1 corpúsculo de Barr Macho XY, por lo tanto 1X - 1 = 0 corpúsculo de Barr Dibujamos: Mujer normal Varón normal Situación anormal Datos finales: El cromosoma X heterocromático es genéticamente inactivo. Se cree que este cromosoma se heterocromatiniza para salvar la diferencia de información genética que tiene la mujer respecto al varón por tener éste último uno de sus cromosomas sexuales “incompleto” (el Y). 201 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El estudio de la cromatina sexual tiene gran importancia médica, ya que permite relacionar anomalías cromosómicas y anormalidades congénitas. Se estudia preferentemente en células epiteliales de mucosa bucal y vaginal y en leucocitos neutrófilos. NUCLEOPLASMA O JUGO NUCLEAR O CARIOPLASMA O CARIOLINFA Es la fracción soluble, una masa clara e incolora que contiene material amorfo de consistencia viscosa. Químicamente es un sistema coloidal con agua como fase dispersante donde se hallan los demás componentes nucleares. Sus componentes son: agua, sales, proteínas, fosfatos y enzimas, entre ellas todas las involucradas en la transcripción. Ocupa los espacios que quedan entre los nucléolos y la cromatina “Es el sitio donde se llevan a cabo las principales reacciones enzimáticas del núcleo: duplicación del ADN, transcripción de los tres tipos de ARN y su correspondiente procesamiento” NUCLÉOLO Es un corpúsculo denso, generalmente esférico y de márgenes irregulares. No está circunscripto por una membrana, se lo visualiza fácilmente al MO, es fuertemente basófilo por su contenido en ARN. También está constituido por proteínas básicas, polinucleótidos, enzimas y fosfoproteínas. Generalmente se ubica en la parte central del núcleo, presenta entre 0,5 a 2 micras de diámetro. Presentan tamaño variado y por núcleo puede haber uno o más FUNCIÓN: El nucléolo es el sitio donde se sintetizan las subunidades de los ribosomas, por lo tanto en células que sintetizan muchas proteínas los núcleos son grandes y presentan uno o varios nucléolos prominentes. En general, no contiene ADN por lo tanto es Feulgen (-). Sin embargo se observa una porción de cromatina adherida al nucléolo y se llama cromatina asociada al nucléolo que es Feulgen (+). Esta cromatina asociada corresponde a las porciones de ADN llamadas organizadores nucleolares, ya que alrededor de ellas se organiza el nucléolo por contener los genes con información para la síntesis de los ARNr. 202 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Son zonas que durante la división celular -cuando se forman los cromosomas- se observan en las constricciones secundarias de los cromosomas 13, 14, 15, 21 y 22 (los acrocéntricos). Al MO: son homogéneos o con vacuolas. Se los puede observar adheridos a la membrana nuclear. Son digeridos por la enzima ribonucleasa debido al contenido en ARN. Al ME: se distinguen dos sectores: 1-) Una región fibrilar o filamentosa (central): contiene un filamento cromatínico de ADN donde se encuentran los genes que codifican para ARN ribosomal. Es el organizador nucleolar. También se lo puede llamar AgNOR porque se tiñe con plata (NOR = región de organizador nucleolar) Aquí se transcribe el ARNr 45S y se producen los primeros pasos de su procesamiento, que implica cortarlo para dar sus tres derivados: el 5,8S; el 18S y el 28S. El ARNr 5S en cambio se sintetiza en el nucleoplasma o jugo nuclear. 2-) Una región granular (periférica): allí se forman las subunidades de los ribosomas por unión del ARNr + proteínas ribosomales que llegan desde el citoplasma. Aquí encontramos las subunidades de los ribosomas en distintos estadíos de procesamiento. Esta región y por ende el nucléolo no se hallan envueltos por membrana. Podemos decir entonces, integrando conceptos: Una célula con intensa actividad de síntesis proteica presentará un núcleo con abundante eucromatina, uno o varios nucléolos voluminosos y un citoplasma muy basófilo por la presencia de ribosomas (gran ergastoplasma). También poseerá muchas mitocondrias ya que la síntesis proteica requiere gran gasto energético. El nucléolo se encuentra en cantidad y tamaño variable dependiendo de la intensidad de síntesis de proteínas de la célula. Desaparece durante la mitosis. Ej: plasmocitos, neuronas y células cancerosas son células con nucléolos muy evidentes. 203 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros ENVOLTURA NUCLEAR Es una diferenciación del sistema de endomembranas y está comunicada con el RE Distinguimos en ella: Membrana externa se continúan a nivel de los poros. Membrana interna Cisterna perinuclear, que es el espacio que queda entre ambas. Complejo del poro, formado por varias proteínas o “subunidades”. Membrana externa Presenta ribosomas en la superficie que mira hacia el citoplasma y está conectada con el RE. Las proteínas sintetizadas en estos ribosomas se incorporan a las membranas de la envoltura nuclear o se vuelcan al espacio perinuclear. Membrana interna Contacta con la cromatina (heterocromatina periférica) y también está revestida hacia el interior por una lámina proteica fibrosa o “lámina nuclear” de 10 a 20 nm de espesor. Repasamos: Lámina nuclear es una delgada malla de laminofilamentos entrecruzados, que se interrumpe sólo a la altura de los poros. Son Filamentos Intermedios, componentes del citoesqueleto. 204 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Le otorga resistencia a la carioteca y establece su forma, generalmente esférica. Ambas estructuras se desarman al comienzo de la mitosis y reaparecen cuando ésta concluye al formarse los nuevos núcleos en las células hijas. Recordemos que la envoltura nuclear se halla reforzada por dos armazones de filamentos intermedios, que se encuentran: uno adosado a su superficie interna -la lámina nuclear- y otro situado sobre la cara citosólica de la membrana externa. Al MO: los ribosomas y la heterocromatina son basófilos por eso membrana nuclear aparece como una fina línea de color azul. Es una “técnica de tinción indirecta”. Cisterna perinuclear Es el espacio que queda entre la membrana externa y la interna de aproximadamente 15nm. Entre las cisternas y uniéndolas encontramos el… Complejo del poro envoltura nuclear se halla interrumpida por poros en ciertos sectores, donde las dos membranas nucleares se ponen en contacto. Cada envoltura nuclear presenta entre 3000 a 4000 poros. La Lámina nuclear Al ME comprobó que: Cada poro está rodeado por un anillo o “estructuras anulares”, que son un conjunto de proteínas que rodean a cada poro. Estas proteínas se llaman en conjunto nucleoporinas, y las agrupamos en 4 TIPOS: 1) Pared cilíndrica integrada por 8 columnas proteicas (o subunidad columnar), alrededor de las cuales la membrana externa de la carioteca se continúa con la membrana interna. En el lado externo los extremos de las columnas proteicas componen un anillo, que constituye la boca externa del poro nuclear, algo similar ocurre del lado de la membrana interna. 2) Proteínas de anclaje (o subunidad luminar): amarran las columnas a la envoltura nuclear. Cada proteína de se adhiere a una de las columnas, atraviesa la membrana de la envoltura y su extremo opuesto sobresale en el espacio perinuclear. 3) Una serie de proteínas radiales (o subunidad anular) que nacen en las columnas y se proyectan hacia el centro del poro. Dado que se acortan y se alargan, permiten que el complejo del poro se comporte como un diafragma. 205 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El complejo del poro mide alrededor de 100 nm de diámetro y 30 nm de espesor, pero las proteínas radiales reducen su luz y lo convierten en un orificio con un diámetro que fluctúa entre 9 y 25 nm. 4) Fibrillas proteicas que nacen de los anillos externo e interno y se proyectan hacia el citosol y núcleo respectivamente. A lo largo de las fibrillas se alinean proteínas implicadas en el pasaje de moléculas a través del poro. NSL Proteína Importina A través del poro pasan iones y moléculas pequeñas y grandes en ambas direcciones. Las macromoléculas como las proteínas para pasar deben provocar la dilatación del poro, lo cual consume energía, en cambio los iones y moléculas pequeñas se transfieren en forma pasiva. Para las proteínas nucleares sintetizadas en los ribosomas libres, debemos saber que: La entrada de proteínas al núcleo sólo es posible para las que contengan un péptido señal llamado NSL (señal de localización del núcleo) que debe ser reconocido por una proteína denominada importina ubicada en el citosol. La importina es un alfa-beta heterodímero cuyas dos subunidades actúan secuencialmente: La alfa-importina se liga al péptido señal y la beta-importina se une a la subunidad alfa y forja la translocación de la proteína por el poro. En este transporte activo se gasta un GTP. Ambas importinas ingresan en el nucleoplasma junto con la proteína, pero se independizan luego de la translocación y regresan al citosol separadamente. 206 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Algunos datos más: La responsable de la apertura del diafragma seria la B-importina. En el proceso de translocación la importina es guiada por las nucleoporinas de las fibrillas proteicas. A diferencia de las proteínas destinadas a las mitocondrias y a los peroxisomas, éstas se pliegan en el citosol apenas abandonan los ribosomas. En algunos fenómenos relacionados a las proteínas nucleares participan las chaperonas HSP90 Las proteínas que salen del núcleo también dependen de señales específicas para atravesar los poros y regresar al citosol. Sus péptidos se llaman NES (señal para la exportación del núcleo) y participan exportinas. Además, en algunos transportes participan transportinas. FUNCIÓN: el complejo del poro permite el intercambio de sustancias, entre el núcleo y el citoplasma: Desde el núcleo al citoplasma pasan las subunidades ribosomales y los ARN transcriptos y ya procesados. Desde el citoplasma al núcleo pasan: 1- Proteínas reguladoras de la expresión de los genes. 2- Proteínas enzimáticas, para la síntesis y reparación del ADN y síntesis de ARN. 3- Proteínas estructurales, para la formación de nucleosomas (ej histonas), ribosomas, etc. 4-Nucleótidos fosforados: ATP, GTP, CTP, UTP quienes aportan energía para los procesos de síntesis en el núcleo. Estos pasajes son selectivos Ej: No permite la entrada de ribosomas hacia el núcleo, pero sí la salida de las subunidades ribosomales sintetizadas en el nucléolo. Esto es porque no deben sintetizarse nunca proteínas dentro del núcleo: es una reacción enzimática muy compleja que podría dañar los frágiles componentes nucleares. La envoltura nuclear está presente en la interfase, pero desaparece durante la prometafase, que es una de las etapas de la mitosis. 207 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros SÍNTESIS DE PROTEÍNAS Las proteínas poseen muchísimas y muy variadas funciones en las células: dirigen y regulan su metabolismo, determinan la estructura y función de las mismas. La síntesis de proteínas es por tanto un proceso muy importante y complejo, que se lleva a cabo en varias etapas que comienzan en el núcleo y luego se siguen en el citoplasma. Recordemos el dogma de la biología celular que dice que el ADN es el depositario de toda la información necesaria para tal proceso, el cual por transcripción es copiado en ciertos sectores -llamados genes- en una molécula de ARNm. No todo el ADN es genéticamente activo: algunos sectores se transcriben y otros no. Los que se transcriben son los GENES. Luego el ARNm ya copiado en el núcleo sigue un procesamiento en el que se le hacen pequeños cambios para madurarlo, también en el núcleo. Finalmente el ARNm maduro sale del núcleo y se dirige al citoplasma donde los ribosomas se le unen y “lo leen” para sintetizar finalmente la proteína en un proceso llamado traducción. Este es el “dogma de la biología celular” Entonces un GEN es un segmento de ADN que posee una secuencia lineal de bases nitrogenadas (nucleótidos) que funcionan como un código de barras que tiene información para copiarse en un ARN, y por lo tanto para formar una proteína específica. Los genes son las unidades básicas de la herencia. Se ubican en un lugar específico del cromosoma que se denomina “locus”. Para designar varios lugares se usa la palabra “loci” (es el plural de locus). Las proteínas cumplen las funciones codificadas en los genes. Esta información debe “expresarse” y para ello ocurre la síntesis de proteínas. Una célula posee los recursos necesarios para sintetizar unas 10.000 proteínas distintas La información está codificada en un alfabeto de cuatro letras: A T C G 208 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Veamos más de cerca lo que sucede: Como sabemos el ADN está formado por 2 cadenas, cada una integrada por una secuencia lineal de nucleótidos. La parte más importante del nucleótido, y la que los diferencia entre sí, es la base nitrogenada. Entonces cada cadena del ADN posee una secuencia lineal de bases nitrogenadas, cuya combinación es totalmente azarosa. Cada tres bases nitrogenadas tenemos un “Triplete”. Durante la transcripción, se copia una de las cadenas del ADN, y se sintetiza una molécula de ARN que posee bases complementarias a la del ADN (pero frente a una A, se copia una U, no una T). Entonces cada triplete se copia como un “Codón” (conjunto de tres bases del ARNm). Finalmente el ribosoma cuando lee el ARNm por cada codón que lee, agrega UN aminoácido a la proteína en crecimiento cada codón codifica para un aa distinto. A pesar de que existen muchísimas proteínas, todas están formadas por la combinación de 20 aminoácidos; lo que las hace diferentes es el tipo y la secuencia de aa que presentan, lo que se conoce como estructura primaria. Podemos decir entonces que esta secuencia de aa que define a la proteína, está codificada en la secuencia de codones del ARNm, que en definitiva está codificada en la secuencia de tripletes del ADN. Por eso el ADN es el “cerebro” y depositario de toda la información de la célula. CÓDIGO GENÉTICO El código genético representa al conjunto de códigos de tres bases adyacentes del ARNm que informan para cada aminoácido. Este código es el “diccionario” que necesita el ribosoma para traducir el mensaje de codones a aminoácidos. 209 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El código genético es: Universal: porque todos los seres vivos sintetizan proteínas siguiendo el mismo código: un codón especifica para un misma aa en una bacteria, un vegetal, o el hombre. Colineal: porque implica la relación entre dos secuencias lineales que se correponden: la de codones y la de aa. Degenerado: porque la 3er base de cada codón “se degenera”. Esto significa que en muchos casos no importa mucho cuál es la tercer base de cada codón ya que termina codificando para el mismo aa. Ej: Si tenemos en cuenta algunos ejemplos de codones y su correspondiente aminoácido: UUU= fenilalanina UUC= fenilalanina UUA= leucina UUG= leucina UCU= serina UCC= serina UCA= serina UCG= serina Phe: fenilalanina; Leu: leucina; Ser: serina; Tyr: tirosina; Cys: cisteína; Trp: triptófano; Pro: prolina; His: histidina; Gin: glutamina; Arg: arginina; Ile: Isoleucina; Met: metionina; Thr: treonina; Asn: asparragina; Lys: lisina, Val: valina; Ala: alanina; Asp: acido aspártico; Glu: acido glutámico; Gly: glicina. Vemos que hay más de un codón para el mismo aminoácido, es decir que algunos codones se comportan como sinónimos. Generalmente los codones que representan a un mismo aminoácido se parecen entre sí y es frecuente que sólo difieran en el tercer nucleótido. La baja especificidad de este nucleótido ha llevado a decir que existe una “degeneración” en la tercera base de la mayoría de los codones. 210 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Los nucleótidos del ADN pueden tener cuatro bases, lo cual se conoce como un alfabeto de cuatro letras, con el cual se escriben palabras de tres letras llamadas tripletes. Si hacemos 43 tenemos la posibilidad de formar 64 palabras distintas, que serían los 64 codones. Pero sólo hay 20 aminoácidos, por lo tanto hay más codones que aminoácidos. ¡Respecto a los codones! Del total de 64 codones: El ordenamiento de los aa en la proteína es un reflejo de la secuencia de tripletes del ADN. Al cambiar el orden de los nucleótidos del ADN, cambiará el ordenamientos de los aa en la proteína, entonces decimos que ADN y proteína son colineales. 61 codones codifican para los 20 aa posibles de las proteínas. Uno de ellos “AUG” además de codificar para un aa (metionina) es el famoso “codón de iniciación” es el que le dice al ribosoma que allí comienza la secuencia que debe leer. Entonces toda proteína comenzaría con el aa metionina, pero esto no es así porque luego este aa es liberado por hidrólisis. El codón AUG en cualquier otra posición simplemente codifica para metionina. 3 codones no codifican para ningún aminoácido. Son los llamados “codones de terminación” nos indican que finaliza la cadena proteica, son: UAA, UAG y UGA. Cuando el ribosoma se encuentra con alguno de estos 3 codones, se desprende del ARNm y la proteína queda liberada, finalizando la traducción. Ejemplo de ejercicio: Cadena del ADN: 5’ ATG TTC GTA CCG TAT AGT TGA 3’ 3’ TAC AAG CAT GGC ATA TCA ACT 5’ Cadena del ARNm: 5’ AUG UUC GUA CCG UAU AGU UGA 3’ Con los datos del código genético nos queda la siguiente secuencia de aa: NH2- (Met)- Phe - Val- Pro - Tyr - Ser -COOH Atención: fijémonos que podemos ir agregando algunos datos: Sólo una de las cadenas del ADN se copia (en este caso la que está en negrita). La otra no se lee. La que no se lee es la que termina siendo idéntica a la secuencia del ARNm resultante (cambiando las T por U), por lo tanto es la cadena llamada “sense” o “con sentido”. La cadena que es leída es la “no sense” o “sin sentido”. 211 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Siempre la cadena del ADN que se expresa, se lee en sentido 3’ a 5’, y la cadena de ARNm naciente, se sintetiza en sentido 5’ a 3’. La transcripción es llevada a cabo por una enzima llamada ARN polimerasa, y como toda “polimerasa” sólo sabe leer en sentido 3’5’ y por lo tanto sintetizar en sentido 5’3’. El ribosoma luego para producir la proteína lee la cadena del ARNm de 5’ a 3’ y la proteína naciente comienza desde el extremo amino (-NH2) hacia el extremo carboxilo (-COOH). ETAPAS DE LA SÍNTESIS La síntesis de proteínas ocurre principalmente en la fase G1 del ciclo celular, requiere de un mediador entre el ADN y las proteínas que es el ARNm. Este proceso se realiza mediante: *Este proceso ocurre en un único sentido, excepto en los retrovirus (Ej: VIH) en los que se da el proceso contrario de ARN a ADN, catalizado por la enzima transcriptasa inversa o reversa. La transcripción utiliza como enzima a la ARN polimerasa. La traducción posee como enzimas a un conjunto de proteínas llamadas “factores de iniciación, elongación y terminación” según veremos más adelante. Son en definitiva las proteínas que están formando parte de los ribosomas. Además se esquematiza arriba el proceso de la Replicación que es la capacidad que tiene el ADN de copiarse a sí mismo cuando debe duplicarse para entrar en mitosis la célula. En este proceso interviene la ADN polimerasa y lo veremos en su momento. TRANSCRIPCIÓN Es la síntesis de ARN en sentido de 5’ a 3’ a partir de segmentos específicos (genes) de una de las cadenas del ADN (la “no sense”) que es leída de 3´a 5´. Atención!! Convencionalmente la cadena 5’ a 3’, no sólo es usada para señalar la dirección de la síntesis del ARN sino también para definir la secuencia del gen. O sea que sobre la cadena que se lee, hablamos de “extremos 5’ y 3’” mirando en realidad la dirección que tiene el ARN naciente, no la verdadera dirección que tiene esa cadena molde (que es al revés). 212 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Existen tres tipos principales de ARN que participan en la síntesis proteica y todos se forman por transcripción. Una vez transcriptos se unen a proteínas y nos forman las ribonucleoproteínas. Son: ARNm: es el que copia los tripletes de un gen, sale del núcleo y lleva la información cedida por el ADN en forma de bases complementarias a las de los tripletes -ahora llamados codones- y que informan para los aa. ARNr: junto a las proteínas ribosomales forma la estructura de los ribosomas. ARNt: transporta los aa desde el citoplasma a los polirribosomas donde se está formando la proteína. Tiene forma de trébol, en una asa transporta el aa y en otra asa el “anticodón”. Además de estos tres tipos de ARN, existen otros tres de tamaño pequeño: ARN pequeños nucleares (ARNpn) que forman el “spliceosoma” (ver procesamiento del ARNm más adelante). ARN pequeños citosólicos (ARNpc) que pertenecen a la PRS (partícula de reconocimiento de la señal). ARN de la telomerasa: complejo ribonucleoproteico que reside en el núcleo. La transcripción ocurre en el núcleo celular y no ocurre sobre todo el ADN sino sobre determinados segmentos que llevan la información útil = los genes. Para que esto suceda se requiere de: 1) Enzimas: se llaman ARN polimerasas: catalizan las uniones fosfodiéster entre dos nucleótidos. I = actúa en la transcripción de ARNr 45 S II = actúa para la transcripción del ARNm y la mayoría de los ARNpn III = actúa para la transcripción de los ARNt, ARNr 5S, ARNpc y algunos ARNpn 2) Nucleótidos: se necesitan ATP, GTP, CTP y UTP, que funcionan como materia prima para elaborar la cadena naciente de ARN, y a su vez como fuente de energía para el proceso. 3) Iones: como el Mg+2, participa de la actividad enzimática (cofactor). 4) Cadena del ADN: proporciona una de sus cadenas que sirve de molde para que la ARN polimerasa copie y forme el ARN con las bases nitrogenadas complementarias. Recordemos: la cadena que sirve de molde y es leída es llamada no sense. La otra cadena que es complementaria y cuya secuencia es idéntica al ARN formado, es la sense. 213 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El gen posee varias partes funcionales: El codificador: contiene la información para la secuencia de aminoácidos de la proteína, es la parte del ADN que la ARNpolimerasa lee. El promotor: es el sitio donde entra la ARN polimerasa, señala el lugar exacto donde debe comenzar la transcripción. Suele localizarse cerca del extremo 5’ del segmento codificador. Secuencias reguladoras: determinan cuándo debe transcribirse el gen y cuántas veces debe hacerlo. Estos segmentos se localizan lejos del codificador. Existen dos tipos: Amplificadores e Inhibidores. Secuencia de terminación: en las cercanías del extremo 3’ del codificador existe un tramo de ADN que actúa como tal. No debe confundirse con el codón de terminación del ARNm (este último es el que termina la traducción para el ribosoma, no la transcripción). PROCESO La ARN polimerasa se une al ADN en el sitio llamado promotor, que es una secuencia determinada de bases del ADN que determina la fijación de la enzima y que indica en qué nucleótido debe empezar la transcripción. Normalmente tiene las secuencias llamadas caja “TATA” y caja “CAAT” porque suelen aparecer esas bases. La caja TATA se localiza unos 25 nucleótidos corriente arriba o “upstream” del primer nucleótido del codificador, la caja CAAT en el mismo lado pero un poco más lejos, a unos 75 nucleótidos upstream. “Upstream” o “corriente arriba” significa hacia el extremo 5’ del gen. La secuencia de nucleótidos más común que se encuentra en la caja TATA es la TATAAA. 214 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La ARN polimerasa reconoce al promotor y se une a él. Para que la ARN polimerasa pueda desplazarse sobre el gen codificante y leerlo, las cadenas de ADN deben separarse (se rompen los enlaces Ptes H que unían a sus bases complementarias). No es necesaria la separación de las cadenas del ADN en toda su extensión, sólo separa un tramo de alrededor de 10 pares de nucleótidos, lo cual forma en el ADN una “burbuja” de transcripción, que se desplaza a medida que se leen sus nucleótidos. La ARN polimerasa sólo lee una de las cadenas de 3’ 5’, así construye la molécula de ARN en sentido 5’ 3’. Sobre el segmento codificador, la ARN polimerasa reconoce la base nitrogenada del ADN y el ribonucleótido trifosfato complementario presente en el medio, así se va deslizando leyendo sus bases y formando la cadena de ARN con las bases complementarias en dirección 5’ a 3’ mediante enlaces fosfodiéster. Así los ARN contienen información idéntica a la de su molde. Cuando el ARN alcanza una longitud considerable comienza a despegarse de la cadena molde de ADN a partir del extremo 5’ del ARN. Decimos “despegarse” porque cuando se forma la burbuja y queda expuesto el primer desoxirribonucleótido que va a ser leído, frente a éste se acomoda un ribonucleósido trifosfato complementario, que sería el primer nucleótido de la molécula de ARN y su base establece una unión no covalente con la base del desoxirribonucleótido. Al soltarse el ARN las bases del ADN quedan re-expuestas y vuelven a unirse con su complementaria a través de uniones puente de hidrogeno. ¡Durante la fase de alargamiento la ARN polimerasa agrega a la molécula de ARN unos 50 nucleótidos por segundo! La transcripción termina cuando la ARN polimerasa detecta una determinada secuencia de nucleótidos en el extremo 3’ del gen (la secuencia de terminación). Esta secuencia no ha podido ser identificada, pero en un sector previo a ella es común la presencia de la secuencia AATAAA. La molécula de ARN sintetizada es complementaria y antiparalela a la cadena no sense del ADN y se corresponde tanto en polaridad como en la secuencia de nucleótidos con la cadena no transcripta (sense) del ADN (sustituyendo T por U). La mayoría de los genes que codifican ARNm están representados por copias únicas (o dos por la condición diploide), una de las excepciones corresponde a los genes que codifican a las cinco histonas se encuentran en el cromosoma alineados uno tras otro, separados por ADN espaciadores. De este juego de cinco genes, existen entre 20 y 50 copias dispuestas en tándem. 215 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros A la MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA Un gen que se transcribe a un ritmo acelerado se asocia simultáneamente con varias ARN polimerasas II. Puede ser visto con muchas cadenas de ARNm que surgen perpendicularmente de su molécula. El conjunto se asemeja a un “árbol de navidad”, cuyo tronco corresponde al gen y las ramas a los ARNm. Las ramas, que son más largas a medida que se alejan de la punta del árbol, nos indican la dirección de la transcripción. En el punto en que cada rama se une al tronco se localiza una ARN polimerasa II. Esta imagen la brinda la microscopia electrónica y si pudiera filmarse se vería a las burbujas desplazándose desde la punta del árbol hacia el “suelo”, cada una con su ARNm que se desprende del tronco cuando alcanza su máxima longitud. 216 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros PROCESAMIENTO DEL ARN Generalmente el ARN recién sintetizado (llamado “transcripto primario”) es más largo que el ARN que necesita leer el ribosoma (llamado “ARN maduro”), por lo que el primero debe pasar por un procesamiento en el cual esencialmente se le remueve algunas de sus secuencias nucleotídicas, para formar el ARN maduro funcional, que saldrá del núcleo hacia el citoplasma para ser traducido. Esto sucede en el nucleoplasma o jugo nuclear -luego de la transcripción- con todos los tipos de ARN. Los segmentos que deben ser eliminados se denominan “intrones”, mientras que los segmentos que se conservan se denominan “exones”. Este procesamiento tiene algunas diferencias según el tipo de ARN que se trate, veamos para cada caso: ARN MENSAJERO Es el encargado de copiar la secuencia de bases nitrogenadas del ADN de la cadena molde (no sense). El conjunto de transcriptos primarios de los ARNm se conoce como “ARN heterogéneo nuclear” (ARNhn). En el ADN, un gen está formado por: Zonas no codificantes o no informativas llamadas INTRONES Zonas que poseen información para la síntesis proteica y se las llama EXONES Todo el gen es transcripto, por lo que el ARN transcripto primario posee tanto los exones como los intrones. Los intrones deben ser removidos ya que el ARN maduro sólo posee los EXONES, que son los que tienen información para la proteína. Los pasos del procesamiento son: 1) Capping. 2) Poliadenilación. 3) Splicing o remoción de intrones el más importante. 4) Metilación de adeninas. La proteína sintetizada corresponde a la secuencia de exones que son los segmentos codificantes de los genes Capping: es el agregado de un nucleótido de 7-metil-guanosina en el extremo 5’ de los transcriptos primarios. Este nucleótido forma el CAP o capuchón, que es reconocido por la subunidad menor de los ribosomas para dar inicio a la traducción. El CAP evita la degradación del extremo 5’ del ARNm por fosfatasas o nucleasas y es requerido durante la remoción de los intrones. 217 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Poliadenilación: es el agregado de varios nucleótidos de adenina en el extremo 3’ de los transcriptos primarios, formándose una cola de aproximadamente 250 adeninas llamada “poli A” que evita también la degradación enzimática del ARN y ayuda al ARNm a salir del núcleo. Para que se efectúe, antes que la ARN polimerasa alcance la secuencia de terminación del gen, varios factores específicos reconocen en el transcripto primario una secuencia llamada señal de poliadenilación. vemos la colocación de la poli A en el extremo 3’ del ARNm. El cap ya se encuentra en el extremo 5’. En el gráfico no se representa, pero al mismo tiempo se va llevando a cabo el splicing sobre el ARN naciente Splicing o remoción de intrones: es el corte de los intrones en sus extremos, se separan y luego son degradados por la ribonucleasa. Al mismo tiempo los exones se unen unos con otros y forman el ARNm maduro. Decimos que el splicing implica el “corte y remoción de lo intrones” y el “empalme de los exones”. 218 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Entonces la secuencia de pasos resumida sería: 1) ADN con intrones y exones sufre una transcripción y se transforma en: 2) ARN transcripto primario, que aún conserva exones e intrones. Éste sufre un procesamiento antes de abandonar el núcleo los intrones son removidos del ARN y obtenemos: 3) ARN mensajero maduro (sólo exones). El CAP se une al transcripto primario apenas éste comienza a sintetizarse (cuando su cadena lleva aproximadamente 30 nucleótidos), por lo tanto el capping es “cotranscripcional". La remoción de los intrones también puede llevarse a cabo antes de que se termine la transcripción, o sea que también es cotranscripcional. La poliadenilación en cambio se produce al final de la transcripción. El agente responsable de los cortes y empalmes en el ARNm es un complejo macromolecular denominado espliceosoma (“cuerpo de splicing”). El espliceosoma está integrado por unas ribonucleoproteínas llamadas “RNPpn (pequeño nuclear)”. Las RNPpn incluyen proteínas + ARNpn. Es decir que la función del ARNpn es formar parte de las ribonucleoproteínas (RNPpn) que se encargan del splicing. Para que comience el splicing ya debe estar colocado el CAP en el extremo 5´. Metilación de adeninas: finalmente antes de abandonar el núcleo algunas adeninas del ARNm se metilan: se les agrega grupos metilo (-CH3). Estas metilaciones, como se producen exclusivamente en los exones, es posible tengan una función protectora de los segmentos funcionales del transcripto primario. La metilación de algunas adeninas puede comenzar antes del splicing, por lo que en realidad estos 4 procesos se van sucediendo simultáneamente y no en forma secuencial, salvo el capping que se produce siempre al comienzo. El ARNm maduro quedaría así: Como vemos en la figura, el extremo 5' de los ARNm contiene una secuencia de alrededor de 10 nucleótidos entre el codón de iniciación y el CAP (segmento negro), que no se traduce. Esta secuencia participa en el control de la traducción y regula la estabilidad del ARNm, o sea su supervivencia. Otra secuencia especial de ARNm, de hasta miles de nucleótidos, se haya entre el codón de terminación y la poli A, y también controla la supervivencia del ARNm. 219 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros REGULACIÓN DEL PROCESAMENTO DEL ARN MENSAJERO El procesamiento de un mismo ARNm puede tomar distintos rumbos a veces. Es lo que se llama procesamiento diferencial del ARNm. Esto permite que se puedan formar más de un tipo de proteína a partir de un mismo gen, ya que un transcripto primario siguiendo distintos procesamientos, puede generar más de un ARNm maduro diferentes. El control de la transcripción de los genes por medio del promotor y los reguladores, es el mecanismo más importante que utiliza la célula para determinar qué tipos de proteínas debe producir y en qué cantidades. Pero también existen mecanismos accesorios postranscripcionales. Ellos son: 1-) Corte y poliadenilacion diferencial del extremo 3' del transcripto primario: puede ser que el corte del ARN en el extremo 3' del transcripto primario y por ende el agregado de la poli A, se realice de acuerdo con las necesidades del organismo en dos lugares diferentes, lo que genera dos ARNm de distinta longitud. 2-) Cortes y empalmes en lugares alternativos del transcripto primario: un mismo transcripto primario es capaz de generar dos o más clases de proteínas (accidentalmente, algunas ajenas a la célula). Puede ocurrir que uno o más exones sean removidos o que uno o más intrones no sean excluidos. Una escisión de intrones distinta en un mismo ARNm puede originar dos proteínas diferentes. Si uno o más intrones no son excluidos quedan como parte de la molécula de ARN, que será capaz de generar una proteína diferente 3-) Control de la salida de los ARNm al citoplasma: ciertos ARNm no pasan al citoplasma porque son degradados selectivamente en el núcleo o porque se haya impedida su salida por los poros de la carioteca. Esto sucedería en las células cuyos citoplasmas no requieren de algún ARNm a pesar de haberse sintetizado. ARN RIBOSOMAL Su transcripción se realiza en el nucléolo y participan los organizadores nucleolares. Las 200 copias del gen del ARNr 45S están distribuidas en las constricciones secundarias de los cromosomas 13, 14, 15, 21 y 22. Dada la condición diploide de esos cromosomas, hay 10 de dichas constricciones, por lo que en promedio existen 20 copias del gen en cada una. Los tramos de ADN en que se hallan esos genes emanan como asas de las constricciones secundarias y en torno de ellas se construye el nucléolo. Cada asa y por consiguiente las copias del gen contenidas en ella, representan una unidad llamada organizador nucleolar y corresponden al filamento cromatínico ubicado en la región fibrilar del nucléolo durante la interfase. 220 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros PROCESAMIENTO DEL ARN RIBOSÓMICO 45S El transcripto primario del ARNr 45S no forma un CAP en su Metilar = agregar un grupo metilo (CH3) extremo 5' ni poliadenila su extremo 3'. Su procesamiento tiene lugar en el nucléolo y consiste en una serie ordenada de cortes para eliminar secuencias espaciadoras y hacer que los ARNr 28 S, 18 S y 5,8 S queden como unidades independientes Las secuencias útiles se metilan antes de ser cortado el transcripto primario. 3 El procesamiento del ARNr incluye la formación de las dos subunidades de los ribosomas, para ello los ARNr ya en la región granular del nucléolo se ensamblan con varias proteínas para dar lugar a las subunidades que luego pasarán al citoplasma. En este proceso intervienen RNPpno (pequeños nucleolares) llamadas U3, U8 y U13. Los ARNr desarrollan asas en varios puntos de sus moléculas porque poseen secuencias complementarias que se aparean. Estos apareamientos tienen por función establecer la configuración tridimensional de los ARNr que les permitirá combinarse con las proteínas ribosómicas. Entonces, el procesamiento de este ARN da lugar a las porciones granular y fibrilar del nucléolo. El tamaño del nucléolo varia con la necesidad de la célula de generar ribosomas, la variación depende de la región granular que se expande o se retrae según el ritmo con que se procesan las subunidades ribosómicas. ARN RIBOSÓMICO 5S Todas las copias de este gen se localizan en el extremo No se sabe aún por distal del brazo largo del cromosoma 1, de modo que qué el ARNr 5S se no pertenecen al nucléolo. sintetiza en un lugar Una vez sintetizado en el jugo nuclear, ingresa en el distinto de los restantes nucléolo y se incorpora a la subunidad ribosómica ARNr mayor. Como los otros ARNr, este establece su configuración tridimensional gracias a apareamientos entre secuencias complementarias de su propia molécula. 221 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Algo más sobre RIBOSOMAS: En la subunidad menor del ribosoma algunas proteínas forman dos áreas: El sitio A = aminoacil o sitio aceptor aloja al codón correspondiente del ARNm donde se une el anticodón correspondiente del ARN de transferencia que viene trayendo el aa en cuestión. El sitio P = peptidil o sitio dador recibe la cadena proteica naciente unida al ARN de transferencia. En la subunidad mayor las proteínas ribosómicas forman un túnel por el que sale la cadena polipeptídica a medida que se sintetiza. ARN DE TRANSFERENCIA El procesamiento de los ARNt incluye la remoción de un solo intrón y la modificación de algunos nucleótidos: 1- Remoción de un único intrón, que se elimina mediante un mecanismo distinto del utilizado para los ARNm, ya que prescinde del espliceosoma. El intrón tiene de 4 a 15 nucleótidos en medio del segmento codificador, por lo tanto hay dos exones. 2- Modificaciones en la composición de sus nucleótídos: Algunas U son metiladas a ribotimidinas (T) no confundir con timina. Otras U son reducidas a dihidrouridinas (D). Otras U son convertidas en seudouridinas. (Ψ). Son metiladas varias A, C y G (mA, mC y mG). Otras A son convertidas a inosinas (I). La mayoría de estos nucleótidos inusuales no pueden aparearse, lo cual favorece el apareamiento de los nucleótidos convencionales entre sí. Esto origina la singular estructura tridimensional que caracteriza a los ARNt al principio con forma de hoja de trébol y finalmente con forma de L. El procesamiento de los ARNt culmina con el reemplazo del trinucleótido AAA (siempre remata el extremo 3' de los transcriptos primarios) por el trinucleótido CCA. Este trinucleótido queda en el extremo 3’ del ARNt y es el lugar exacto donde se ancla al aa que el ARNt está cargando. Es el denominado “brazo aceptor del aa”. El ARNt, tiene una doble función: por un lado debe reconocer a un aa específico y por otro debe reconocer a las secuencias determinadas por los codones. Una vez reconocido el aa en el citoplasma debe llevarlo hasta los ribosomas en el orden marcado por los nucleótidos del ARNm, que son los moldes del sistema. Para 222 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros reconocer a los codones el ARNt presenta el anticodón, que es una secuencia de tres bases nitrogenadas que se corresponde complementariamente con el codón del ARNm. Forma de los ARNt Para poder cumplir con sus funciones los ARNt adquieren una forma característica semejante a un trébol de cuatro hojas. Los cuatro brazos se generan por la presencia de secuencias de 3 a 5 pares de nucleótidos complementarios quienes se aparean entre sí como ocurre en las dos cadenas del ADN. En la punta de uno de los brazos se juntan los extremos 5' y 3'. El extremo 3' es más largo porque sobresale el trinucleótido CCA. Este brazo se llama aceptador porque aquí se transporta el aminoácido, uniéndose a la A del CCA. Los tres brazos restantes poseen en su extremos secuencias de 7 a 8 nucleótidos no apareados en forma de “asas”: Una de ellas contiene el triplete de nucleótidos llamados “anticodón” por lo que su composición varía en cada ARNt. Otra como contiene dihidrouridinas se llama asa D. La tercera se conoce como asa T, por el trinucleótido TΨC que la identifica. Entre el asa T y el anticodón existe un asa adicional llamada asa variable porque su longitud difiere. Asa D Un último plegamiento hace que adquiera su forma de letra L. El cambio se debe a que se establecen apareamientos inusuales entre nucleótidos, inclusive un nucleótido puede combinarse con dos a la vez. 223 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Una vez formada la L, las asas D y T pasan a la zona de unión de sus dos ramas y el brazo aceptador y el anticodón se sitúan en las puntas de la molécula, quedando expuestas. Existen 31 tipos diferentes de ARNt Es decir que algunos aa (que en total son 20) son reconocidos por más de un ARNt. De acuerdo con la cantidad de codones, debiera haber 61 ARNt ya que existen 61 codones que codifican para algún aa, pero el déficit se resuelve por la capacidad que tienen algunos ARNt de reconocer a más de un codón. Lo logran porque suelen tener la “primera base adaptable.” Aproximadamente cada ARNt puede reconocer a 2 codones. Esto lo logra porque su primera base del antocodón (contando desde 5’ a 3’ del mismo), es adaptable. La enzima que "carga" el aa en el ARNt específico se llama “aminoacilARNt sintetasa”. Este proceso se efectúa en dos pasos: 1-) El aminoácido correspondiente reacciona con ATP, se forma aminoacil-AMP, liberándose un pirofosfato (PP) y energía. 2-) Esa energía es usada por la enzima para transferir el aa desde el aminoacilAMP al ARNt compatible, con lo cual se forma un aminoacil-ARNtaa molécula esencial en la síntesis proteica ya que reconoce el codón complementario del ARNm. 224 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La energía del ATP usada en la primera reacción queda depositada en la unión química entre el aa y la A del CCA (trinucleótido terminal del brazo aceptador) Designación: Cada tipo de ARNt lleva antepuesto el nombre del aa que transporta (aminoacil-ARNt). Si lo está transportando se designa aminoacil-ARNtaa, donde aa es la sigla del aminoácido Ej.: Leucinil-ARNt representa al ARNt que reconoce a leucina. Leucinil-ARNtLeu representa al ARNt que reconoce a leucina, transportándola. Existen 20 aminoacil-ARNt sintetasas diferentes, cada una diseñada para reconocer un aa y el ARNt compatible con él. ARN PEQUEÑOS Los ARN pequeños son el ARNpn (pequeño nuclear), el ARNpc (pequeño citosólico), y el ARN de la telomerasa. La telomerasa es una enzima formada por un complejo proteína-ARN con actividad polimerasa, que está presente en células de la línea germinal, en tejidos fetales y en ciertas células madre poco diferenciadas, y que permite el alargamiento de los telómeros. La telomerasa es reprimida en las células somáticas maduras después del nacimiento, produciéndose por ello un acortamiento del telómero después de cada división celular, lo que se relaciona con el envejecimiento celular (¡Cada vez que el ADN se duplica en nuestras células, vamos perdiendo un poco por los extremos!). ARN de la telomerasa: el gen del ARN de la telomerasa se localiza en el brazo largo del cromosoma 3 y sólo se conoce su segmento codificador. Su procesamiento incluye la asociación con las proteínas que integran la enzima. ARNpn: apenas es transcripto cada ARNpn forma apareamientos entre nucleótidos complementarios de su propia molécula y se asocia con varias proteínas llamadas Sm (por small). ARNpc: los ARNpc antes de abandonar el núcleo aparean varias secuencias complementarias de su propia molécula y se asocian con seis proteínas de diferente peso molecular para formar la partícula PRS la que reconoce la señal del péptido señal de una proteína naciente y la lleva hasta su sitio correspondiente, en asociación a chaperonas. PRS 225 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros TRADUCCIÓN Es el último paso de la síntesis proteica, una vez que el ARNm maduro sale del núcleo y se dirige al citoplasma donde se encuentra con todos los restantes elementos necesarios: unidades ribosomales ya listas (vinieron desde el nucléolo), aminoácidos que funcionan como materia prima (dispersos en el citosol), ARNt que reclute los aa, etc. Ocurre en el citoplasma celular, ya sea en los polirribosomas libres o en los unidos a la membrana del RER. El mensaje es decodificado de codón en codón gracias a una molécula adaptadora, el ARNt. ¡Recordemos! El ribosoma se adhiere a la membrana del RER por la subunidad mayor, en la cual existe un canal -el translocón- por donde se va a deslizar la cadena proteica en formación En cada ARNm se encuentran varios ribosomas, cada uno de ellos va formando una molécula proteica deslizándose en sentido 5' a 3'. Al conjunto de ribosomas en el ARNm se lo denomina polirribosoma o polisoma. Cada ribosoma está separado del otro por una distancia de alrededor de 30 codones o 90 nucleótidos. Si la síntesis ocurrió en el RER, la proteína se inserta en la membrana del RE o se vuelca en la luz del organoide, destinada a hacer exocitosis o a los lisosomas. Si ocurrió en ribosomas libres la proteína está destinada al citosol (como las tubulinas) al núcleo (como las histonas y proteínas ribosómicas), a las mitocondrias (como las enzimas del ciclo de Krebs) o a los peroxisomas (como la catalasa). Algunos datos más: 226 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Cuando el ARNm sale al citosol se combina con nuevas proteínas y con los ribosomas, fenómeno que lo habilita para ejercer su función codificadora. Una de las proteínas es la CBP (Cap Binding Protein) que se combina con el CAP. La proteína se sintetiza a partir del extremo que lleva el grupo amino libre, lo cual se corresponde con la dirección 5’ 3' usada para la traducción del ARNm, que es también la usada para la transcripción del ADN. El grupo amino libre de la cadena proteica en formación pertenece a la metionina (por el codón de iniciación), pero como esta metionina usualmente es removida, entonces el segundo aminoácido pasa a la primera posición. En el extremo opuesto de la proteína se encuentra el aa que lleva el grupo carboxilo libre de la cadena proteica, determinado por el triplete previo al codón de terminación. En cada unión peptídica que se produce en el ribosoma el grupo carboxilo es aportado por el último aminoácido de la cadena en crecimiento (ubicada en el sitio P) y el grupo amino es cedido por el aminoácido del aminoacilARNtaa ubicado en el sitio A. Las fases de la Traducción son Iniciación, Elongación y Terminación. En todos estos pasos intervienen proteínas de los ribosomas llamadas “Factores de Iniciación”, “de Elongación” y “de Terminación”. FASE DE INICIACIÓN El ARNm a través de su extremo 5’, donde se encuentra el La subunidad mayor codón de iniciación AUG, se une a la subunidad menor del se ensambla luego ribosoma. Se inicia así la lectura de la secuencia de codones, de la menor, siempre con el mismo codón, cuyo aminoácido -la metioninacuando termina la más adelante será eliminado. El ARNt correspondiente carga el aa metionina gracias a la fase de iniciación enzima aminoacil ARNt sintetasa. El ARNt acopla su anticodón con el codón de iniciación del ARNm, mientras la subunidad mayor del ribosoma se ensambla con la menor. El ARNt con su primer aa queda ocupando el sitio P de la subunidad menor mientras que el sitio A queda desocupado con un nuevo codón para ser leído. 227 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros FASE DE ELONGACIÓN Un segundo ARNt con su respectivo aa entra al sitio A y acopla su anticodón con el segundo codón del ARNm. Entre los dos aa se establece un enlace peptídico (función amida) gracias a la enzima péptido sintetasa. Para ello la cadena naciente unida a su ARNt que se haya en el sitio P (y que en este momento sólo contiene a la metionina) debe trasladarse del sitio P al A, para que los aminoácidos correspondientes se unan. Esto se llama “transferencia de la cadena naciente”. Ahora, el segundo ARNt con el dipéptido unido a él, pasa del sitio A al P, y así desaloja al primer ARNt. Esto se llama “translocación de la cadena naciente”. El primero ARNt (el de la metionina) se va y queda entonces el primer aa unido al segundo aa, y el segundo aa unido a su ARNt que se encuentra ahora en el sitio P. La translocación consume energía, aportada por el GTP. El ribosoma se va desplazando en sentido 5'3' para que un nuevo codón quede disponible en el sitio A, así un tercer ARNt entra al sitio A, como siempre acoplando su anticodón con el codón correspondiente y cargando su aa. La cadena peptídica naciente es transferida a este ARNt y se forma otro enlace peptídico entre el último aa de la cadena naciente y el nuevo aa que fue traído al sitio A. El tercer ARNt pasa del sitio A al P, desalojando al segundo y el ribosoma se desplaza siempre en sentido 5'3' dejando un nuevo codón disponible en el sitio A. Así se siguen repitiendo los ciclos con la participación de los Factores de Elongación. 228 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros FASE DE TERMINACIÓN Ocurre cuando alguno de los codones de terminación queda disponible en el sitio A. Estos codones no pueden ser reconocidos por ningún ARNt, por lo que no llega un nuevo aminoacil-ARNtaa, pero sí son reconocidos por una proteína llamada Factor Liberador o Factor de Terminación, que provoca lo siguiente: La cadena polipeptídica ubicada en el sitio P se desliga del ultimo ARNt y se independiza del ARNm y del ribosoma (esto depende de otro factor de terminación y consume un GTP) La separación de las subunidades ribosomales del ARNm (las subunidades pasan a formar parte de un fondo común citosólico que abastece de subunidades ribosómicas para la formación de ribosomas nuevos en el mismo ARNm o en otros). La degradación del ARN mensajero (depende de otros factores reguladores). Así concluye la síntesis de una proteína. Desde un punto de vista energético la síntesis proteica es costosa, ya que por cada aa que se incorpora se consumen dos GTP y un ATP. El ATP se gasta durante la síntesis del aminoacil-ARNtaa. Se calcula que se agregan a la cadena peptídica en promedio cinco aminoácidos por segundo. Recordemos que cuando el ribosoma se ha alejado del extremo 5’ del ARNm unos 90 nucleótidos (es decir unos 30 codones), en el codón de iniciación se 229 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros acomoda de nuevo ribosoma, lo cual da inicio a la síntesis de otra cadena proteica que estará sintetizando la misma proteína. Una célula posee los recursos necesarios para sintetizar unas 10.000 proteínas distintas. Todas las proteínas surgidas de los ribosomas (excepto las que quedarán en el citosol) deben portar señales apropiadas que las conduzcan a los organoides apropiados quienes deben poseer receptores específicos que reconozcan esas señales. En las proteínas las señales están representadas por cortas secuencias de aminoácidos llamadas péptidos señal. Apenas las proteínas emergen de los ribosomas, tienden a establecer las combinaciones químicas que darán lugar a la formación de las estructuras secundarias, terciarias y cuaternarias características. Estos procesos son controlados por las proteínas chaperonas. ¡Repaso! Ahora completamos la lista de todas las estructuras, proteínas y enzimas que intervienen en la síntesis de proteínas: Video: Traducción eucariota Un tema médico relacionado con la síntesis de proteínas es el mecanismo de acción de la toxina diftérica, la toxina que produce la bacteria Corynebacterium diphtheriae, causante de la difteria. La toxina ingresa en la célula por endocitosis y ribosila al factor de elongación EF-2 con lo cual lo anula. Esto conduce en poco tiempo a la muerte celular. La enfermedad se caracteriza por la aparición de falsas membranas (“pseudomembranas”) firmemente adheridas en las superficies mucosas de las vías respiratorias. 230 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros REGULACIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA EN LA SÍNTESIS DE UNA PROTEÍNA La síntesis de proteínas está regulada en todos los niveles: a nivel de la transcripción del ADN, del procesamiento del ARNm, también a nivel de la traducción por el ribosoma y de la degradación de las proteínas por los proteasomas. Primero es necesario saber que existen varios tipos de genes: -Genes estructurales o codificadores: son los que tienen el código para la síntesis de una determinada proteína, la secuencia de bases con tripletes que debe ser leída. -Genes operadores: es el que comanda o dirige al gen estructural. -Genes reguladores: codifica la síntesis de una proteína denominada represor, que inhibe al operador. MECANISMO DE REGULACIÓN: REGULACIÓN EN MENOS: Cuando el regulador se expresa y sintetiza moléculas represoras, éstas se unen al operador para lo cual tiene un encaje exacto, y por tanto no lo deja dirigir a los genes estructurales. El resultado de esto es REPRESIÓN disminuye la síntesis de la proteína para la cual codifica ese gen codificador que fue reprimido. REGULACIÓN EN MÁS: Por otro lado, el represor puede unirse a moléculas llamadas inductoras, antes de llegar al operador. Las moléculas inductoras combinadas con el represor le cambian a éste la conformación y evitan que se pueda asociar al gen operador porque el encaje ya no es exacto. Así el gen operador queda libre de su represor y puede dirigir a los genes estructurales para que transcriban la información al ARNm y entonces comenzar la síntesis proteica. Operón lactosa u “Operón lac” Un operón es un grupo de genes que se encuentran muy próximos entre sí y pueden ser regulados (activados o inhibidos) en forma conjunta. Como las bacterias obtienen su alimento directamente del medio en que viven, los mecanismos que regulan la actividad de sus genes deben adaptarse rápidamente a los cambios en la calidad y cantidad de los alimentos en dicho medio. Un buen ejemplo de control transcripcional lo proporcionan los genes de las enzimas que intervienen cuando la bacteria Escherichia coli utiliza a la lactosa como alimento. 231 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La síntesis de estas enzimas puede aumentar hasta 1000 veces si se agrega lactosa al medio de cultivo entonces la disponibilidad de un sustrato estimula la producción de enzimas que intervienen en su degradación. Esta regulación mediante inducción enzimática se cumple en el caso de enzimas que degradan otros compuestos. Las tres enzimas necesarias para el aprovechamiento de la lactosa como alimento son codificadas por una unidad genética común llamada “operon lac”. Ellas son B- galactosidasa, permeasa y transacetilasa. El operon lac contiene el operador (o), el promotor (p) y tres segmentos codificadores llamados Z, Y y A, que codifican a las tres enzimas mencionadas. En la regulación de los operones suele intervenir un gen inhibidor (i) que codifica una proteína represora. Los genes para las tres enzimas son transcriptos en un solo ARNm por eso se lo denomina “policistrónico”. Esto explica por qué las enzimas se sintetizan en cantidades equivalentes Operón lac inhibido por el represor Operón lac activo. El represor fue inhibido por el inductor, en este caso la lactosa. 232 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros OTRAS REGULACIONES Para controlar qué proteína ha de sintetizarse y en qué cantidad existen diversos mecanismos moleculares, pero los más importantes son los que operan a nivel de la transcripción del ADN y del procesamiento del transcripto primario. Además pueden producirse otras regulaciones: -Control de la exportación del ARNm al citoplasma. Una vez que el ARNm sale al citoplasma: -Control de la supervivencia del ARNm en el citosol. -Control sobre la traducción del ARNm: cuánto dura la síntesis proteica, ritmo de producción, se puede decidir cuándo deben comenzar a degradarse y a qué velocidad. -Existe un control inespecífico que depende del IF-2 que cuando es fosforilado por una quinasa lo hace inoperable, en consecuencia la síntesis de todas las proteínas decae. -El control específico depende de sustancias reguladoras que suelen modificar la configuración de un tramo de nucleótidos no traducibles, localizados entre el CAP y el codón de iniciación. -La degradación de los ARNm suele ser regulada por factores que actúan en el extremo 3’ (entre el codón de terminación y la poli A) o por sustancias que aumentan su estabilidad en el citosol. La degradación es efectuada por enzimas nucleasas. Los ARNm de muchas proteínas tienen una corta supervivencia. Por ejemplo algunos factores de crecimiento tienen una vida media de 30 minutos, se debe a que en el extremo 3' hay secuencias de 50 nucleótidos ricas en A y U, que atraen a ciertas nucleasas, las cuales mediante la remoción de la poli A desestabilizan al ARNm y propician la degradación por las nucleasas. La supervivencia de los ARNm de las histonas depende del momento del ciclo en que se halla la célula. En la fase S la vida media de estos ARNm es de una hora, pero cuando concluye la replicación del ADN es de unos pocos minutos. En la mayoría de los casos el tiempo de vida de los ARNm depende de secuencias especiales presentes en el extremo 3' de sus moléculas, por donde suele comenzar la degradación Si la proteína sobrevivió a todas estas posibilidades de no ser sintetizada, una vez que sale del ribosoma terminada, aún se puede actuar sobre ella si no hiciera falta: -La degradación de las proteínas también es regulada por señales presentes en sus moléculas, que corresponden a secuencias de aminoácidos llamadas PEST, ricas en prolina (P), ácido glutámico (E), serina (S) y treonina (T). Estas señales son reconocidas por la ubiquitina cuya participación es imprescindible para que la proteína se degrade en el proteasoma. 233 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Volvemos a hablar de… DIFERENCIACIÓN CELULAR Ahora que sabemos un poco más sobre la célula, podemos entrar más en detalle: La diferenciación celular es la especialización estructural y funcional de las distintas células del organismo. Se basa en la regulación de los genes que hace cada célula, lo que permite la síntesis diferenciada de proteínas en los distintos tipos celulares. Por ejemplo, una CÉLULA MUSCULAR ESTRIADA, utilizará todos sus recursos para promover en gran cantidad la transcripción, procesamiento y traducción de los ARNm de la actina y la miosina, e inhibirá los mecanismos de degradación de los mismos. Estos genes y sus ARNm respectivos en cambio estarán menos estimulados en otras células con menor movilidad, si bien en todas las células se expresan, ya que actina y miosina forman parte del citoesqueleto básico de todas las células. Si por otro lado habláramos de neurotransmisores, únicamente sus genes se expresan en NEURONAS, mientras que en cualquier otra célula, por más de que posean estos mismos genes en su núcleo al igual que las neuronas, van a mantenerse sin expresión alguna. Todas las células contienen la misma carga de ADN en sus 46 cromosomas nucleares todas poseen todos los genes. Lo que las diferencia es: cuáles expresan y cómo los expresan. CONCLUSIÓN La célula tanto en interfase como en mitosis trabaja en equipo con todos sus elementos: Núcleo con su ADN expresando genes. Ergastoplasma con su ARN ribosómico sintetizando proteínas. Mitocondrias, produciendo energía necesaria. Aparato de Golgi, completando la síntesis de proteínas y transportándolas al exterior. REL, proporcionando membranas y degradando glucógeno. Lisosomas, destruyendo las partículas inútiles para la célula. Peroxisomas, destruyendo y destoxificando metabolitos tóxicos que se van formando en el proceso. Microtúbulos, trasladando a los cromosomas y manteniendo cada organela en su lugar. Microfilamentos, participando en la citocinesis. Toda esta función del equipo celular se desarrolla con una excelente cooperación metabólica. Así, cada célula, cada tejido y cada aparato con sus múltiples funciones integradas por el sistema psico-neuroendócrino le permite al hombre una actividad normal en su medio ambiente, adaptándose para adquirir la capacidad de convivir en su universo con salud y plenitud. 234 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros CICLO CELULAR El ciclo celular es el ciclo de las células que pasan por un estado de reproducción y otro de no división, este último llamado interfase. Un tejido puede crecer principalmente por: Hiperplasia: Es el incremento en el número de células que lo constituyen, para lo cual debe ocurrir la división o duplicación celular. Hipertrofia: Es el aumento en el tamaño de las células. Ej: el músculo estriado, cuyas células no se dividen, crece por hipertrofia. El ciclo celular está relacionado con: Regulación y reemplazo celular. Desarrollo embrionario y diferenciación. Ecología microbiana, patogénesis y tratamiento. Crecimiento neoplásico (crecimiento cancerígeno) y empleo de fármacos citostáticos (drogas anticancerígenas). De acuerdo a su capacidad de regenerarse y proliferar, tenemos tres tipos de poblaciones celulares: Células lábiles o de división continua: son células que están en proceso de división de manera continua, es decir permanentemente están cumpliendo el ciclo celular: interfase y mitosis. Ejemplos: células del epitelio intestinal que se renuevan cada 3 días, tejido hematopoyético, crecimiento del endometrio luego de cada período menstrual, células de la piel. 235 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros A estas células también se las llama “precursoras” y pueden ser: *Unipotentes: como los queratinocitos del estrato basal de la epidermis o epitelio de la piel. En este caso una célula precursora se convierte en otras células precursoras iguales. No tienen la capacidad para dar más tipos celulares diferentes del que ya son. *Pluripotentes: como los hemocitoblastos de la médula ósea (donde se forman las células sanguíneas) que originan eritrocitos, leucocitos y megacariocitos. En este caso una célula precursora al dividirse se va diferenciando y puede dar distintos tipos celulares. La célula pluripotencial por excelencia, llamada también “totipotencial”, es el CIGOTO. Cuando un tejido normal tiene más de 1,5% de células en mitosis, se dice que se encuentra formado por células lábiles. Si se produce una lesión en estos tejidos, se pueden regenerar siempre que quede una cantidad suficiente de células precursoras Células estables, quiescentes o inactivas o proliferantes facultativas: en situaciones normales no se dividen, pero como conservan su capacidad proliferativa, pueden dividirse cuando reaccionan ante un estímulo, en determinadas condiciones y factores. Se trata de algunos tipos celulares diferenciados que se dividen rara vez. Ejemplos: hepatocitos (se reproducen sólo cuando se produce una lesión), células pancreáticas y de los túbulos renales, osteoblastos (células del hueso), condroblastos (células del cartílago). Estas células abandonan el ciclo celular luego de una cierta cantidad de divisiones mitóticas, se diferencian y permanecen en un período denominado “G0”. Si en un tejido adulto normal hay menos de 1.5% de células en mitosis, significa que está constituido por células estables. Células permanentes o estáticas o perennes: son aquellas que perdieron su capacidad de reproducirse luego del nacimiento. Son células como las neuronas, que después del nacimiento no se dividen en absoluto, por lo tanto el periodo de interfase dura toda la vida del individuo. Otros ejemplos: músculo esquelético, miocardio, cristalino, células del oído medio. Estas células son terminalmente diferenciadas, NO son reemplazadas si se destruyen. 236 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros MANTENIMIENTO TISULAR: los tejidos renuevan periódicamente sus poblaciones celulares en forma ordenada y programada por un mecanismo llamado “de morfostasis”. La excepción a este fenómeno la constituyen los órganos formados por células permanentes. Ciclo celular: una célula que está en crecimiento y proliferación pasa en el transcurso de su vida entre estas dos etapas fundamentales: 1- Interfase o no división, que se divide en las etapas: G1, S y G2. 2- División celular (fase M con sus propias etapas que veremos más adelante). La duración es variable de acuerdo al tipo celular: si se toma como modelo una célula cultivada de mamífero: G1 dura 5 horas, S dura 7 horas, G2 tres horas y M una hora. FASES DEL CICLO CELULAR 237 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Hay que entender bien ciertos conceptos previos: Cada ser vivo en la Tierra posee un número de cromosomas que lo caracteriza: por dar algunos ejemplos, los seres humanos poseemos 46 (23 pares), los mosquitos tienen 6, los perros 78, los peces de colores 94 y las calabazas tienen 18. Parece haber poca correlación entre la complejidad de un organismo y el número de cromosomas que tiene. El organismo que más cromosomas tiene, es un protozoo llamado Aulacantha Scolymantha, con 1600. El menor número de cromosomas en células normales se halla en una especie de hormiga, la Myrmecia pilosula, en la que los cuerpos de las obreras está formado por células con un solo cromosoma cada una. Los seres vivos poseemos dos tipos de células: Células somáticas que son todas las células del cuerpo, menos las gametas: poseen los cromosomas de a pares: en el ser humano 23 pares, o sea 46 cromosomas en total. Decimos que son “células diploides” o “2n”. Células sexuales que son las gametas, las células destinadas a unirse en la fecundación para dar origen a otro ser vivo: éstas poseen la mitad del número de cromosomas: poseen 23 cromosomas en total. Decimos que son “células hapolides” o “n”. Entonces: n = representa el numero de cromosomas. Podemos tener en el humano: n = 23 cromosomas --> celula haploide --> gametas 2n = 46 cromosomas --> celula diploide --> celulas somáticas Mientras que: c = representa la cantidad de ADN, es decir si cada cromosoma tiene una cromátida (no fue copiada) o dos cromátidas (fue duplicado el ADN). Podemos tener: 2n, 2c: 2n, 4c: n, c: n, 2c: *A veces se una la letra “n” para los dos números, ej: “2n, 4n”es lo mismo que “2n, 4c” 238 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La fase S del ciclo es en la que se duplica el ADN de la célula, cada cromosoma que es simple (una sola cromátide) se transforma en doble (2 cromátides, que es la típica “X” como se lo dibuja). Entonces es después de la fase S que vamos a tener 2n, 4c (para células diploides) o n, 2c (para células haploides, las gametas). grados de compactación de la cromatina en las distintas fases del ciclo ETAPA DE INTERFASE Es la parte del ciclo que se caracteriza por la actividad biosintética, de crecimiento y la duplicación del ADN: Es el período en el que la célula pasa la mayor parte del tiempo. Incluye las fases G1, S y G2. a) Fase G1, presintética o postmitótica: dura entre 5 y 170 horas e incluso puede llegar a durar días, meses y hasta años. Las células somáticas contienen número cromosómico diploide (2n) y 2c (o 2n) de ADN. Durante esta etapa: ocurre la síntesis de ARN, la síntesis de proteínas, el crecimiento y otras actividades como: secreción, conducción, contracción, endocitosis, etc. Las células hijas derivadas de la mitosis ingresan en la fase G1 de la interfase y si son inducidas por ciertos factores repiten el ciclo seguido por la célula predecesora y vuelven a dividirse. Caso contrario la fase G1 se prolonga indefinidamente y la célula "se retira" del ciclo por lo que la fase G1 pasa a llamarse G0. Esto sucede con las células que no se dividen (nerviosas) o que se dividen poco (linfocitos). Una situación opuesta se da en las divisiones celulares de segmentación de la célula huevo (cigoto), en donde la fase G1 prácticamente no existe, tampoco existe la fase G2 la interfase se reduce a la fase 5, lo cual explica su corta duración. 239 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Hacia el final de G1, se produce el llamado Punto de Restricción o Punto R o Punto de arranque o de control G1 punto en que la célula toma la decisión de dividirse. Esta decisión es tomada ante la presencia de sustancias inductoras provenientes de otras células. Si las células superan el punto R, realizarán un ciclo completo en forma independiente. Se cree que existe una “proteina de disparo inestable” o proteina U (unstable protein), necesaria para que las células pasen el punto R. b) Fase S o Sintética: en ella se produce la síntesis o duplicación del ADN, (y de la cromatina) dura entre 6 a 10 horas inclusive. En las células embrionarias de algunas especies puede ser más corta. Cambios en el contenido del ADN nuclear durante las fases del ciclo vital de la célula. Durante la fase S el ADN se duplica por lo que pasa de 2c a 4c. En G2 se mantiene duplicado, y en la fase M se regresa a la cantidad de ADN simple (2c) en cada una de las células hijas. 240 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Para que las células hijas hereden la misma información genética que la contenida en la célula progenitora, cada una de las moléculas de ADN debe generar otra molécula de ADN idéntica a la originaria. El ADN se copia a sí mismo dando como resultado dos moléculas exactamente iguales con la misma información, cada una de ellas ubicadas en una cromátida. Recordar que las cadenas del ADN son antiparalelas ya que una comienza desde el carbono 5' al 3' y la otra se orienta en sentido inverso desde 3' a 5' y también son complementarias, A se une a T y C a G. En el ADN llamamos estructura primaria a la secuencia de bases o nucleótidos, estructura secundaria a las dos cadenas en forma de doble hélice y estructura terciaria cuando el ADN se empaqueta con las histonas (y se forma la cromatina o “fibra de 10 nm”). Recordemos que: La base adenina corresponde al nucleótido fosfato-desoxirribosa-adenina. La base timina, corresponde al nucleótido fosfato-desoxirribosa-timina, etc. Es necesario para la duplicación: Las dos cadenas del ADN original que sirven de molde, a cada cadena se le copia una nueva cadena que va a ser complementaria y antiparalela a la molde. Los nucleótidos trifosforados como dATP, dTTP, dGTP, dCTP, que son la “materia prima” ya su vez aportan la energía. La letra “d” antepuesta indica que el azúcar es desoxirribosa. Varias enzimas, entre ellas la protagonista sería la ADN polimerasa que construye las cadenas catalizando uniones fosfodiéster, agregando nucleótidos de a uno por vez en el extremo 3' de la cadena en crecimiento. Entre el OH del C3’ de la desoxirribosa de un nucleótido y el fosfato ligado al C5' del nucleátido recién llegado. La duplicación del ADN se produce previo desenrollamiento de las dos cadenas de la doble hélice, usando cada una como molde para sintetizar las nuevas cadenas. 241 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros PROCESO Aunque los principios generales de la duplicación o replicación del ADN son sencillos y pueden considerarse como consecuencia directa de su estructura, el proceso requiere una maquinaria compleja que contiene una gran cantidad de enzimas y proteínas que actúan en conjunto. MÚLTIPLES PUNTOS DE ORIGEN Los cromosomas eucariontes tienen una gran cantidad de ADN, de enorme longitud. Si estas moléculas se replicasen a partir de un sitio único de origen, la etapa “S” de la Interfase sería extremadamente larga. Las células eucariontes resuelven este problema disponiendo de múltiples sitios de origen de la replicación en cada cromosoma. En ellos, el ADN presenta secuencias especiales de nucleótidos. En cada origen de replicación se forma una burbuja de replicación y allí se ubican las ADN polimerasas. Las burbujas van creciendo a medida que las hebras de ADN se abren y las ADN polimerasas van copiando y sintetizando las hebras hijas. Finalmente las burbujas “se encuentran” y una ADN ligasa une los fragmentos de ADN formados en cada burbuja. Los orígenes de replicación contienen tramos especiales de ADN compuestos por cientos de nucleótidos, que si bien son diferentes en cada origen, todos poseen una secuencia común de alrededor de una docena de nucleótidos denominada ARS. Las secuencias especiales de los orígenes de replicación se combinan con un complejo proteico mayor denominado pre-RC (pre-replication complex). Contiene tres complejos proteicos menores, de los cuales mencionaremos al ORC, éste se une al ADN. Si bien se ignora el mecanismo de acción del pre-RC lo hace cuando los orígenes son inducidos por un factor llamado SPF (factor promotor de la síntesis del ADN) que aparece al comienzo de la fase S. 242 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La separación de las cadenas de ADN da lugar en cada extremo de la burbuja, a una estructura con forma de "Y" llamada horquilla de replicación. Sus ramas representan a las cadenas de ADN separadas y el tronco a la doble hélice en vías de separación. Las dos horquillas que nacen en cada origen avanzan en direcciones opuestas y desaparecen cuando colisionan con sus similares de las burbujas contiguas al culminar el acercamiento progresivo entre ellas. Esto no ocurre con la horquilla que recorre el tramo distal del telórnero. REPLICÓN: es el segmento de ADN que se sintetiza a partir de un origen de replicación. La replicación concluye cuando se conectan entre sí todos los replicones. Se cree que cada replicón coincide con un lazo de cromatina en el ADN. Si para sintetizarse el ADN comenzara a replicarse a partir de uno de los extremos y avanzara hasta arribar al otro extremo, la síntesis tardaría en promedio 30 días. Sabemos que la fase S es de 7 horas aproximadamente. La rapidez se debe a los numerosísimos orígenes de replicación que existen a lo largo del ADN, entre 20 y 80 por cada lazo de cromatina, es decir por cada unidad de replicación. DESENROLLAMIENTO DE LAS CADENAS DE ADN En cada cromosoma, las dos cadenas del ADN se encuentran arrolladas una a la otra como los hilos de una soga. Si tratamos de separarlas, la soga comienza a torsionarse excesivamente. Algo similar ocurre en el ADN, cuando las cadenas complementarias se separan para iniciar la duplicación. En ese momento aumenta la tensión torsional en el sector no duplicado de la doble hélice, lo que supone un problema que ya veremos cómo se soluciona (lo resuelven las enzimas topoisomerasas). La separación de las cadenas, es realizada por la enzima ADN-helicasa, la cual recorre la hélice cortando los puentes H entre las cadenas complementarias del ADN. Se ubica una helicasa en cada horquilla, es decir, 2 por burbuja que avanzan en sentidos contrarios. 243 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Una vez separadas, las cadenas se pueden combinar con las proteínas SSB (single strand binding) en procariotas y con RPA (proteína A de replicación) en eucariotas, que evitan el autoapareamiento entre las bases complementarias libremente expuestas. En realidad, estas proteínas se ubican en una sola de las cadenas, la llamada “atrasada”. Vemos que una de las dos cadenas se va copiando “más lento” que la otra -ya veremos por qué-, y en ésa es necesario colocar las SSB (o RPA). A esa cadena se la llama cadena atrasada o discontinua y a la otra se la llama cadena adelantada o continua o conductora. La cadena atrasada es copiada por la ADN polimerasa alfa, y la adelantada por la ADN polimerasa delta. A medida que la enzima helicasa abre la doble hélice, dos enzimas complementarias: la topoisomerasa Iy la topoisomerasa II o girasa, van disminuyendo la tensión torsional acumulada por el superenrollamiento en el sector no replicado de la doble hélice. La topoisomerasa I primero corta una de las cadenas del ADN, la cadena cortada gira una vuelta en torno a su propio eje y finalmente la enzima vuelve a unir los extremos cortados. La topoisomerasa II corta las dos cadenas, las cuales luego de girar una vuelta alrededor del eje de la doble hélice, restablecen sus uniones. No se descarta que ambas enzimas sirvan para prevenir enredos en la molécula de cromatina fuera de la replicación, o sea en cualquier otro momento en que sea necesario aliviar tensiones o enmarañamientos de las hebras de ADN. También la topoisomerasa I actúa en la transcripción con el mismo objetivo. Ambas enzimas utilizan energía del ATP y se comportan como nucleasas (cortando las cadenas de ADN) y luego como ligasas (restableciendo las uniones fosfodiéster). Las topoisomerasas I y II se diferencian no sólo porque la primera corta una de las cadenas y la segunda corta las dos, sino también porque la topoisomerasa I realiza desenrollamientos de corto alcance y la girasa abarca una extensión de ADN bastante mayor. 244 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros LA DUPLICACIÓN DEL ADN ES BIDIRECCIONAL Recordemos que al abrirse la doble hélice se forma una “burbuja” de replicación, cuyo tamaño aumenta a medida que avanza la separación de las dos cadenas del ADN, fenómeno que se produce en ambos extremos de la burbuja en forma simultánea. Se establece de este modo, en cada uno de los extremos, una estructura en forma de Y, a la que llamamos horquilla de replicación y en la que se ubica una helicasa que va cortando las cadenas. Así cada burbuja tiene dos horquillas de replicación que a partir de un punto de origen común avanzan en direcciones opuestas. Las horquillas desaparecen cuando se van integrando a las burbujas contiguas. Las horquillas que recorren los telómeros desaparecen cuando se separa el último par de nucleótidos. También recordemos que el segmento de ADN que se sintetiza a partir de un origen de replicación (con sus dos horquillas), lo llamamos replicón. De este modo la replicación del ADN termina cuando se ensamblan los sucesivos replicones. Esto permite que el ADN se sintetice en un tiempo bastante breve para el ciclo de vida de una célula. LA SÍNTESIS DE ADN ES DISCONTINUA Una de las características de las ADN-polimerasas es que sólo pueden sintetizar en dirección 5’ 3’, por agregado de nucleótidos en el extremo 3’ de las cadenas nuevas. Es decir que leen de 3’ a 5’ y la cadena que van formando crece de 5’ a 3’. Sólo actúan de esta manera, al igual que todas las polimerasas (la ARN polimerasa sintetizaba igual). Como vimos, a medida que se separan las cadenas progenitoras en la horquilla de replicación, una presenta sus nucleótidos en dirección 5’ 3’ y la otra en dirección 3’ 5’. De manera que la primera al ser copiada debería formar una cadena hija en sentido 3’ 5’, algo que las polimerasas no pueden hacer. Las células solucionan esta situación utilizando estrategias distintas en la construcción de cada una de las nuevas cadenas: 245 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La cadena hija que se formó en dirección 5' 3’ se construye en forma continua mediante el agregado de nucleótidos en el extremo 3’ a medida que avanza la horquilla de replicación. En cambio la otra cadena hija es sintetizada de manera discontinua, en pequeños tramos, llamados fragmentos de Okazaki, los cuales se unen entre sí a medida que se sintetizan, por acción de la enzima ADN-ligasa. Cada fragmento de Okazaki posee cerca de 200 nucleótidos. Por lo expuesto, podemos decir que la síntesis del ADN es un proceso bidireccional, no sólo porque se produce en dos direcciones divergentes a partir de una misma burbuja de replicación, sino también porque las cadenas de la doble hélice son sintetizadas en direcciones opuestas. LA REPLICACIÓN ES SEMICONSERVATIVA Como las nuevas hélices de ADN están formadas por una cadena original (preexistente) que sirvió de molde y una cadena nueva (recién sintetizada) decimos que el mecanismo de replicación es semiconservativo. 50% del ADN original 25% del ADN original 246 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros INICIO DE LA SÍNTESIS DE ADN Para iniciar la síntesis de las cadenas complementarias se requiere además del ADN molde un cebador o primer, que consiste en una pequeña cadena de ARN de unos diez nucleótidos de largo que funciona como punto de partida para que la ADN polimerasa pueda seguir colocando nucleótidos. La síntesis del cebador es catalizada por una enzima llamada ARN-primasa y el mismo queda unido al ADN temporariamente. Una vez sintetizado el cebador, la síntesis continúa si la ADNpolimerasa tiene disponibles suficientes desoxirribonucleótidos trifosfatados (dATP, dGTP, dCCP y dTTP). Éstos se agregan en la cadena nueva de acuerdo a la secuencia de nucleótidos de la cadena que sirve de molde. Gran parte de la energía requerida durante la replicación la aportan los desoxirribonucleótidos trifosfatados, que hidrolizan los últimos dos grupos fosfato (liberando energía) cuando se unen entre sí. La cadena continua requiere un solo cebador que se forma al comienzo de la replicación, en cambio la cadena discontinua necesita muchos cebadores, uno para cada fragmento de Okazaki. Los cebadores luego son removidos por una nucleasa reparadora y su lugar es reemplazado por un fragmento de ADN equivalente sintetizado por la ADN-polimerasa beta. Finalmente la ADN ligasa va soldando los fragmentos de ADN resultantes. Entonces en principio tenemos 3 tipos de ADN polimerasas: ADNpolimerasa delta: sintetiza la cadena continua. ADNpolimersaba alfa: sintetiza la cadena discontinua. ADNpolimerasa beta: sintetiza los fragmentos de ADN que deben al final reemplazar a los cebadores (que eran temporarios). Cabe señalar que las ADN-polimerasas son sostenidas por un anillo proteico deslizante cuya proteína se llama PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen) mientras realiza el deslizamiento por la cadena de ADN. Este anillo o abrazadera deslizante evita que la ADN polimerasa se desprenda del ADN y deje de sintetizar. 247 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La ADN primasa y la ADN polimerasa alfa necesitan 4 segundos para construir el cebador y agregar los 200 nucleótidos de cada fragmento de Okazaki. COMPARAMOS CON TRANSCRIPCIÓN Ambos ADN y ARN se sintetizan en dirección 5' a 3'. Las ADN polimerasas son equivalentes a las ARN polimerasas. En la síntesis del ARN el ADN se transcribe sólo en los sectores que corresponden a los genes activos, mientras que en la replicación no queda ningún sector del ADN sin duplicar. El ARN copia sólo una de las cadenas y a medida que progresa la transcripción se despega de la cadena que le sirve de molde. En la replicación las dos cadenas del ADN se utilizan como moldes y una vez separadas no vuelven a juntarse, porque las hijas quedan unidas a las progenitoras. La replicación exige un número de enzimas mayor que la transcripción TELOMERASAS: son enzimas que dirigen la replicación del ADN en la zona correspondiente a los telómeros, que son los extremos de los brazos de los cromosomas (los extremos del ADN). Los telómeros se van acortando con cada ciclo celular y este fenómeno tiene relación con el envejecimiento celular. El acortamiento de los telómeros es un 248 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros evento normal de la duplicación: cada vez que se copian las cadenas, los extremos no pueden ser copiados y cada hebra de ADN hija es un poco más corta que la molde. A lo largo de las generaciones celulares se iría perdiendo más y más ADN hasta que se llegue a ADN útil lo cual supone un problema para la célula. Esto se evita periódicamente porque los tramos de ADN perdidos son reconstruidos, gracias al complejo enzimático ribonucleoproteico llamado telomerasa integrado por una pequeña pieza de ARN y varias proteínas. Se ha comprobado que las células normales provenientes de embriones o de individuos jóvenes se dividen más veces que las células procedentes de individuos de más edad. Entonces, se sugiere que las células envejecidas mueren antes debido a que sus telómeros una vez acortados no recuperan su tamaño y la muerte celular se produce cuando la longitud telomérica queda por debajo de ciertos límites. La causa del acortamiento de los telomeros derivaría de una reduccion progresiva de la síntesis de la enzima telomerasa a medida que transcurren las generaciones celulares Por el contrario en las células concerosas esta síntesis se haya aumentada lo cual daría lugar a disfunciones en los telómeros y a las perpetuas divisiones que experimentan estas células cuando se las cultiva. La duplicacion del ADN es: Simultánea: sucede en cada burbuja de replicación a la vez, una por cada origen de replicación, y luego se unen y pegan los múltiples fragmentos de ADN resultantes. Bidireccional: las dos cadenas hijas se construyen en direcciones opuestas y también porque las dos horquillas avanzan en direcciones divergentes. Asimétrica: la síntesis de la cadena adelantada es continua de un lado de la burbuja, y la de la cadena retrasada es de forma discontinua del otro lado. Semiconservadora: cada molécula de ADN recién sintetizado tiene una hebra molde y otra nueva. Al igual que el ADN, las histonas también se sintetizan en la fase S y se incorporan a los nucleosomas apenas el ADN es duplicado. Casi todas las copias (entre 20 y 50) de los genes de las cinco histonas se transcriben simultáneamente. Por tanto en la fase S la concentración de los ARNm de las histonas es muy alta, no sólo porque aumenta su síntesis sino porque disminuye su degradación. Los cromatosomas nuevos se forman con histonas viejas y nuevas, ya que las histonas nuevas se reparten al azar. 249 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros 3’ 5’ Dato: la compactación del ADN retardaría la replicación esto se comprueba cuando se compara la replicación del cromosoma X activo con la de su homólogo compactado (el corpúsculo de Barr). La de este último es bastante más tardía a pesar de que ambos cromosomas X son idénticos. Repasamos todas las estructuras que intervienen en la Replicación con su función: ADN: Nucleótidos trifosforados de desoxirribosa: PCNA (aro proteico deslizante): Enzimas ADN polimerasas: Al conjunto de todas las enzimas y proteínas comprometidas con las duplicación del ADN se lo denomina “Replisoma” alfa: beta: delta: Proteína SSB o RPA: Enzima helicasa: Primer o cebador: Enzima primasa: Enzima nucleasa reparadora: Enzima ADN ligasa: Enzima topoisomerasa I: Enzima girasa: Enzima telomerasa: Y no olvidemos los conceptos de Replicón, Orígenes de Replicación, Burbuja y Horquilla de Replicación, Cadena Contínua y Cadena Discontínua, Fragmentos de Okazaki. 250 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Después de la fase S en la que se lleva a cabo la duplicación del ADN, la célula entra en: c) Fase G2, postsintética o premitótica: corresponde al intervalo que queda entre S y el inicio de la mitosis. En esta fase la célula tiene 2n de número cromosómico y el doble de ADN (4c o 4n), debido a que cada cromosoma tiene dos moléculas de ADN. Durante G2, se produce una pausa, que le da a la célula un lapso durante el cual actúan mecanismos de seguridad para controlar -antes que la célula se divida- si las moléculas de ADN han completado su replicación y si fueron separadas. Se completa la duplicación de los componentes citoplasmáticos. También se producen las moléculas que serán necesarias durante la división celular. Por ejemplo las que formarán el huso mitótico. ETAPA DE DIVISIÓN Ocurre la distribución del ADN y del citoplasma en dos células hijas. Dura aproximadamente entre 30 y 90 minutos. En este período la cromatina se condensa formando los cromosomas. Los cromosomas como tales (cromatina condensada o enrollada al máximo) sólo existen durante la mitosis. La mitosis es un cambio visible al microscopio óptico, a diferencia de todos los cambios producidos durante la interfase que no pueden observarse al microscopio. Para tener una idea de la magnitud de la reproducción celular pensemos que un individuo adulto está formado por billones de células (1013) y que todas derivan de una sola el cigoto. Las células se reproducen: Para posibilitar el crecimiento corporal. Para reemplazar a aquellas que desaparecen por envejecimiento o muerte programada. Durante ciertas situaciones patológicas como la reparación de las heridas. Primero la célula duplica el contenido de su núcleo y de su citoplasma y luego se divide en dos. Las células somáticas se duplican a través de una división llamada MITOSIS y se forman “clones”: 2 células idénticas a la progenitora. Se conserva la diploidía (46 cromosomas). Las células germinativas se reproducen por MEIOSIS y de esta manera forman 4 células sexuales (gametas) que poseen variabilidad genética, es decir, son diferentes a la progenitora. El número de cromosomas se reduce a la mitad: se transforman en células haploides (23 cromosomas). 251 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros MITOSIS Es la división celular que realizan las células somáticas, en la que de una sola progenitora se originan dos células hijas con el mismo número de cromosomas y genéticamente resultan idénticas a la célula madre, salvo que ocurran mutaciones génicas o aberraciones cromosómicas. Ocurre durante la fase M del ciclo celular. Al comenzar la mitosis cada cromosoma es doble (formado por dos cromátidas) debido a la duplicacion del ADN en la fase S. Las cromátidas hermanas del mismo cromosoma son dénticas entre sí y cada una representa una sola molécula de ADN La mitosis puede ser dividida en dos grandes etapas: Cariocinesis: división del núcleo. Citocinesis: división del citoplasma. Esta última es la fase final que concluye de la mitosis. FASES DE LA MITOSIS: son cuatro: profase, metafase, anafase y telofase. Puede incluirse además la "prometafase", ubicada entre profase y metafase. PROFASE La cromatina comienza a espiralizarse y condensarse y aparecen los cromosomas como filamentos delgados visibles al MO (aún no llegan al máximo de espiralización). A medida que avanza la profase las cromátidas se hacen más cortas y más gruesas. Los centrómeros o constricciones primarias se vuelven visibles porque se les han asociado dos placas proteicas: los cinetócoros. Los cromosomas efectúan un movimiento centrífugo que indica que se acerca el momento de la desintegración de la envoltura nuclear. El nucléolo reduce su tamaño hasta que finalmente desaparece. Los centríolos ya duplicados migran hacia los polos celulares rodeados de MT en orientacion radial formando el áster. Debido a la desintegración del citoesqueleto la célula tiende a hacerse esférica, pierde sus contactos con las células vecinas o con la matriz extracelular, el RE y el Golgi se fragmentan en vesículas pequeñas. El hecho más destacado es el comienzo de la formación del huso mitótico. 252 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Los cinetócoros presentan dos caras: una externa, convexa donde se implantan los MT y otra interna en contacto con la cromatina del centrómero. Existe una enfermedad llamada esclerodermia en la cual se generan anticuerpos llamados “crest” que reaccionan contra los cinetócoros. Los genes que codifican a las proteínas cinetocóricas se hallan en los propios centrómeros en medio del ADN repetitivo satélite. procentríolo diplosoma Los centríolos ya estaban duplicados, porque comienzan a duplicarse durante la interfase, concretamente al final de la fase G1 o al comienzo de S. Recordemos que los dos centríolos del diplosoma se separan y cerca de cada uno aparece un procentríolo. Estos crecen lentamente durante las fases S y G2 y alcanzan su tamaño definitivo al comienzo de la profase, donde se visualizan los dos pares de centríolos. Cada par se encuentra en su matriz centrosómica, que también se ha duplicado. - PROMETAFASE Es un período de transición entre profase y metafase. En los últimos momentos de la profese la envoltura nuclear inicia su desintegración y ya en esta etapa desaparece por completo, por lo tanto los cromosomas se encuentran en el citoplasma algo más condensados y en aparente desorden. La lámina nuclear se desarma (por despolimerización de los laminofilamentos), la carioteca se desintegra en vesículas (como ocurre con el RE) y los complejos del poro quedan ligados a ellas. El huso mitótico completa su formación. Se observan las fibras cromosómicas o cinetocóricas donde se adhieren los cromosomas, las fibras polares y las del áster. Para indicar cuándo desaparece la membrana nuclear y cuándo se termina de formar el huso mitótico lo correcto es decir “prometafase” NO profase. Si no existe como posibilidad la prometafase, lo correcto es decir “al final de la profase”. METAFASE Como desaparece la membrana nuclear, el huso mitótico se ubica en el centro de la célula y los cromosomas se insertan en sus fibras a través del cinetocoro. Los cromosomas se ubican en el plano ecuatorial de la célula en forma perpendicular al huso. En esta etapa la cromatina se encuentra al máximo de su espiralización y condensación lo que facilita el estudio de los cromosomas. 253 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Cuando finaliza esta etapa los centrómeros se escinden y las cromátidas hermanas se separan constituyendo ahora cada una un cromosoma hijo simple. En las células humanas quedan dos juegos de 46 cromosomas hijos (y simples) cada uno. ANAFASE Se da la migración de los cromosomas hijos desde la placa ecuatorial hacia los polos celulares previa partición de los centrómeros (quienes mantenían unidas a las dos cromátidas). La migración se ve facilitada por las fribras cinetocóricas del huso mitótico. Los cromosomas suelen adoptar la forma de una "V". Al final de esta etapa se produce el agrupamiento de los 2 juegos cromosómicos hijos en cada polo celular y tambien ocurre la distribución más o menos equitativa de los organoides para las células hijas. Los MT de las fibras cinetocóricas se acortan progresivamente y aumenta la longitud de las fibras polares, debido al distanciamiento de los polos de la célula que pierde su forma esférica y adquiere un aspecto ovoide. Comienza a producirse la citocinesis con la aparición del surco de segmentacion. TELOFASE La llegada de los cromosomas hijos a los polos, y la desaparición de las fibras cinetocóricas marca el inicio de la telofase. La célula se ha alargado un poco más de modo que las fibras polares son más largas que las de la anafase. Se produce la reconstrucción de los núcleos de las células hijas. Las vesículas derivadas de la desintegración de la envoltura nuclear se asocian y construyen las cariotecas (a partir del RE) de los núcleos hijos con sus respectivos complejos del poro. Los laminofilamentos se repolimerizan y forman las láminas nucleares. Los cromosomas comienzan a desespiralizarse y extenderse formando las masas de cromatina. Se reconstituyen los nucléolos. El surco de segmentación o ecuatorial se hace más notorio por la presencia de un anillo contráctil formado por filamentos de actina y En resumen, ocurren miosina II, que se ubica por debajo de la membrana todos los procesos plasmática. INVERSOS de la En la región ecuatorial todavía quedan algunas fibras del profase huso mitótico originando el cuerpo intermedio o cuerpo medio, que son los MT remanentes. 254 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El citoplasma se estrangula aproximadamente a la mitad y se separan dos células hijas, concluyendo así la citocinecis y se inicia una nueva interfase en cada una. CITOCINESIS: se inicia en la anafase y concluye al final de la telofase. Tanto las fibras del áster como las polares se despolimerizan hasta desaparecer. Sólo sobreviven los tramos de fibras polares de la zona ecuatorial de la célula formando el cuerpo intermedio, junto con vesículas y material denso. El lugar donde se forma el anillo contráctil es determinado, al fin de la anafase, por los MT del áster, cuyos extremos libres se trasladarían al ecuador de la célula e inducirían a la polimerización de monómeros de actina debajo de la membrana plasmática. Se restablece el citoesqueleto, las células hijas adquieren la forma original de la célula antecesora y se conectan con otras células (si pertenecen a un epitelio) o a la matriz extracelular. Dirigidos por el citoesqueleto, las mitocondrias, RE, Golgi, se distribuyen en las células hijas como estaban en la célula madre. Durante la mitosis no se sintetiza ARN, porque el ADN se haya muy compactado. La síntesis proteica disminuye drásticamente durante la mitosis (al 25% respecto a la interfase). 255 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros REGULACIÓN DEL CICLO CELULAR En el control de las divisiones celulares intervienen dos tipos de moléculas: CICLINAS: llamadas así porque en el curso de cada ciclo celular alternan un período de síntesis creciente seguido por otro de rápida degradación. Existen varias clases de ciclinas cuyas concentraciones se elevan y descienden según el momento del ciclo celular. Las principales son la ciclinas G1 y la ciclina M (mitótica). Su función es activar a las quinasas. QUINASAS: son dependientes de las ciclinas, activadas por ellas. Son la Cdk2 y Cdc2. Actúan antes de la fase S y antes de la mitosis, deben unirse a las ciclinas para formar factores promotores. Si dichos factores no se forman, entonces no ocurre la síntesis de ADN ni la mitosis. La FASE S se produce cuando la ciclina G1 activa a la Cdk2: La ciclina G1 activa a Cdk2 quien inicia una cadena de fosforilaciones en sucesivas proteínas intermediarias. La cadena culmina con la activación de las moléculas responsables de la replicación del ADN. Para que la Cdk2 se active, la ciclina G1 debe alcanzar un determinado umbral de concentración. A partir de ese momento se unen y forman el SPF Factor Promotor de la Síntesis. Puede ser que la 256 La concentración de Cdk2 se mantiene constante a lo largo del ciclo celular. En cambio la ciclina G1 comienza a sintetizarse a partir del punto de arranque, aumenta durante S, luego comienza a declinar para desaparecer por completo en G2. Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros proteina U (“unstable protein”, que vimos en el punto R) actúe como SPF. El SPF induce la apertura de los orígenes de replicación y activa a moléculas involucradas en la síntesis de ADN como las ADN polimerasas, helicasa, etc. En cierto momento de la fase S la concentración de la ciclina G1 comienza a declinar, y cuando cae por debajo del umbral se separa de la Cdk2 y el SPF deja de existir. Las ciclinas se degradan en los proteasomas. La FASE M se produce cuando la ciclina M activa a la Cdc2: La ciclina M comienza a sintetizarse a partir de la fase G2 (antes que desaparezca la ciclina G1), cuando la ciclina alcanza un determinado umbral de concentración se une a la Cdc2 y componen un complejo llamado MPF factor promotor de la mitosis. Activada por la ciclina M, la Cdc2 fosforila a diversas moléculas: a las proteínas que regulan la estabilidad de los filamentos del citoesqueleto, a los laminofilamentos de la lámina nuclear, a la histona H1, etc. lo que desencadena la serie de eventos que vimos en profase, es decir: incia la mitosis. Éstos y otros fenómenos se revierten cuando concluye la división celular, ya que al desactivarse la Cdc2, las proteínas protagonistas se desfosforilan. La Cdc2 se desactiva cuando la concentración de ciclina M cae a un nivel inferior del que necesita para mantenerse unida a la quinasa, entonces desaparece el MPF. El inicio de la anafase dependería de un complejo proteico llamado APC (anaphase-promoting complex) o ciclosoma. Promueve la degradación de la ciclina M y propicia la destrucción de las proteínas centroméricas que mantienen unidas a las La disociación del MPF ocurre durante la anafase, pero cromátidas. se produce sólo si todos los cinetócoros se ligaron a las fibras del hiso mitotico esto asegura la normal segregación de los cromosomas hacia los polos. Vemos que las concetraciones de las quinasas (Cdk2 y Cdc2) son constantes, en cambio las de las ciclinas (G1 y M) crecen y decrecen según el momento del ciclo. Cuando la concentración de estas últimas llega al umbral adecuado, se unen a sus respectivas quinasas y se forman los factofes promotores SPF y MPF. Conclusión: Ciclina G1 + quinasa Cdk2 SPF se induce la fase S (se cruza el punto R). Ciclina M + quinasa Cdc2 MPF se induce la fase M (inicia la profase). 257 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros REGULACIÓN DE LA PROLIFERACIÓN Existen sustancias que pueden actuar estimulando o inhibiendo el ciclo celular. Las células que derivan de la segmentación de la célula huevo, poseen un mecanismo que en forma automática genera una división apenas concluye la anterior. Las células que no se dividen y permanecen en G0, en sus citoplasmas no poseen ciclinas ni quinasas, o probablemente hay factores que inhiben su proliferación. En las células restantes, la mitosis depende de sustancias inductoras que provienen del exterior. Las sustancias que INDUCEN la proliferación celular lo hacen en el punto de arranque, y el cambio que provocan en el receptor es el que promueve la síntesis de la ciclina G1. La secreción de las sustancias inductoras es regulada por mecanismos que tienden a mantener un número adecuado y constante de células de cada uno de los tipos celulares. Por ejemplo: la cantidad de eritropoyetina secretada (hormona estimulante de la producción de eritrocitos en la médula ósea) es proporcional a la destrucción de los glóbulos rojos en la sangre y aumenta a niveles considerables durante las hemorragias. Los FACTORES INHIBIDORES de la proliferación celular son las "chalonas", químicamente son polipéptídos o glicoproteínas. Son inhibidores endógenos que disminuyen el número de mitosis y prolongan la vida de la célula. No son específicas de la especie pero sí de los tejidos. Ej.: chalonas epidérmicas, chalonas linfocíticas, etc. Ejemplos de inhibidores exógenos: Antibióticos: algunos inhiben la síntesis proteíca en procariotas, por lo tanto inhiben el ciclo celular bacteriano. Medicamentos anticancerosos: bloquean las enzimas relacionadas con la síntesis de ADN y la división celular. Existe un control del estado del ADN antes de que la célula ingrese en la fase S. El mismo es ejercido por una proteína citoplasmática llamada P53, que es sintetizada por la misma célula en respuesta a la aparición de alteraciones en el ADN. El gen p53 que la codifica pertenece a una categoría de genes conocidos como “supresores de tumores”. La P53 se comporta como un factor de transcripción que 258 Si la proteina p21 resultara insuficiente para bloquear la Cdk2, tiene otro recurso: en el comienzo de la replicación se une al anillo de PCNA e impide su función. Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros promueve la expresión de los genes de otras proteínas reguladoras p21 y p16, que tienen como objetivo bloquear la actividad del Cdk2 la célula no ingresa en fase S y permanece en G1. Esto sucede cuando la célula dectecta alteraciones en el ADN, y de esta manera frena la división y evita que se siga perpetuando el error en próximas generaciones celulares. Si se comprueba que el daño es peligroso para las futuras generaciones la proteína p53 además provoca la muerte de la célula (por apoptosis) y con ello la desaparición del ADN dañado. Un poco más sobre el cáncer Muchos tipos de cánceres se producen por la acumulación de alteraciones genéticas. Si bien existen múltiples causas ambientales involucradas en la aparición de cuadros cancerígenos, es sabido que en ciertas familias algunos cánceres se manifiestan con una incidencia mayor que lo habitual, lo que ha llevado a investigar las bases genéticas de la enfermedad. El cáncer no se genera a partir de células normales que explosivamente se transforman en malignas. Surge al cabo de sucesivas generaciones de células que pasan por estados pre-cancerosos, cada vez más acentuados. Estos estados son consecuencia de la acumulación de alteraciones genéticas que finalmente instalan la enfermedad en algunas células descendientes. Hay dos clases de genes relacionados al cáncer Genes supresores de tumores: como el gen p53. Los derivados de estos genes inhiben la reproducción excesiva de células, por lo tanto cuando están defectuosos dejan a la célula sin esos frenos naturales y pueden ingresar en un estado de divisiones sucesivas descontroladas. Proto-oncogenes: son genes normales que codifican proteínas implicadas en el control de la proliferación celular, como ser factores de crecimiento, receptores para los factores de crecimiento, varias proteínas que actúan como factores de transcripción, etc. Cuando los protooncogenes se mutan originan oncogenes, que son las versiones defectuosas, lo que lleva a un aumento descontrolado de la proliferación celular. Diversos virus son portadores de oncogenes. Si bien varios cánceres que afectan a la especie humana se hayan asociados a infecciones virales (el virus de la hepatitis B aumenta la incidencia de carcinoma hepático, el virus del SIDA aumenta la incidencia del sarcoma de Kaposi, el virus HPV produce cáncer de cuello uterino), ninguno de los cánceres humanos es generado directamente por oncogenes transferidos por virus, sino que el mecanismo de malignidad celular en presencia del virus sería otro. 259 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros MEIOSIS Es un proceso de división celular complejo que se La palabra “meiosis” produce en células germinales, que son las que forman proviene del griego gametos en organismos que se reproducen sexualmente. meioum = disminuir Las células germinales se denominan espermatogonias en el hombre y ovogonias en la mujer. Entran en meiosis y luego de algunos procesos más de maduración y diferenciación forman las gametas (espermatozoide y ovocito). Todos estos procesos que ocurren para que se formen las gametas, incluida la meosis, se nuclean bajo el nombre de gametogénesis (espermatogénesis para el hombre y ovogénesis para la mujer) y tienen lugar en las gónadas (testículos y ovarios). Las células germinales también se reproducen por mitosis, de esta forma se “clonan” y proliferan, ampliando la cantidad de células germinales disponibles que pueden entrar en meiosis. El ser humano se origina por la unión de un gameto masculino que es el espermatozoide y uno femenino que es el ovocito (mal llamado óvulo). Para que al formarse el cigoto se reúnan los 46 cromosomas de la especie humana, cada gameta debe tener 23 (la mitad, número haploide o n). Es por ello que la meiosis es una división que se encarga de reducir a 23 el número de cromosomas, para que cada gameta finalmente sea haploide. *Las células germinales cuando comienzan la meiosis son diploides o 2n (46 cromosomas). La meiosis consiste en dos divisiones celulares consecutivas: División Reduccional: se inicia en las células germinales y se reduce a la mitad el número de cromosomas. Esta division o Meiosis I tiene una profase muy compleja que permite el intercambio genético y es muy larga (años) en la mujer. -Interfase o Intervalo Division Ecuacional: o Meoisis II, es como una mitosis común, pero ya con la mitad de cromosomas. 260 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros En el hombre la meiosis comienza en el espermatocito primario (versión ya “decidida a hacer meiosis” de la espermatogonia) y termina en la espermátida, la cual luego se transforma en el espermatozoide cuando le crece el flagelo. De una sola espermatogonia, se forman 4 espermatozoides. En la mujer de un ovocito primario (versión ya “decidida a hacer meiosis” de la ovogonia) se forma un óvulo (única celula fértil formada), ya que los otros tres elementos originados llamados cuerpos polares son células atróficas y se desechan. Al comienzo de la meiosis cada cromosoma es doble formado por dos cromátides por la duplicacion del ADN en la fase S. Es decir que la célula es idéntica a la que va a entrar en mitosis. De una célula diploide y con ADN duplicado (2n, 4c) se originan cuatro, pero con la mitad del número cromosómico (n) y con cromosomas simples (c), y un contenido genético distinto a la célula que le dio origen (variabilidad genética). En la meiosis se producen: Reducción del número de cromosomas a la mitad. La recombinación genética intercambio de segmentos cromosómicos. Segregación al azar de los cromosomas hom6logos maternos y paternos *Cromosomas homólogos: son los dos cromosomas virtualmente idénticos uno aportado por el padre y otro por la madre que conviven en las células diploides. ETAPAS Estas 6 etapas de la profase I de la meiosis I pueden tener además de terminación "nema", terminación "tene". Por ejemplo: leptonema o leptotene, (Reduccional) paquinema o paquitene, etc. (Ecuacional) 261 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros MEIOSIS I La division meiótica comienza después de varias divisiones mitóticas de las células sexuales precursoras: espermatogonios y ovogonios. En ambas células en un momento de la fase G1 de la interfase previa, se produce un cambio decisivo que las obliga a entrar en meiosis. PROFASE I PRELEPTONEMA: corresponde a la profase temprana de la mitosis. Los cromosomas se ven muy delgados y son difíciles de observar. LEPTONEMA El núcleo aumenta de volumen al igual que el nucléolo. Los cromosomas se hacen visibles. Pueden estar distribuidos al azar pero en general forman el "bouquet" es decir se agrupan con sus telómeros hacia la envoltura nuclear y el resto hacia la porción interna del núcleo, como formando un “arco”. Los cromosomas son dobles pero al M.O parecen verse simples (no se distinguen las dos cromátidas). CIGONEMA Recordemos que las células diploides presentan dos juegos haploides de cromosomas (46 cromosomas en total). Cada par de cromosomas posee uno que proviene del espermatozoide y otro del óvulo, o sea que cada uno está representado “por duplicado”. Cada uno de los cromosomas del par se llaman homólogos, y son semejantes en tamaño, forma y tipo de información hereditaria. Los cromosomas El complejo sinaptonémico homólogos formados puede comenzar en cualquier cada uno por dos punto de los cromosomas, en cromátidas se alinean y algunos casos los homólogos aparean se unen primero por uno de longitudinalmente, sus extremos y la unión proceso que se progresa hacia el otro conoce como sinapsis. extremo como un "cierre Al producirse este apareamiento se forma relámpago". un armazón proteico que queda entre las cromátidas contiguas. A esta estructura proteica se la llama complejo sinaptonémico (CS). El CS está integrado por dos componentes laterales y un componente central. 262 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La fijación de los telómeros a la envoltura nuclear ordena los cromosomas, favoreciendo el alineamiento de sus homólogos. Los CS, por sus extremos también se insertan en la envoltura nuclear, a través de engrosamientos llamados placas de fijación. El CS debe es un armazón proteico que se construye para que los cromosomas homólogos queden próximos y alineados, para que pueda suceder el siguiente paso que es el más importante: la recombinación de los homólogos. PAQUINEMA Es un proceso más largo que los anteriores. Su duración se mide en días, mientras que leptonema y cigomena se miden en horas. Los cromosomas han llegado al máximo de condensación y son más cortos, el apareamiento ya se completó. Los homólogos apareados aparecen con dos cromátidas cada uno: a este conjunto se lo denomina bivalente o tétrada y se compone por un cromosoma paterno y otro materno apareados por el CS. Las dos cromátidas de cada cromosoma homólogo se denominan hermanas. En esta etapa se intercambian segmentos entre las cromátidas homólogas: se producen rupturas transversales en las dos cromátidas, en ambas al mismo nivel, seguidas por el intercambio y la fusión de los segmentos intercambiados Este fenómeno es denominado crossing over o recombinación genética lo que dará lugar a la variabilidad genética A lo largo de los bivalentes sobre cada CS aparece una sucesión de nódulos llamados nódulos de recombinación, su número y localizaciones coinciden con los sitios de recombinación. Este nódulo constituiría un gran complejo multienzimático encargado de reunir a las cromátidas paternas y maternas y producir los cortes y empalmes necesarios para la recombináción. 263 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros DIPLONEMA Los cromosomas apareados comienzan a separarse aunque permanecen unidos en los puntos de intercambio o crossing over, adoptando la forma de cintas cruzadas, donde cada parte de contacto se llama quiasma (cruz). El complejo sinaptonémico se desintegra. El número de quiasmas por cromosoma es variable, puede oscilar entre 1 a 12, esto depende de la longitud de los cromosomas involucrados. La cantidad de quiasmas y sus ubicaciones suelen coincidir con los nódulos de recombinación. El diplonema es un periodo de larga duración: los ovocitos I llegan a esta etapa antes del séptimo mes de vida intrauterina y permanecen así como mínimo hasta la pubertad y como máximo hasta la menopausia. Esto es porque quedan “estancados” en esta fase durante toda la infancia de la mujer y hasta la pubertad. Cada ovocito I reanudará la profase I recién cuando sea ovulado. DIACINESIS Los cromosomas homólogos continúan separándose y los quiasmas desaparecen progresivamente porque se van desplazando hacia los extremos, lo cual se llama terminalización. Cuando termina esta etapa los homólogos quedan unidos sólo por los quiasmas. Acá finaliza la Profase I PROMETAFASE 1 Las tétradas se distribuyen homogéneamente por todo el núcleo. El nucléolo se separa de los organizadores nucleolares y desaparece Lo mismo sucede con la envoltura nuclear. A excepción del aspecto de los cromosomas, este estadío muy breve se asemeja a la profase tardía de la mitosis. Los centrómeros homólogos, todavía unidos por los quiasmas se desplazan juntos, cada uno de ellos sigue formado por dos cromátidas y se insertan en las fibras del huso mitótico a través del cinetócoro. 264 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros METAFASE I Los cromosomas homólogos unidos por los quiasmas se orientan hacia el plano ecuatorial de la célula. Cuando los cromosomas son cortos los quiasmas se localizan en los extremos de los homólogos (quiasmas terminales), cuando los cromosomas son largos, los quiasmas aparecen en varios puntos a lo largo de los ejes cromosómicos (quiasmas intersticiales). ANAFASE I Los cromosomas homólogos (en tétradas) se van separando fraccionados hacia los respectivos polos a través del cinetócoro. Los quiasmas se desplazan hacia los extremos libres hasta que finalmente se separan por completo. Cada uno de los cromosomas del par homólogo se desplaza hacia un polo diferente, (23 por un lado y 23 por el otro) unidos por su centrómero a las fibras del huso. La migración es al azar migrando juntos cromosomas maternos y paternos. Es decir que podrían ir por ejemeplo 20 paternos juntos a 3 maternos para un polo; y 20 maternos junto a 3 paternos para el otro. Es totalmente al azar esta distribución. Esto también origina variabilidad genética. Entonces éste es el otro momento clave de la meiosis, junto al Paquinema. El proceso de crossing over del paquinema (Profase I), y la migración azarosa de cromosomas paternos y maternos de la Anafase I son los 2 momentos que generan variabilidad genética y hacen que las gametas resultantes al final de la meoisis sean únicas e irrepetibles, diferentes entre ellas y a las células que les dieron origen. La diferencia esencial entre esta anafase y la que vimos en mitosis es que acá la separación es entre cromosomas homólogos, por lo que cada cromosoma sigue siendo doble al final, y en cada célula hija quedan sólo 23 (con 2 cromátides cada uno). En la anafase mitótica lo que se separaba eran las cromátides hermanas, por lo que cada célula hija recibía un cromosoma simple, pero seguían siendo 46. 265 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros TELOFASE I Es muy similar a la que vimos en mitosis. Los grupos cromosómicos haploides llegan a sus respectivos polos. En torno de ellos se regenera la envoltura nuclear. Los cromosomas se distienden. Se produce la citocinesis. Entones al finalizar la meioisis I, se producen dos células con número haploide de cromosomas -a partir de una diploide-, de allí el nombre de reduccional. La variabilidad genética se produce por los mecanismos de crossing over y la separación al azar de los cromosomas homólogos, los momentos más importantes de esta primera etapa. INTERFASE O INTERVALO Es corta y no hay duplicación del ADN. Cada cromosoma está formado por dos cromátidas. Quedan dos células hijas con número haploide de cromosomas (n = 23) y 2c de ADN porque cada cromosoma está formado por 2 cromátidas. Se puede decir que son diploides respecto al contenido de ADN. Cada célula tiene información genética distinta. En el varón: el resultado de la primera meiosis son dos células hijas parecidas denominadas espermatocitos II. En la mujer: luego de la meiosis I, debido a que el reparto del citoplasma es sumamente desigual se forman dos células de muy distinto tamaño: el ovocito II y el cuerpo polar (éste desaparece). Al cuerpo polar también se le dice "polocito", es una célula muy pequeña que contiene a los cromosomas homólogos y no participa en la perpetuación de la especie. 266 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros MEIOSIS II Es idéntica a una mitosis común, se separan cromátidas hermanas y sus centrómeros, pero la diferencia es que comienza de una célula haploide (n, 2c). Profase II: es muy breve, permite la reaparición de las fibras del huso y la desaparición de la membrana nuclear Metafase II: los cromosomas se insertan en las fibras del huso y se ubican en el ecuador de la célula formando la placa ecuatorial. Anafase II: cada uno de los 23 cromosomas separan las cromátidas hermanas debido a la tracción que las fibras del huso ejercen sobre los cinetócoros, el centrómero se divide, se forman los “cromosomas hijos” que son simples, y se dirigen a los polos de la célula. Telofase II: la formación de una nueva envoltura nuclear en torno del conjunto haploide de cromosomas y la particion del citoplasma pone fin a la meiosis. En la mujer: Luego de la meiosis II el ovocito II al partirse su citoplasma otra vez en forma desigual genera un óvulo que se queda con todo el citoplasma y un grupo de cromosomas y un segundo cuerpo o glóbulo polar o polocito II que se descartan o desaparece junto con el otro grupo de cromosomas. Hay que aclarar que en la mujer la meiosis II se interrumpe hasta que el ovocito II es fecundado. Recordemos primero que los ovocitos I se detienen en diplonema hasta que son ovulados. Cuando son ovulados reanudan la meioisis I, la temrinan, e ingresa en meiosis II, pero no la finalizan. Se quedan estancados en alguna fase de la meiosis II como ovocitos II. Si el óvulo no es fecundado, muere sin terminar nunca la meoisis II, en cambio si es fecundado reanuda la meiosis II, se transforma finalmente en óvulo, pero esto dura muy poco tiempo ya que instantáneamente se transforma en cigoto. Por lo tanto el “óvulo” como tal prácticamente no existe, lo correcto es decir ovocito II, pero se suelen usar como sinónimos. 267 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros En el varón: luego de la meiosis II, por cada espermatocito II se producen dos espermatides que luego se diferencian en espermatozoides. En la primera división meiótica se separan los cromosomas homólogos, en la segunda se separan las cromátides hermanas. Desde el punto de vista genético la meiosis puede considerarse un mecanismo destinado a distribuir al azar los genes paternos y maternos en gametos, tanto por la recombinación genética como por la segregación al azar de los cromosomas homólogos. Dado que el hombre posee 23 pares de cromosomas homólogos en las células predecesoras de los gametos, las combinaciones de segregación posibles son 8.388.608 (223). A lo que deben sumarse las incontables posibilidades de segregación de los genes mediante la recombinación. Duración de la meiosis: en el hombre alrededor de 24 días (14 lleva la profase I) y en la mujer tarda varios años (entre 10 y 50). Al final de la meiosis obtenemos 4 células haploides (aunque en la mujer sólo una), cada una contiene cromosomas simples con información genética recombinada. Esto asegura que la descendencia poseerá variabilidad genética respecto a los progenitores. 268 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros ¡Comparamos Mitosis y Meiosis! 269 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros GAMETOGÉNESIS Habíamos dicho que es el proceso por el que se forman las gametas en los organismos que se reproducen por reproducción sexual. Partimos de una célula germinal (espermatogonia u ovogonia) que debe diferenciarse en espermatocito I u ovocito I, realizar las divisiones meióticas y finalmente realizar la maduración final para llegar al espermatozoide u óvulo. Tanto el óvulo como el espermatozoide son células haploides y con cromosomas simples (1n/1c). ESPERMATOGÉNESIS Es el proceso por el cual se forman los espermatozoides a partir de una serie de cambios que se producen en las células germinales primitivas. En el embrión masculino las células germinativas primitivas provenientes del saco vitelino arriban a los esbozos gonadales y se incorporan a los tubos seminíferos en formación donde se convierten en espermatogonios. Entran en meiosis a partir de la pubertad, cada uno genera 4 espermátides luego de la misma. La profase dura 14 días y la meíosis se completa en 24 días. La espermatogénesis prosigue hasta una edad relativamente avanzada. A cada espermátide le crece el flagelo y se transforma en espermatozoide. OVOGÉNESIS Es el proceso por el cual se forma un óvulo y 3 células atróficas llamadas cuerpos polares a través de cambios que se producen en las células germinales primitivas. El proceso en la mujer es bastante más complejo y largo: En el embrión humano femenino las células germinativas primitivas aparecen en la pared del saco vitelino a los 20 días de la fecundación, de allí emigran a los esbozos gonadales donde en el embrión femenino se dividen y se transforman en ovogonios. Entre el tercer y séptimo mes de vida prenatal los ovogonios entran en meiosis y se convierten en ovocitos I, permaneciendo en diplonema hasta el cominezo de la pubertad. A partir de la pubertad en cada ciclo menstrual varios ovocitos I reanudan la meiosis I, pero se completa en uno solo (al que se le llama “dominante”) que se convierte en ovocito II, los restantes ovocitos degeneran en el ovario. Pueden ser dos o más los ovocitos I que completan la meiosis I. Esto explica la existencia de mellizos. El ovocito II es liberado por el ovario ovulación, e ingresa en la trompa de Falopio. Aunque ya inició la segunda división meiótica, sólo la completa si es 270 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros fecundado por el espermatozoide, de modo que el óvulo como tal no existe ya que lo es si se convierte en cigoto (no obstante se le puede decir óvulo al ovocito II). En la recién nacida el numero de ovocitos I es de alrededor de 1 millón, a los 12 años se reducen a 300.000, de los cuales cerca de 400 alcanzarán la madurez total, entre los 12 años y la menopausia. Es decir que la primera ovulación se completa a los 12 o 14 años (menarca), continúan con cada ciclo ovárico y se prolongan hasta los 45-50 años (menopausia). Los ovocitos pueden estar detenidos en diplonema durante 50 años hasta que a alguno le toque madurar. Entonces en la mujer la meiosis puede durar alrededor de 50 años. Lo que explica por qué a medida que aumenta la edad materna la proporción de aberraciones cromosómicas en la descendencia es mayor polar 271 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros FECUNDACIÓN Es el nombre que se le da a la unión de la gameta masculina con la femenina, para formar una nueva célula llamada cigoto, en las especies que tienen reproducción sexual. Es el paso que inicia el proceso de desarrollo embrionario, la formación de un nuevo ser. En la especie humana es la fusión de óvulo con espermatozoide, mediante la cual se reconstituye la diploidía (46 cromososomas) y se determina el sexo cromosómico del individuo. La fecundación ocurre en el tercio externo de la trompa de Falopio, donde arriba el ovocito secundario sin haber completado la segunda división meiótica, luego de la ovulación, ayudado por el movimiento ciliar. Durante la fecundación el ovocito secundario completa la meiosis, liberando el segundo cuerpo polar y se convierte en una célula haploide. El ciclo sexual en la mujer tiene cierta variación, sin embargo se toma como tipo aquel que presenta una duración de 28 días, ocurriendo la ovulación -es decir la salida del ovocito II del ovario hacia la trompa uterina- en el día 14 del ciclo. CARACTERÍSTICAS DE LOS GAMETOS OVOCITO El ovocito es una célula de gran tamaño (130 micrómetros) con microvellosidades en la membrana plasmática, salvo en la zona aledaña al núcleo. Posee 3 envolturas, de adentro hacia fueran son: La membrana plasmática, con microvellosidades. La membrana o zona pelúcida, que es material extracelular formado por una abundante cantidad de glicoproteínas entre las que se destacan las llamadas ZP1, ZP2 y ZP3 (por Zona Pelúcida). Estas glicoproteínas van a permitir el reconocimiento y adhesión con el espermatozoide. La membrana pelúcida rodea al ovocito y también permanece envolviendo al cigoto en sus primeras etapas por 7 días aproximadamente, hasta que se anida en el útero. La corona radiante o radiada, formada por células foliculares, unidas entre sí por material cementante rico en ácido hialurónico (recordemos que es un GAG). El ovocito además presenta un citoplasma 272 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros con abundantes gránulos corticales, que son vesículas con enzimas hidrolíticas y polisacáridos que participan de la “reacción cortical” según ya veremos. ESPERMATOZOIDE El espermatozoide posee una cabeza, un cuello y una cola. En la cabeza encontramos al núcleo y al acrosoma, derivado lisosómico que contiene varias enzimas hidrolíticas, destacándose la hialuronidasa y la acrosina con roles importantes durante la fecundación. El cuello contiene el cuerpo basal del cual nacen los MT del axonema. La cola contiene al flagelo, responsable de la motilidad del espermatozoide. Tiene varias partes: -Parte inicial: además del flagelo tiene un anillo de mitocondrias. -Parte media: tiene el flagelo y las fibras densas. -Parte terminal: sólo tiene el flagelo. El espermatozoide una vez formado debe sufrir algunos procesos para adquirir la capacidad fecundante: Maduración: ocurre en el aparato genital masculino adquiere movilidad. Capacitación: ocurre en el tracto genital femenino adquiere movimientos de hiperactivación. Reacción acrosómica: ocurre con la unión de las gametas. Movimientos de hiperactivación La capacitación da lugar a la aparición de movimientos muy enérgicos en el espermatozoide que se llaman hiperactivación. Así abruptamente los espermatozoides pasan de un tipo de movimiento suave y lineal a otro vigoroso y errático, intercalado con breves desplazamientos lineales. FASES DE LA FECUNDACIÓN La fecundación se inicia a partir del momento en que cerca de 100 espermatozoides completamente diferenciados establecen contacto con las células foliculares que envuelven al ovocito II. No más de ese número son los que llegan al tercio externo de la trompa. Se divide en las siguientes fases: 273 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Penetración de la corona radiante: luego de tomar contacto con la corona radiante cada espermatozoide con su acrosoma intacto trata de alcanzar la membrana pelúcida avanzando entre las células foliculares. Para esto construye una especie de túnel en el ácido hialurónico con la ayuda de pequeñas cantidades de hialuronidasa que lleva en su membrana plasmática. Esta enzima químicamente es idéntica a la contenida en el acrosoma. Así mientras la hialuronidasa digiere localmente el cemento intercelular, los movimientos de hiperactivación hacen avanzar al espermatozoide. Es probable que este mecanismo actúe como un filtro selectivo para que lleguen a la membrana pelúcida solo los espermatozoides más aptos. Reacción acrosómica: ocurre en la parte frontal del espermatozoide, cuando éste alcanza la membrana pelúcida y se pone en contacto con ella. Diversos mecanismos moleculares desencadenan procesos fusogénicos que conducen a la formación de múltiples fusiones entre la MP del espermatozoide y la membrana acrosómica externa, esto produce la formación de poros, por donde escapan las enzimas acrosómicas y finalmente la desaparición de ambas membranas. Cuando la ZP3 de la membrana pelúcida interactúa con el receptor específico de la MP del espermatozoide se genera, antes de la reacción acrosómica, una especie de reconocimiento y adhesión de los gametos. La reacción acrosómica hace posible: El desprendimiento de la corona radiante (denudación). El pasaje del espermatozoide a través de la membrana pelúcida. La fusión de las MP de los gametos. Denudación: consiste en el desprendimiento de la corona radiante. Las células foliculares se separan y se dispersan por la acción de la hialuronidasa que ha salido de los acrosomas, ya que ésta hidroliza la matriz cementante rica en ácido hialurónico que las mantiene unidas. 274 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Penetración de la membrana pelúcida: la membrana acrosómica interna queda expluesta cuando desaparecen la membrana plasmática y la membrana acrosómica externa de la cabeza del espermatozoide. Posee el receptor PH20 (Posterior Head) que interactúa con la ZP2 de la membrana pelúcida. Esto le permite al espermatozoide atravesar la membrana pelúcida en busca de la membrana plasmática del ovocito II. Lo consigue gracias a la acrosina, ya que ésta hidroliza el material que compone la membrana pelúcida y fabrica en ella un túnel que sigue una trayectoria diagonal. Al Igual que en la penetración de la corona radiante, el avance del espermatozoide se debe a la fuerza mecánica generada por los movimientos de hiperactivación. Fusión: si bien son varios los espermatozoides que atraviesan la membrana pelúcida, sólo uno establece íntimo contacto con la MP del ovocito II. Al ocurrir esto desaparecen los movimientos de hiperactivación. A continuación las partes de las membranas en contacto se fusionan y entre los dos citoplasmas se establece la continuidad que hace posible la entrada del contenido del espermatozoide al interior del ovocito. De parte del espermatozoide la MP involucrada en la fusión corresponde a la región ecuatorial de la cabeza. De parte del ovocito interviene cualquier zona de su extensa superficie, excepto la que rodea al núcleo (quien se encuentra aún detenido en segunda división meiótica). Una vez establecida la continuidad entre ambos citoplasmas, ingresan en el siguiente orden: parte posterior de la cabeza, cuello, cola y luego la parte anterior de la cabeza quien se introduce en el ovocito mediante un proceso que remeda una fagocitosis. La fusión de las membranas es mediada por proteínas fusógenas presentes en las dos bicapas lipídicas. Se han descubierto en el espermatozoide las DE (proteínas D y E) y la PH30. Poco se sabe respecto a las proteínas fusógenas de la MP del ovocito, sólo que no se encontrarían en la región aledaña al núcleo, ya que allí tampoco existen microvellosidades. 275 De todo el material incorporado, el ADN y el centríolo del espermatozoide sobreviven, pero las mitocrondrias y las fibras axonémicas desaparecen. Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Bloqueo de la polispermia: un solo espermatozoide debe fusionarse con el ovocito. Para que así sea, tras la fusión de los gametos se producen cambios en algunas estructuras del ovocito para neutralizar la entrada de nuevos espermatozoides. El origen de estos cambios se encuentra en la reacción cortical consiste en la exocitosis de las enzimas hidrolíticas contenidas en las numerosísimas vesículas de secreción, llamadas gránulos corticales, que el ovocito posee debajo de su MP. Entre las enzimas expulsadas desde los gránulos corticales se encuentra una proteasa que modifica la ZP3 e hidroliza ZP2 dicho cambio altera la estructura de la membrana pelúcida, lo que provoca la inmovilización y posterior expulsión de los espermatozoides atrapados en ella. Otro impedimento para la polispermia reside en la membrana de la célula huevo, que pierde la capacidad para fusionarse con las membranas de los nuevos espermatozoides que se acercan. La inhabilitación dependería de la presencia de algunos componentes recibidos de las membranas de los gránulos corticales que se integran a la MP de la célula huevo al producirse la exocitosis. Tiempos: el aumento de Ca+2 en el citosol comienza a producirse a los 10 segundos de iniciada Ia fusión de los gametos y la exocitocis de los gránulos corticales se desencadena en menos de dos minutos. Reasunción de la segunda división meiótica por el ovocito II: mientras bloquea la polispermia, el ovocito II reanuda su segunda división meiótica. Esto genera dos células haploides, el óvulo (que ya es la célula huevo) y el segundo cuerpo polar. La reanudación de la meiosis II es promovida por el DAG, quien activa a la quinasa C, la cual fosforila a las proteínas responsables del proceso. El DAG es un ……………………………………. Formación de los pronúcleos masculino y En los espermatozoides el ADN no se halla femenino: en la célula huevo, el núcleo haploide del espermatozoide pasa a llamarse pronúcleo masculino y el del óvulo, pronúcleo femenino. Mientras se tornan esféricos, ambos se dirigen a la región central de la célula huevo, donde se desenrolla la cromatina de sus cromosomas y se replica el ADN. asociado a histonas sino a proteínas básicas 276 llamadas protaminas, que compactan al ADN mucho más que las histonas. Cuando el espermatozoide ingresa en el ovocito las histonas reemplazan a las protaminas muy rápidamente, en menos de cinco minutos. Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Singamia y anfimixis: los pronúcleos se colocan uno muy cerca del otro en el centro de la célula huevo y pierden sus cariotecas esto se denomina singamia. Mientras tanto los cromosomas ya duplicados se vuelven a condensar y se colocan en el plano ecuatorial de la célula, como si fuera una metafase mitótica común esto se denomina anfimixis. En cada polo de la célula huevo existe un par de centríolos, los cuatro derivan del centríolo aportado por el espermatozoide, para lo cual primero debió duplicarse y luego los dos centríolos hijos debieron volver a hacerlo. La anfimixis representa el fin de la fecundación, con ella se inicia la primera división de segmentación de la célula huevo, es decir, el desarrollo embrionario. A tener en cuenta: -El ovocito II es la célula inductora y el espermatozoide la inducida. -El inductor es la glicoproteína ZP3 de la membrana pelúcida. -El receptor está en la MP del espermatozoide. Los espermatozoides llegan al óvulo por un proceso de quimiotaxis. 277 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros DIFERENCIACIÓN CELULAR Ya habíamos visto que es la capacidad que poseen las células de los organismos pluricelulares de especializarse para adaptarse a cumplir alguna función particular, y que depende en esencia de las proteínas que expresa predominantemente. En términos moleculares, la diferenciación celular significa actividad génica variada en las células de un organismo. La especialización de las células implica la síntesis de proteínas específicas como por ejemplo: hemoglobina en los eritrocitos, anticuerpos en los linfocitos, neurofilamentos en las neuronas, insulina en las células pancreáticas, gran cantidad de actina y miosina en miocitos, etc. Funciones de lujo y genes de mantenimiento Según lo dicho anteriormente, en cada tipo celular se expresa un conjunto de genes, distinto de los expresados en otros tipos celulares. Por ejemplo los genes que codifican para neurotransmisores sólo se expresan en neuronas, mientras que los que codifican para anticuerpos sólo lo hacen en linfocitos. Estos genes que se expresan en forma diferencial corresponden a las llamadas -en la jerga de la biología celular- “funciones de lujo”. Pero también algunos genes se activan en todos los tipos celulares y se llaman “genes de mantenimiento” y son necesarios para construir los componentes comunes a todas las células, como ser membranas celulares, ribosomas, mitocondrias, etc. Por ejemplo un gen que codifica para tubulina (proteína del citoesqueleto que deben tener todas las células), es un gen que se expresa en todas las céulas y por lo tanto es un gen de mantenimiento. La transcripción es el lugar más importante para regular la actividad de los genes Exiten diversos mecanismos que permiten a los genes activarse más o menos, y que actúan a nivel transcripcional: Factores de trascripción: son proteínas que se unen a los genes promotores y reguladores. Existen dos tipos: Factores de transcripción basales: son pocos y son los más conocidos. Son los mismos para casi todos los genes y por lo tanto son constitutivos. Son requeridos por la secuencia promotora de los genes se unen a la secuencia “TATA” para comenzar la síntesis del ARN. Son inespecíficos. 278 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Factores de transcripción específicos: son mucho más numerosos que los basales. Interactúan con la secuencia reguladora del gen y son particulares para cada gen. Pueden ser activadores o represores, según actúen sobre secuencias amplificadoras o inhibidoras. Son facultativos. Cromatina: la transcripción depende también del enrollamiento de la cromatina. La eucromatina es el sector donde principalmente se realiza la expresión de los genes. En la heterocromatina hay ausencia de actividad transcripcional. Se considera que la eucromatina y la heterocromatina facultativa son el resultado de procesos de diferenciación. Metilación: con la metilación de ciertas bases del ADN (dependiendo de la localización) hay inactividad transcripcional. Por ejemplo: la metilación a nivel del promotor puede abolir la actividad de un gen, mientras que muchas metilaciones en su región codificadora suelen no afectarla. Recordemos que también puede regularse la traducción de proteínas y el grado de desintegración de las mismas (recordar proteasomas). Todo esto hace a la diferenciación celular y a que existan diferentes tipos celulares. La diferenciación celular no acarrea perdida de información genética, ya que en todas las células del organismo, cualquiera sea su diferenciación, existen conjuntos de genes idénticos, que son los mismos que se hallaban en la célula huevo. 279 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros EMBRIOLOGÍA Los organismos multicelulares se desarrollan a partir de una célula huevo que tras sucesivas divisiones y diferenciaciones da origen a la totalidad de las células que componen los tejidos corporales. Primero el cigoto experimenta una serie de divisiones rápidas en las cuales se duplica sólo el ADN, por lo tanto los componentes de su enorme citoplasma se van repartiendo entre las sucesivas células hijas y se va reduciendo o segmentando con cada ciclo divisional. A estas divisiones se las denomina segmentación o clivaje. Las primeras células se llaman blastómeras. A partir del estadío de 16 células los citoplasmas se vinculan por uniones comunicantes (nexus) y las células periféricas se enlazan entre sí por uniones oclusivas. Este estadío adquiere la forma de una esfera sólida, con aspecto de mora, motivo por el cual se la denomina mórula (figura D). Luego el embrión se convierte en una esfera hueca, llamada blastocisto (figura E), en la que hay dos tipos de tejidos: El macizo celular interno primordio del futuro cuerpo del individuo y El trofoblasto que interviene en la formación de la placenta. Como vemos, la membrana pelúcida heredada del ovocito, permanece hasta el 7mo día aproximadamente. 280 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Luego de dos semanas el macizo celular interno da lugar a un embrión plano discoidal formado por tres capas epiteliales superpuestas que son el ECTODERMO, el MESODERMO, y el ENDODERMO, donde ya encontramos signos inequívocos de diferenciación. Cada una de estas láminas de tejido dará origen a determinados órganos y estructuras en el embrión. ¿Cómo se logra la diferenciación celular en estos estadíos tan tempranos del desarrollo? Se considera que el citoplasma de la célula huevo contiene asimétricamente distribuidas moléculas que se reparten de manera desigual entre las primeras células del embrión e influyen en su actividad genética. Estas moléculas se llaman determinantes citoplasmáticos del desarrollo y actúan como factores de transcripción específicos. En los embriones de mamíferos se propone el siguiente mecanismo para la generación de las primeras diferenciaciones celulares: durante el traslado del embrión por la trompa de Falopio, sus células serían alcanzadas por diferentes concentraciones de sustancias presentes en el medio, de acuerdo a las posiciones que ocupan en la mórula. Así, cuando más profunda es la ubicación de una célula en la mórula, menos concentradas le llegarían tales sustancias y esa disimilitud podría contribuir al desencadenamiento de las primeras direferenciaciones celulares. Las sustancias que ingresan al embrión se propagan de una célula a otra a través de las uniones comunicantes, apreciadas apenas se construye la mórula. Se denomina morfógeno a toda sustancia difusible que produce respuestas diferentes en células idénticas según el nivel de concentración con el que llega a ellas. 281 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El morfógeno se encuentra en el aparato genital femenino. La calidad de la respuesta, en este caso el tipo de diferenciación, se debería a que en las células inducidas se activarían genes distintos de acuerdo a la concentración del morfógeno. Entonces al formarse el embrión trilaminar las diferenciaciones son generadas por procesos inductivos. Las inducciones son procesos por los cuales las células de algunos tejidos incitan a las células de otros tejidos a que se diferencien, es decir a que se transformen en otros tipos celulares distintos. Para que las células puedan ser inducidas deben ser competentes es decir, tener la capacidad de reaccionar con un cambio o diferenciación ante la presencia de una sustancia inductora. Las células competentes serían las que tienen receptores específicos. Se generan mecanismos de comunicación intercelular, especialmente parácrina y -en etapas avanzadas del desarrollo embrionario- endócrina: aparecen inducciones mediadas por hormonas, es decir entre tejidos distantes. Las células adquieren el “compromiso” de cambiar antes que revelen estar diferenciadas. Este compromiso previo se llama determinación, es irreversible y puede ser fijado por un determinante citoplasmático o por una sustancia inductora (como ser un morfógeno). Existe entonces un periodo de latencia (que varía en cada tipo celular) entre el instante en que la célula queda determinada y el momento en que se hace evidente su diferenciación POTENCIALIDAD EVOLUTIVA Y SIGNIFICADO EVOLUTIVO FINAL Potencialidad evolutiva es la condición biológica que le permite a una célula generar un número determinado de células diferentes. Si puede diferenciarse y formar células diferentes decimos que posee potencialidad evolutiva, que es pluripotente, y se la denomina “célula madre” o “stem cell”. Cuando más grande es el número de tipos celulares que una célula es capaz de originar, mayor en su potencialidad. La célula huevo o cigoto es la que posee la potencialidad evolutiva más alta y es la más indiferenciada ya que tiene la capacidad de generar todas las células del organismo, decimos que es una célula totipotente, la célula madre por excelencia. 282 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Por otro lado, cuando una célula alcanza su máximo grado de diferenciación, su potencialidad desaparece, se dice que ha alcanzado su significado evolutivo final. Por ejemplo un hepatocito al reproducirse, sólo puede generar más hepatocitos idénticos, no puede diferenciarse más. Pero debemos saber que en situaciones vinculadas a la reparación de tejidos las células que ya han alcanzado su significado evolutivo final pueden desdiferenciarse y retroceder a su estado más primitivo, porque es imprescindible para su multiplicación. Ejemplo: si se extirpa una parte del hígado, algunas células del sector no extirpado se desdiferencian y multiplican, recuperando el tamaño del órgano, vuelven a diferenciarse y recobran las características de las células hepáticas originales, por lo tanto no pierden su capacidad de diferenciación. Podemos decir que potencialidad evolutiva y significado evolutivo final son inversamente proporcionales. Cuando la primera se va perdiendo, va aumentando la segunda, y visceversa. Los estados de diferenciación se mantienen estables y se transmiten a las células hijas, esto es la herencia de la memoria celular, se debe a que cuando el ADN se replica los elementos que controlan la expresión de los genes, se duplican también. MUERTE CELULAR La muerte celular programada es un fenómeno común durante el desarrollo embrionario, para: Eliminar tejidos provisorios (Ej: las membranas interdigitales durante la formación de los dedos). Remover células superfluas (la mitad de las neuronas producidas durante la neurogénesis). Generar conductos u orificios orgánicos. También es un fenómeno común y en gran escala en el organismo adulto para: Remodelar tejidos. Remover células innecesarias: dañadas, envejecidas (neutrófilos), redundantes (para mantener un numero adecuado) o potencialmente peligrosas como las tumorales, las infectadas o las autorreactivas (los linfocitos T aberrantes que atacan al propio organismo). 283 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Las células del organismo destinadas a morir a veces perecen para que sobrevivan las restantes puede decirse que protagonizan una inmolación o “suicidio biológico” con fines altruistas. Estas muertes celulares fisiológicas que comúnmente están programadas se llaman apoptosis, para distinguirlas de las muertes celulares accidentales producidas por traumatismos, sustancias tóxicas, afecciones vasculares, etc. llamadas necrosis. La apoptosis es una forma de muerte celular programada que se caracteriza por cambios tanto morfológicos como bioquímicos. Los cambios se producen en el siguiente orden: 1. Se desarma el citoesqueleto, de modo que la célula pierde contacto con sus vecinas o matriz extracelular y se vuelve esférica. 2. Se compacta la cromatina y las moléculas de ADN se fragmentan al ser cortadas por una endonucleasa a nivel del ADN internucleosómico. 3. El citosol y los organoides se condensan, aunque los segundos incluidos los lisosomas, permanecen intactos. 4. Los cortes en las moléculas de ADN llevan a la fragmentación del núcleo, que se reparte por el citoplasma en forma de piezas esféricas de cromatina compactada. 5. En la superficie de la célula aparecen protrusiones cada una integrada por un fragmento nuclear y un sector del citoplasma que lo envuelve. 6. Como se desprenden de la superficie celular, estas protusiones se convierten en vesículas apoptóticas con una pieza nuclear y organoides bien conservados en el interior. 7. Las vesículas son fagocitadas por macrófagos que concurren al lugar. 284 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La remoción de las células muertas se produce sin reacciones inflamatorias ni alteraciones de la arquitectura tisular (cicatrices). La apoptosis junto con la mitosis juegan un rol fundamental en la homeostasis celular, ya que es importante en la morfogénesis, en la eliminación de células dañadas o infectadas por virus. Sin embargo: Su activación aberrante puede producir enfermedades como SIDA, desordenes neurovegetativos, daño isquémico, etc. Una apoptosis deteriorada puede originar cáncer, desordenes autoinmunes e infecciones virales. ¡Comparamos! APOPTOSIS NECROSIS Se suprimen solo células aisladas. No hay respuesta inflamatoria. Se conservan estructuralmente los lisosomas La membrana no pierde su integridad. Requiere gasto de energía. Las células se contraen y forman los cuerpos apoptóticos. La muerte celular es por grupos. Hay respuesta inflamatoria significativa. Hay rupturas lisosomales. La membrana se desintegra. No requiere gasto energético. Se observa hinchazón y lisis celular. La muerte celular programada es dirigida por genes, al igual que la mitosis y la diferenciación celular. Por ejemplo la proteína P53 producida por el gen supresor de tumores p53, estabiliza la célula en G1 para controlar la existencia de daños en el ADN. Si la célula se va a dividir y los daños en el ADN son peligrosos para las células hijas, la P53 determina la apoptosis de la célula progenitora. Si el gen P53 esta mutado, las células pierden este control, la célula del ADN dañado sigue su ciclo y genera una estirpe celular que va acumulando errores en su genoma, propicios para la generación de tumores. 285 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros GENÉTICA La genética es la rama de la biología que estudia los fenómenos referidos a la herencia y a la variabilidad de las especies. La herencia es la transmisión de la información genética de un progenitor a su descendencia. La genética se asienta en la secuencia de bases del ADN quien se encuentra en el núcleo de las células. Gen: es una secuencia de ADN que contiene información requerida para fabricar una molécula de ARN y si ésta corresponde a un ARN mensajero, a partir de él construir una proteína. En cada gen encontramos la información que codifica el número y la secuencia de los aminoácidos de una proteína su estructura primaria, que es la que determina luego todas las demás. Genes alelos: en cada cromosoma de un par homólogo, el materno y el paterno, existen dos genes para controlar un rasgo o carácter heredable. Ambos genes constituyen un par alélico o alelos y codifican un mismo carácter. Se definen como las formas alternativas que puede presentar un gen. Ejemplo: los alelos que codifican la forma de la nariz pueden ser nariz recta o nariz respingona. CROMOSOMAS Al comenzar la división celular la cromatina se espiraliza fuertemente constituyendo los cromosomas, observándose como cuerpos coloreables al MO. Se los observa mejor con preparados aplastados donde el fragmento de un tejido se colorea con colorantes básicos como hematoxilina, giemsa, orceína y luego se comprime suavemente entre un portaobjetos y un cubreobjetos, procedimiento dominado Técnica de Squash. Los cromosomas entonces son un estado de superenrollamiento o condensación de la cromatina, es decir, estructuras formadas por una secuencia lineal de genes ligados entre sí y capaces de controlar las propiedades hereditarias de todos los sistemas genéticos pro y eucariotas. En ellos está depositada toda la información necesaria para que una célula funcione normalmente. Se ubican en el núcleo celular pero se manifiestan solo en la división celular. 286 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Datos: El ADN de cada cromosoma contiene entre 50 y 250 millones de pares bases. En la especie humana tienen un tamaño entre 4 a 5 μm. Al producirse modificaciones en los cromosomas, se producen mutaciones y selección de los seres vivientes. Los cromosomas pueden estudiarse mejor en metafase y anafase, ya que en estos periodos se encuentran al máximo de espiralización y condensación. El material genético de los virus y bacterias también se denomina “cromosoma” pero son mucho más sencillos (cromosomas desnudos). COMPONENTES DE LOS CROMOSOMAS Cromátidas: La cromátida es la unidad funcional del cromosoma. Cuando aparece el cromosoma en metafase, está formado por dos cromátidas (hermanas). Cada cromátida tiene una sola molécula de ADN, relacionado con proteínas histónicas y no histónicas formando los nucleosomas. Una de las cromátidas es copia de la otra y se formó en la fase S del ciclo celular. Por tanto, ambas cromátides hermanas tienen idéntica información genética, se unen a nivel del centrómero y se separan cuando se inicia la anafase, migrando hacia los polos opuestos conformando los “cromosomas hijos”. Entonces en metafase el cromosoma tiene dos cromátidas mientras que en anafase tiene sólo una. Constricción primaria: Es una zona de angostamiento donde el cromosoma se angula y lo divide en dos brazos, es una zona que tiñe poco y corresponde al centrómero o cinetócoro, sitio por el cual los cromosomas se unen a los MT del huso y también mantiene asociadas a los dos cromátidas cuando el cromosoma se duplica. En la constricción primaria los dos brazos del cromosoma se acodan. El centrómero es una región de heterocromatina constitutiva que se llama heterocromatina centromérica. No posee prácticamente actividad transcripcional, aunque sí codifica para las proteínas del cinetocoro. Telómeros: Son los extremos de los brazos de los cromosomas, que corresponden a los extremos 3´y 5´del ADN. Constricciones secundarias (olisterozonas): Son zonas adelgazadas cercanas a los extremos de los brazos, no poseen centrómero y el cromosoma no se acoda. No aparecen en todos los cromosomas, pero en aquellos que las tienen siempre se ubican en la misma posición y con igual forma y tamaño. Aparecen en los cromosomas denominados “acrocéntricos” que corresponden a los pares: 13, 14, 15, 21 y 22. 287 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Recordemos que en esta zona se encuentran los genes que codifican para ARNr, y se denominan organizadores nucleolares porque dan origen al nucléolo, que es quien forma las subunidades ribosomales. Satélite: Los cromosomas acrocéntricos poseen una pequeña masa de cromatina llamada satélite. El satélite se encuentra en el extremo de un brazo y tiene forma de cuerpo redondeado, está ligado al resto del brazo por un delgado tallo de cromatina que corresponde a la constricción secundaria. También se la llama SAT y los cromosomas que la poseen son cromosomas sat. Los satélites son constantes en cuanto a su ubicación dentro del cromosoma. FUNCIONES DEL CROMOSOMA Contienen la información genética. Son los encargados de llevar esa informacion a las células hijas. Son fundamentales en los procesos reproductivo, evolutivo y sufren mutaciones. CLASIFICACIÓN DE LOS CROMOSOMAS Según la longitud de sus brazos: Cromosomas largos, medianos, cortos y muy cortos. Según la posición del centrómero: Metacéntricos: el centrómero está ubicado en una posición más o menos central, entonces existe poca o ninguna diferencia en el largo de los brazos de las cromátidas Submetacéntricos: las cromátidas presentan un brazo corto y uno largo, porque el centrómero esta alejado del punto central. Acrocéntricos: (pares 13, 14, 15, 21 y 22) los brazos cortos de las cromátidas son muy pequeños, porque el centrómero se halla cerca de uno de los extremos. Los cromosomas acrocéntricos siempre poseen constricción secundaria y satélite. A excepción de la cromatina correspondiente al organizador nucleolar, el brazo corto de los cromosomas acrocéntricos está compuesto por heterocromatina. Telocéntricos: presentan el centrómero en un extremo y sólo se ven dos brazos largos. No se encuentra en humanos Ejercicio: clasificar: Los cromosomas también se pueden subclasificar según la posición que ocupan las constricciones secundarias y los satélites. 288 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros NÚMERO DE CROMOSOMAS Es constante para cada especie. La especie humana tiene 46 cromosomas. Las células de nuestro organismo pueden ser: Somáticas Sexuales Somáticas: Poseen 46 cromosomas: número diploide o somático, que se forma por dos juegos haploides (23 cromosomas cada uno) aportados por cada gameto en la fecundación. El número diploide se denomina 2n. De esos 23 pares de cromosomas, existen 22 que se llaman autosómicos o somáticos, y 1 que es el “par sexual” (el par n° 23), que puede ser XX o XY. Como los 22 autosomas paternos (del espermatozoide) tienen una morfología similar a los 22 autosomas maternos (óvulo), los cromosomas se organizan de a pares llamados homólogos, lo que no implica que tengan la misma información genética. En la especie humana existe un par de “cromosomas heterólogos”, se llaman así cuando los componentes del par son elementos diferentes esto ocurre con los cromosomas sexuales del hombre (XY): el cromosoma X es mediano y submetacéntrico y el Y es pequeño y acrocéntrico. Cada uno de ellos tiene dos regiones, una homóloga (compartida) y otra heteróloga (corresponde al sector del cromosoma X que no tiene su homología en el Y). Durante la meiosis, en el momento de la sinapsis y crossing over, sólo se aparean las regiones homólogas donde hay genes alelos que gobiernan los mismos rasgos. En cambio los genes que están ubicados en las regiones heterólogas son propios de cada cromosoma y por tanto se expresan dependiendo del sexo del individuo. Sexuales, germinales o gametos (luego de la meiosis): Poseen 23 cromosomas: numero haploide, es la mitad del número de cromosomas que tiene una célula somática. El número haploide se denomina n. De esos 23 cromosomas, existen 22 que se llaman autosómicos o somáticos, y 1 que es el sexual (el n° 23), que puede ser X o Y. 289 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros CROMOSOMAS AUTOSÓMICOS Y SEXUALES La determinación del sexo es tan importante que hay dos cromosomas para tal fin, que son los cromosomas sexuales llamados X e Y (un par), los demás son los cromosomas autosómicos (22 pares). En la mujer tenemos 44 cromosomas autosómicos y el par sexual XX. En el hombre tenemos 44 cromosomas autosómicos y el par sexual XY. El cromosoma X además de su determinante sexual tiene otros genes con información somática y en la mujer uno de los cromosomas X se mantiene enrollado y constituye la cromatina sexual. Los 46 cromosomas (autosómicos y sexuales) se hayan en todas las células del organismo, pero las células sexuales o gametas (óvulo y espermatozoide) poseen número haploide, entonces hay 22 cromosomas autosómicos y uno sexual. Número diploide (células somáticas): 44 cromosomas somáticos o autosómicos 2 cromosomas sexuales o gonosomas: XY en el hombre, XX en la mujer. Número haploide (células sexuales): 22 cromosomas somáticos o autosómicos 1 cromosoma sexual o gonosoma: X en el óvulo; X o Y en el espermatozoide. La mujer por tener el par sexual XX, sólo produce gametas X, decimos que es homogamética. El varón por tener par sexual XY, produce gametas X o Y, decimos que es heterogamético. CARIOTIPO E IDIOGRAMA El cariotipo representa al conjunto de cromosomas ordenados según un criterio preestablecido. El cariotipo reúne todas las características que permiten identificar a los cromosomas de una determinada especie (número, morfología, dimensiones, constricciones, satélites, etc.). Cuando representamos el cariotipo por medio de un diagrama, recibe el nombre de idiograma: es la agrupación en un diagrama de los cromosomas. 290 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Cariotipos de una mujer normal (izquierda) y de un varón normal (derecha). ¿Cómo se realiza? Para estudiar el cariotipo humano se usan cultivos de médula ósea, sangre periférica, piel o liquido amniótico. 1. El tejido es estimulado con sustancias que aumentan la proliferación celular, como la fitohemoaglutinina. 2. Luego al cultivo se le agrega colchicina que detiene a la mitosis en la metafase. 3. Las células se colocan en un medio hipotónico para que se hinchen y allí se separen los cromosomas. 4. Éstos finalmente se extienden sobre un portaobjeto, se fijan y se tiñen con Giemsa que es un colorante básico. 5. Se observan con el microscopio óptico y se microfotografían. 6. Los cromosomas se recortan y se ordenan con su homólogo correspondiente en orden decreciente según el tamaño de sus brazos en los primeros grupos se colocan los metacéntricos más largos y en los últimos grupos los acrocéntricos más cortos. El cariotipo es diferente para cada especie. Cuando los cromosomas tienen brazos de distinta longitud se los coloca con los brazos cortos hacia arriba. Las tres principales constantes cromosómicas son: tamaño, posición del centrómero y los satélites. Técnicas del bandeado cromosómico Son técnicas especiales de coloración que determinan la aparición de bandas claras y oscuras intercaladas a lo largo de los ejes longitudinales de los cromosomas metafásicos. La distribución de estas bandas es constante en cada cromosoma lo cual facilita su identificación. En los casos en que las ubicaciones no coinciden con los patrones normales, las bandas constituyen una guía muy valiosa para diagnosticar trastornos genéticos. 291 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Tipos de bandeado: Bandeado G: los cromosomas son tratados con tripsina, para desnaturalizar proteínas y luego se tiñen con el colorante de Giemsa, las bandas G que aparecen oscuras contienen ADN ricos en pares de nucleótidos A-T. Bandeado Q: los cromosomas son tratados con quinacrina, muestran bandas oscuras intercaladas con bandas brillantes. Las bandas Q coinciden con las bandas G, por lo tanto son ricas en pares de nucleótidos AT. Bandeado R: los cromosomas reciben calor Así se ven los cromosomas con la antes de ser teñidos con el colorante de Giemsa, técnica de bandeado se obtiene un patrón de bandas oscuras (bandas R) y claras inverso al conseguido con los dos bandeos anteriores. En las bandas R se encuentra una mayor proporción de pares de nucleótidos G y C. Bandeado C: tiñe de manera específica los tramos de cromatina que permanecen condensados en la interfase. Como la heterocromatina constitutiva de los centrómeros. 292 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros CAMBIOS ESTRUCTURALES EN LOS CROMOSOMAS- MUTACIONES MUTACIÓN: es un cambio que ocurre en la información genética, puede ser a nivel de una base nitrogenada, pocas bases nitrogenadas, o de cromosomas; y que ocurre en forma repentina, aleatoria y discontinua No es controlable Es sabido que en la producción de mutaciones en la formación de un nuevo ser, influye la edad materna, pero los factores más comunes que las producen son: Físicos: radiaciones ionizantes (radiación ultravioleta de la luz solar, rayos X y los rayos gama) Químicos: fármacos y vacunas. Biológicos: algunos virus son capaces de introducir segmentos de ADN extraños en los genes. Los virus son agentes causales de cáncer en humanos. Por ejemplo leucemia de células T. Todos estos agentes son más pelogrosos en mujeres embarazadas. Los agentes productores de mutaciones se llaman agentes mutagénicos. Algunas mutaciones se producen como consecuencia de procesos naturales. Durante el complejo mecanismo de duplicación del ADN suelen insertarse nucleótidos equivocados, alterarse el orden, o perderse alguno. El cambio de un nucleótido en un gen origina un codón diferente y en consecuencia la presencia en la proteína de un aa que no corresponde (salvo que justo el nuevo codón sea sinónimo y codifique el mismo aa). El cambio de un solo aminoácido produce alteraciones en las funciones de la proteína, porque la modificación de la estructura primaria, modifica la estructura secundaria y terciaria de la molécula. La pérdida o intercalación cambia el encuadre de los codones en el ARNm, entonces la mutación suele traducirse en una proteína aberrante o en la interrupción de su síntesis, si aparece un codón de terminación antes del lugar que corresponde. Pero... Las células cuentan con mecanismos para la reparación del ADN, mediante enzimas que reconocen, cortan y reparan los segmentos erróneos de ADN. Es la misma ADN polimerasa quien controla los errores que ella misma comete y los corrige, mediante una función adicional que se llama ”lectura de pruebas”. La ADN polimerasa ante la presencia de un nucleótido insertado incorrectamente, retrocede y lo elimina, una vez eliminado el nucleótido la síntesis progresa normalmente. 293 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Si falla esta lectura de pruebas, se pone en marcha un segundo sistema de reparación a cargo de una nucleasa reparadora que corta el segmento erróneo, la ADN polimerasa β sintetiza la pieza faltante y la ADN ligasa une esa pieza al ADN cortado. Esta función es importante para evitar defectos a nivel de la información genética y eliminan el 99,9% de los errores producidos durante la replicación, de modo que de los numerosos nucleótidos incorrectos insertados cada vez que se copian los millones de pares de nucleótidos del genoma humano, en promedio persisten errados sólo tres. La mutación puede ocurrir en células somáticas o germinativas. En el primer caso si bien pueden afectar el fenotipo del individuo no pasan a la descendencia, en cambio en las células germinativas se transmiten a la descendencia y se heredan de generación en generación. Si el individuo con la mutación muere antes de la edad reproductiva o no se reproduce, la mutación no se produce. Las mutaciones pueden: No tener efectos evidentes cuando afectan a una región no esencial del ADN: mutación “silenciosa” o “silente”. Tener un efecto positivo ya que a veces su acumulación en el genoma forja las condiciones para la aparición de individuos mejor adaptados al medio ambiente, base de la evolución de las especies. Tener efectos negativos ser causantes de enfermedades de origen genético: Si la mutación afectó a una proteína involucrada en la morfogénesis, las mutaciones se expresan como malformaciones congénitas anatómicas. Si la mutación afectó proteínas funcionales los cambios se traducen como trastornos metabólicos. Las mutaciones también pueden afectar a genes necesarios para la supervivencia de las células o genes involucrados en el control de la multiplicación celular (como por ejemplo el gen p53). En este último caso suele descontrolarse la proliferación de las células, con la aparición de cuadros cancerígenos. 294 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros CLASIFICACIÓN DE MUTACIONES Las mutaciones se clasifican en 2 grandes grupos: génicas o de punto, y cromosómicas. Mutaciones génicas o de punto, puntuales, puntiformes o submicroscópicas Son mutaciones en las que los cambios se producen a nivel molecular en el ADN. Se genera un cambio en uno o pocos nucleótidos, no visibles al microscopio. Además de los cambios citados en la duplicación del ADN existen mutaciones génicas espontáneas, ajenas a la replicación: Desanimación de las bases (pérdida de sus grupos –NH2): la C se convierte en U. Apurinización: una base, especialmente una purina, se desprende de la desoxirribosa de su nucleótido. En esos puntos llamados sitios AP (apurínico o apurimidínico) los genes no ofrecen información. Roturas en la doble hélice (producida por rayos gama y X). Formación de dímeros entre pirimidinas contiguas en una de las dos cadenas del ADN (producida por los rayos UV). Esta unión entre dos timinas vecinas distorsiona el apareamiento con las adeninas de la cadena opuesta lo que altera la replicación normal del ADN. Si una de las nucleasas que remueven los dímeros de timina es deficiente, se produce una enfermedad llamada xeroderma pigmentoso, caracterizada por una extrema sensibilidad de la piel a los rayos UV de la luz solar. La exposición de la piel a esas radiaciones da lugar a una alta incidencia de cáncer cutáneo. Transposones: son segmentos de ADN que saltan de un lugar a otro del genoma, ocasionando mutaciones espontáneas. Poseen en sus extremos secuencias de nucleótidos iguales, si se las lee en direcciones opuestas. Codifican una proteína llamada transposasa, que reconoce a esas secuencias en forma específica, las corta y las inserta en un sitio distinto del genoma. Sustitución de bases: cambia una base por otra distinta. Enfermedades producidas por mutaciones génicas: Producidas por genes anormales en cromosomas somáticos: Polidactilia: presencia de dedos supernumerarios. Albinismo: déficit de melanina. Producidas por genes recesivos anormales en el cromosoma sexual X: Daltonismo: dificultad para diferenciar ciertos colores. Hemofilia: déficit en la coagulación sanguínea Distrofia muscular de Duchenne: enfermedad muscular. 295 Son las enfermedades por “herencia ligada al sexo” Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Ejemplos de enfermedades producidas por mutaciones en los genes que codifican proteínas: Recesivas: anemia falciforme, la produce una mutación del gen que codifica la hemoglobina se forma una hemoglobina anormal. También fenilcetonuria y enfermedad de Tay-Sachs (recordar lisosomas). Dominantes: una forma de enanismo desproporcionado (acondroplásico) y la enfermedad de Huntington. Este tipo de mutaciones son objeto de estudio de la Genética Molecular. Se refiere a la secuencia de bases que constituyen los genes, la manera en que se expresan, la regulación de la expresión genética y la ingeniería genética. Conocer la secuencia de bases del ADN de todos los cromosomas humanos es lo que constituye el Proyecto Genoma. El Proyecto Genoma Humano (PGH) fue un proyecto de investigación científica con el objetivo fundamental de determinar la secuencia de pares de bases químicas que componen el ADN e identificar y cartografiar los aproximadamente 20.000-25.000 genes del genoma humano. El proyecto, dotado con 3000 millones de dólares, fue fundado en 1990 en Estados Unidos, y estaba conformado por múltiples científicos de diferentes países, con un plazo de realización de 15 años. Finalmente el genoma completo fue presentado en abril del 2003, dos años antes de lo esperado. Mutaciones cromosómicas, aberraciones cromosómicas o cambios microscópicos Son mutaciones en las que las alteraciones afectan la estructura y/o número de cromosomas, siendo visibles en el cariotipo al microscopio. Se subclasifican en mutaciones de forma y de número. MUTACIONES DE FORMA: Reducción, deleción, supresión o deficiencia: es la pérdida de un segmento de un cromosoma, puede ser: Terminal: hay una sola ruptura en un extremo del cromosoma. Intersticial: hay dos rupturas entre el centrómero y el telómero. Usualmente las deleciones son letales en la condición homocigota, lo que indica que la mayoría de los genes son imprescindibles para el desarrollo del organismo. Ejemplos de enfermedades por deleción: o El síndrome del maullido del gato, generado por una deleción en el brazo corto del cromosoma 5 provoca en los individuos múltiples malformaciones y un acentuado retraso mental, el niño emite un llanto extraño semejante a un maullido. o Puede ocurrir la deleción de una parte de uno de los cromosomas X y se genera un cuadro similar al de Turner 296 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros o Deleción del brazo corto o largo de uno de los cromosomas del par 18, produce alteraciones faciales, esqueléticas, oftálmicas junto con un profundo retardo mental. o Cánceres de pulmón originados por deleción en el cromosoma 3. o La deleción en el brazo largo de los dos cromosomas del par 13, provoca retinoblastoma. Duplicación: es el aumento de un segmento de un cromosoma. Muchos de los genes duplicados no se convierten en genes nuevos. Sino que se convierten de pseudogenes, que son incapaces de generar ARN. Como no sufren ninguna presión selectiva, estos pseudogenes, relativamente frecuentes en el genoma, acumulan mutaciones lo que puede convertirlos en genes funcionales. Producen efectos menos graves para los individuos que los producidos por las deleciones. Reordenamiento intracromosómico o inversión: Se produce una rotación de 180° de un segmento que invierte el orden de los genes dentro del cromosoma. Puede ser: Inversión paracéntrica: si sólo se realiza en un único brazo. Inversión pericéntrica: si el segmento invertido incluye al centrómero. Reordenamiento intercromosómico o translocación: hay dos tipos: 1. Translocación simple o recíproca: se produce al romperse dos cromosomas no homólogos e intercambiarse sus segmentos. Ejemplos: o La translocación de un segmento de uno de los cromosomas del par 21 a un cromosoma del par 13, 14, ó 15 genera síndromes de Down, pero menos graves y menos frecuentes (representan el 2% de los casos) y su aparición no guarda relación con el aumento de la edad materna. o A veces la presencia del segmento translocado se compensa por la ausencia del mismo segmento en un cromosoma del par 21, en este caso los individuos son fenotípicamente normales pero portadores de la aberración por lo cual pueden transferir la malformación a sus descendientes. o En la leucemia mieloide crónica aparece el llamado cromosoma Filadelfia producto de una translocación entre los cromosomas 9 y 22. En este caso luego de la translocación se forma un pseudogen. o En el linfoma de Burkitt se transloca una parte del cromosoma 8 al cromosoma 14. 2. Robertsoniana o de fusión céntrica: la rotura se produce al lado del cromosoma metacéntrico más grande. Se pierde un centrómero. Este proceso ha acontecido durante la filogenia de muchas especies en las cuales han aparecido cromosomas nuevos, pero su número se ha reducido. 297 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Relación citogenética entre el hombre y los grandes monos: el hombre tiene 23 pares de cromosomas y los grandes monos poseen 24, por lo que pudo haber ocurrido una translocación robertsoniana en su evolución. Se cree que el cromosoma 2 del hombre es el resultado de la translocación de dos cromosomas en los monos. Además 13 pares de cromosoma humano son casi idénticos a otros tantos pares de cromosomas del chimpancé y en los restantes cromosomas se observan inversiones pericéntricas y adición de material cromosómico. En los primates la evolución de los cromosomas ha sido consecuencia de fusiones, translocaciones y fundamentalmente inversiones pericéntricas de segmentos cromosómicos. Todo lo cual permitió selección a los genes que dieron origen al Homo Sapiens. Al igual que las mutaciones génicas las aberraciones cromosómicas estructurales pueden producirse espontáneamente, pero su frecuencia aumenta por la acción de agentes mutágenos. MUTACIONES DE NÚMERO: Se llama Euploidía al número normal (n) que puede estar repetido una o más veces. En humanos la condición diploide (2n= 46 cromosomas) de nuestras células somáticas es normal, así como la condición haploide (n= 23 cromosomas) de las gametas. Heteroploídia: se denomina así a cualquier alteración en el número cromosómico normal de una especie dada. Podemos tener dos tipos: Poliploidía y Aneuploidía. 298 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Poliplodía: existe un número superior de conjuntos haploides (más de dos, puede ser 3n, 4n, etc.) pero cada conjunto se presenta equilibrado cariotipo equilibrado. En las células triploides existen conjuntos haploides normales, en las tetraploides cuatro, etc. Se producen en las células somáticas por reduplicación de los cromosomas, y en las gametas por la no separación de los cromosomas en cualquiera de las dos divisiones meióticas. No son viables en células humanas normalmente en estos casos se producen abortos espontáneos Esta situación normalmente sí ocurre en el megacariocito, célula que da origen a las plaquetas sanguíneas, es 4n: 92 cromosomas o “tetraploide”. Algunas células del hígado son poliploides. Aneuploidía: se forma un número anormal por pérdida o ganancia de cromosomas, perdiéndose la proporción del número normal n o 2n el cariotipo no está equilibrado. Es decir que no tenemos el número normal, y tampoco son múltiplos del número normal. Es el caso en el que, por ejemplo, sobra un solo cromosoma, o falta uno, etc. Las aneuploidías se estudian según se generen en cromosomas somáticos o sexuales: Aneuploidías en cromosomas somáticos: Son casos en que “sobra un cromosoma”, habiendo 47 en total. Existe un par que presenta 3 cromosomas en lugar de dos, por lo que se denominan trisomías: La trisomía del par 21 provoca síndrome de Down o mongolismo. El síndrome de Down es una de las aneuploidías más difundidas. Los afectados presentan un profundo defecto en el desarrollo del sistema nervioso central, retardo mental y otras malformaciones. Es más frecuente a medida que aumenta la edad de la madre, pero no se observan recurrencias familiares. La trisomía del par 18, provoca el síndrome de Edwards. El niño es pequeño y débil, su cabeza se halla achatada lateralmente, los pabellones auriculares están mal desarrollados, las manos son cortas y las impresiones digitales son sumamente simples, presenta evidente retraso mental y la muerte ocurre antes del año de vida. La trisomia del par 13, provoca el síndrome de Patau. Aparecen múltiples malformaciones somáticas y retardo mental profundo, la cabeza es pequeña y a menudo los ojos son chicos o están ausentes, también son 299 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros frecuentes el labio leporino y el paladar hendido. En la mayoría de los casos la muerte se produce poco después del nacimiento. Las monosomías (falta de un cromosoma = tener 45 en total) en cromosomas somáticos son incompatibles con la vida humana, provocan abortos tempranos. Ya vamos a ver que sí pueden ser viables en cromosomas sexuales. Aneuploidías en cromosomas sexuales: Síndrome de Turner: hay 45 cromosomas 2n-1, Falta uno de los dos cromosomas sexuales, es una monosomía. Posee 44 cromosomas + X0. La cromatina sexual es “negativa”(-), es decir: no hay. Los individuos tienen fenotipo femenino, suelen ser de pequeña estatura, poseen membranas cervicales (pliegues de la piel que se extienden desde las mastoides hasta los hombros) y sus órganos sexuales son infantiles, el ovario no completa su formación y a causa de esta disgenesia ovárica no se desarrollan los carácteres sexuales secundarios. No suele haber retraso mental pero sí dificultades para las matemáticas y en el aprendizaje de la comunicación no verbal. La monosomía de tipo Y0 (lo que sería un varón con Turner), no es compatible con la vida. Síndrome de Klinefelter: ocurre en varones. Hay 47 cromosomas 2n+1, sobra un cromosoma sexual. Posee 44 cromosomas + XXY. La cromatina sexual es (+). Son fenotípicamente varones de apariencia normal pero presentan testículos pequeños, ginecomastia, tendencia a una talla elevada, obesidad y menor desarrollo de carácteres sexuales secundarios. La espermatogénesis no se produce. Lo cual determina esterilidad. La presencia de la tríada XXY en el par sexual es la variante más común (75% de los casos), pero las demás variantes con un cromosoma Y y al menos dos XX, también se denominan Klinefelter, aunque son menos comunes: Tipo Klinefelter: varones con 48 cromosomas (44 autosomas + XXXY) con dos cuerpos de Barr. Presentan los signos del Síndrome de Klinefelter sumados a retraso mental. Tipo Klinefelter: varones con 48 cromosomas (44 autosomas + XXYY), con un cuerpo de Barr, fenotipo masculino. Tipo Klinefelter: varones con 49 cromosomas (44 autosomas + XXXXY), con tres cuerpos de Barr. Presentan defectos esqueléticos, hipogenitalismo extremo y un coeficiente mental marcadamente bajo. Síndrome XYY: Los individuos poseen 47 cromosomas (44 autosomas + XYY). Se trata de varones con aspecto normal, altos, con trastornos de la personalidad. 300 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Síndrome XXX o Súper hembra: 47 cromosomas (44 cromosomas + XXX) hay dos cuerpos de Barr. Son mujeres de fenotipo prácticamente normal algunas presentan retardo mental o características psicóticas. Súper súper hembra: 48 cromosomas (44 cromosomas + XXXX) con tres cuerpos de Barr Presentan serio retraso mental. Mosaicos: en los tejidos de estos individuos conviven células con distintos complementos cromosómicos. 301 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Ejercicio: observar los cariotipos, identificar los síndromes, clasificarlos e indicar cuántos corpúsculos de Barr se observarán: 302 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros ¿Por qué se generan estas aneuploidías? Accidentalmente la segregación de los cromosomas homólogos en las divisiones meióticas puede fallar, no se separan y pasan juntos a una de las células hijas. Este fenómeno llamado no disyunción puede ocurrir tanto en la primera como en la segunda anafase de la meiosis. El resultado de una anafase no disyuntiva será que un gameto tendrá un cromosoma de más (24) y el otro uno de menos (22). Si uno de ellos participa en la fecundación, las células somáticas del nuevo individuo presentarán un número anormal de cromosomas, 45 ó 47 respectivamente. Conclusión: La meiosis no disyuntiva da lugar a un gameto aneuploide que cuando se une a un gameto normal, forma un cigoto portador de una aneuploidía. Si al gameto aneuploide le falta un cromosoma, el cigoto resultara monosómico en los individuos monosómicos se produce la pérdida de uno de los cromosomas. Recordemos que las monosomías solo pueden darse en los cromosomas sexuales. Si al gameto aneuploide le sobra un cromosoma, el cigoto será trisómico en los individuos trisómicos hay un cromosoma de más. La mitosis no disyuntiva puede ocurrir en la división mitótica que precede a la formación de los gametos o en las células derivadas de la división del cigoto. En el primer caso los efectos son similares a los de la meiosis no disyuntiva. 303 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros En el segundo caso dado que la no disyunción tiene lugar en los primeros estadíos del desarrollo embrionario, se originan mosaicos, es decir individuos que exhiben líneas celulares somáticas son cariotipos diferentes. Estas anomalías cromosómicas son objeto de estudio de la Citogenética: Estudia los cromosomas y sus posibles alteraciones. Permite el estudio genético de la evolución al poder compararse los genomas de las especies emparentadas. También hace un gran aporte a la sistemática para dilucidar interrelaciones entre diferentes categorías taxonómicas, ya que familias, géneros y especies se caracterizan por tener sistemas genéticos distintos. Las alteraciones cromosómicas más comunes en el hombre son las monosomías, trisomías y las aberraciones estructurales. Producen malformaciones congénitas graves, retardo mental y esterilidad, situaciones que actúan como mecanismos selectivos para eliminar de la población esos graves desequilibrios genéticos. Indicaciones de un estudio cromosómico Para pedir un estudio cromosómico, deben existir algunas de las siguientes causas: Antecedentes familiares. Antecedentes de nacimientos de niños polimalformados en la pareja. Antecedentes de muerte fetal. Fallas reproductivas. Edad materna avanzada. Métodos de diagnóstico Estudio del cariotipo. Aportan datos sobre anomalías cromosómicas. Técnicas de bandeo cromosómico. Análisis molecular del ADN Aporta datos sobre mutaciones puntuales. Para determinar modificaciones en los cromosomas sexuales: estudios de la cromatina sexual (aportan datos sobre el cromosoma X) o tinción con el colorante fluorescente quinacrina para el cromosoma Y. Se usan para determinar el sexo genético Estudios prenatales: obteniendo células fetales por medio de una amniocentesis o biopsia coriónica. Consultarías genéticas En caso de matrimonios que hayan tenido un hijo con malformaciones pueden concurrir a estos consultorios donde se puede obtener en términos de probabilidad la posibilidad que dichas alteraciones vuelvan a repetirse y también encuentran ayuda psicológica. 304 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros HERENCIA Las bases que rigen la trasmisión de los carácteres hereditarios deben buscarse en el comportamiento de los cromosomas durante la meiosis y en las consecuencias genéticas de esta división. La herencia es la transmisión de la información de un progenitor a su descendencia. Las características hereditarias están contenidas en el ADN, que forma los cromosomas, que contienen a los genes, que son las "unidades hereditarias”. Los genes regulan la expresión de los rasgos del individuo: color de la piel, del pelo, forma de la nariz, grupo sanguíneo, etc. Los conceptos de cómo pasan los genes de padres a hijos recién empezaron a ser comprendidos a principios del siglo XX, cuando se descubrieron los trabajos de Gregorio Mendel, que en realidad habían sido realizados en el siglo anterior. Mendel era un monje austríaco que cultivaba plantas de arvejas en el jardín de su monasterio en Brunn, Austria; y los estudios que realizó son reconocidos como la base de la genética. Mendel ideó experimentos sencillos: estudió sistemáticamente la forma en que se transmitían algunos rasgos muy notorios en arvejas de jardín durante varias generaciones y analizó matemáticamente los resultados. Mendel utilizó plantas de arvejas (pisum sativum) porque: Estaban cultivadas en su monasterio. Crecían fácilmente. Cada planta generaba mucha descendencia facilitaba el análisis estadístico. Era posible controlar los cruzamientos porque la flor permanece cerrada hasta la polinización, entonces la única posibilidad es la autofecundación. Presentaban variantes fácilmente diferenciables, semillas lisas o semillas rugosas, etc. Mendel muere en 1884 y en 1901 las teorías modernas y las nuevas investigaciones, permitieron redescubrir las leyes mendelianas. Se convirtió en el padre de la genética pero no llegó a saberlo. 305 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros PRIMERA LEY DE MENDEL Se aplica al comportamiento de un solo par de genes. Estudió la herencia de un rasgo por vez, haciendo cruzar plantas que presentaban variaciones contrarias de dicho rasgo, como: plantas altas con enanas, o plantas de flores rojas con plantas de flores blancas. Utilizó plantas de líneas puras, es decir que en condiciones naturales se autopolinizan y siempre conservan su característica como: plantas enanas que siempre dan plantas enanas. Utilizó plantas con semillas amarillas y verdes, con semillas lisas y rugosas, con flores blancas y rojas, de tallos altos y bajos, etc. Cuando hizo el cruzamiento de plantas puras de semillas amarillas con otras igualmente puras de semillas verdes (generación paterna a parental) obtuvo una primera generación de plantas hijas todas las cuales daban híbridos de semillas amarillas, a la cual llamó filial I. Híbridos: provienen de padres con distintas características genéticas y reciben de cada progenitor una dotación cromosómica distinta. Pero al permitir que estas plantas se autofecundaran obtuvo una segunda generación (filial 2) en la que el 25% de las plantas daban semillas verdes y el 75% restante eran con semillas amarillas. Asi comprobó que el color verde no se había perdido sino que estaba “latente”, pero recién se manifestó en la filial 2. Esto queda representado por: Mendel sostuvo que el color de las semillas era controlado por un "factor" que se transmitía a la descendencia por medio de los gametos. Ese factor (a lo que ahora llamamos gen) podía transmitirse sin mezclarse con otros. Mendel entonces enunció que: "los genes se separan en los híbridos de la filial 1, entran en gametos diferentes y se distribuyen en los híbridos F2". A este principio se lo denomina ley de la segregación de los genes. 306 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Esto ocurre en la anafase I meiótica cuando los cromosomas homólogos se dirigen a los polos opuestos y los alelos se segregan sin mezclarse. Entonces los factores no se pierden al pasar de una a otra generación, pero algunos de ellos son dominantes y ocultan a otros que son recesivos, los cuales sólo se manifiestan si están acompañados de otro factor recesivo. En nuestro ejemplo el factor para el color amarillo es el dominante y el de semillas verdes es el recesivo. Hoy en día es posible explicar los resultados de Mendel sobre la base del comportamiento de los cromosomas y de los genes. Estos se encuentran de a pares, uno en cada cromosoma homólogo y los dos miembros de cada par se denominan alelos. Para cada caso existen dos proporciones mendelianas: la genotípica y la fenotípica. Genotipo: es el conjunto de genes que presenta un individuo en cada una de sus células. No se observan en el individuo, sólo es la “información” que porta en sus genes. Fenotipo: representa a los rasgos que el individuo manifiesta y resulta de la expresión de los genes en interacción con el ambiente, depende del genotipo que posea. El fenotipo se extiende a todas las expresiones de los genes: tanto las visibles como el color de la piel, color de los ojos, como las que no se detectan por la observacion directa: tipos de hemoglobina, grupos sanguíneos, etc. SEGUNDA LEY DE MENDEL En nuevos experimentos Mendel cruzó plantas de líneas puras, pero ahora diferentes en dos características como: plantas con semillas lisas y de color amarillo (carácter dominante) con plantas de semillas rugosas y color verde (carácter recesivo). Luego del análisis su conclusión es el enunciado de la: 2° Ley de Mendel o ley de distribución independiente: describe el comportamiento simultáneo de dos pares de alelos cuando están localizados en cromosomas diferentes. “Cuando dos pares de alelos están situados en pares de cromosomas diferentes (no homólogos) cada par se hereda en forma independiente del otro ya que se reparten al azar en los gametos durante la meiosis.” 307 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Es decir que el modo en que alelos de un carácter ubicados en un par de homólogos se separan, es independiente de la segregación de los alelos de otro carácter ubicados en otro par de homólogos. Mendel en la 2° generación filial de 16 descendientes, encontró plantas con: Semillas lisas color amarillas 9 Semillas lisas verdes 3 Semillas rugosas amarillas 3 Semillas rugosas verdes 1 Las diferentes proporciones dependen de si los rasgos son recesivos o dominantes. Debemos aclarar que los ejemplos que vimos de cruzamientos genéticos responden al hecho de que durante la meiosis los cromosomas (y con ellos los genes) se distribuyen al azar en la descendencia. Pero cuando se realizaron estudios en la mosca Drosophila melanogaster se comprobó que la Ley de distribución independiente no tiene una distribución universal. Porque en los cruzamientos de dos o más pares de alelos existe una tendencia por parte de estos a quedar ligados, de modo que se produce una proporción de combinaciones diferentes de la esperada. La Drosophila posee sólo 4 pares de cromosomas, lo que eleva la posibilidad de que sus genes se encuentren en el mismo cromosoma. Si dos genes distintos A y B se localizan en un mismo cromosoma y sus alelos recesivos a y b en el cromosoma homólogo, se obtienen para esos genes dos clases de gametos: AB y ab y no los cuatros esperados (AB, Ab, aB, ab). La coexistencia de dos o más genes en el mismo cromosoma se denomina ligamiento. Pero estudios posteriores demostraron que el ligamiento no es absoluto y que se rompe con relativa frecuencia debido a la recombinación genética (crossing over). Es decir que el intercambio de segmentos entre las cromátidas homólogas que sucede en el Paquinema de la Profase I rompe el ligamiento. La frecuencia de recombinación entre dos genes ligados en un cromosoma depende de la distancia que los separa, los que se hallan próximos entre sí se recombinan con una frecuencia menor respecto de los que se encuentran apartados. CUADROS DE PUNNET: deben realizarse cuando queremos conocer el resultado de cruzamientos pero estamos evaluando dos carácteres. 308 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Ejemplo: hacer el cruzamiento entre dos individuos de la F1: Plantas con semillas lisas y de color amarillo. Plantas con semillas lisas y de color amarillo. Sabiendo que ambos son genotípicamente heterocigotas para sendos caracteres. Debemos tener en claro qué letra adjudicamos a cada carácter: Semilla lisa L (dominante). Semilla rugosa l (recesivo). Color amarillo A (dominante). Color verde a (recesivo). PASOS para hacer el cruzamiento: 1) Analizamos los genotipos de los progenitores y armamos los alelos: Progenitores: (son heterocigotas en este caso) varón mujer Ll x Aa Ll x Aa 2) Obtenemos todas las posibles gametas: LA La varón mujer lA LA La lA la la 3) Armamos el cuadro de 4x4 LA La lA la LA La lA la 4) Hacemos los 16 cruzamientos posibles (completamos las casillas) 5) Analizamos. Los resultados pueden ser analizados fenotípicamente. 9 hijos semillas lisas amarillas. 3 hijos semillas lisas verdes. 3 hijos semillas rugosas amarillas. 1 hijos semillas rugosas verdes. (Lo mismo que encontró Mendel) 309 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Podemos decir que la relación fenotípica de los hijos es “9:3:3:1”, o decirlo en términos de porcentaje. Todas las explicaciones de Mendel resultaron correctas y los "factores" que él propuso son actualmente los GENES Cada gen consta de dos copias en el mismo individuo, cada una de ellas se halla en un cromosoma homólogo y se llaman alelos, es decir hay pares génicos: uno en cada cromosoma homólogo de un determinado par. Entonces, se denominan alelos a las formas alternativas que puede presentar un gen. En el ejemplo de las arvejas el alelo para semillas amarillas (A) es dominante y el que determina semillas verdes (a) es recesivo. Se los indica con letra mayúscula y minúscula respectivamente (Aa). Repasamos las definiciones: Homocigota: se llama así al estado de un individuo que tiene un par de alelos idénticos para determinado carácter, es decir con la misma información. Puede ser: Homocigota dominante (AA) se expresa ese carácter dominante. Homocígota recesivo (aa) se expresa ese carácter recesivo. Heterocigota: se llama así al estado de un individuo que tiene en un determinado loci, un par de alelos diferentes para dicho carácter (Aa) en este caso se expresa el dominante, pero el individuo es “portador” del carácter recesivo aunque no lo manifieste, y podría aparecer en su decendencia. Si se manifiesta uno de los alelos sobre el otro, ese alelo es dominante y el que no se expresa es recesivo, ya que queda “enmascarado” por el otro carácter. Los genes recesivos sólo se expresan cuando el individuo es homocigota para ese rasgo, es decir, debe ser “homocigota recesivo” (aa). Entonces: Dominante: es aquel gen que se expresa tanto en estado hetero como homocigota. Recesivo: es aquel gen que sólo se expresa en homocigosis. Si el progenitor es heterocigota producirá gametas que lleven el alelo dominante y otras que lleven el alelo recesivo. Si es homocigota todas las gametas llevarán el mismo tipo de alelo. Conclusión: Los genes son unidades hereditarias independientes y se transmiten intactos de generación en generación, así determinan los rasgos físicos según sean dominantes o recesivos. 310 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Ejercicio: Un hombre rubio de ojos azules se casa con una mujer morocha de ojos negros. El hombre es homocigota para las dos características (dato innecesario), mientras que la mujer es heterocigota. Sabiendo que los ojos negros son dominantes frente a los azules y que el color de pelo morocho es dominante frente al rubio, ¿qué relaciones fenotípicas espera encontrar en los hijos? a) 4:4:4:4 b) 9:3:3:1 c) 4:5:4:3 d) 7:7:1:1 e) Ninguna es correcta Cuadro de Punnet: 311 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Tipos de dominancia DOMINANCIA COMPLETA Cuando están presentes un alelo dominante y otro recesivo en el mismo par génico, sólo se expresa el dominante. El rasgo dado por el alelo recesivo sólo se manifiesta si el individuo es homocigota recesivo para dicho carácter. La dominancia completa se explica porque el alelo dominante es un gen activo que regula la producción de "algo", por ejemplo de un pigmento, cosa que el gen recesivo no puede hacer. Ejemplo: el albinismo es una enfermedad que se debe a la ausencia de un pigmento en la piel, cabello y ojos, por eso los humanos albinos tienen piel color rosa pálido, muy sensible a la luz solar y sufren fotofobia. La alteración se produce por un alelo recesivo, incapaz de dirigir la producción del pigmento normal de la piel que es la melanina. Se manifiesta en homocigotas recesivos, mientras que heterocigotas y homocigotas dominantes producen normalmente melanina. Dos padres normales pero heterocigotas pueden tener un hijo albino, ya que ambos portan un alelo recesivo. Hacer el cruzamiento: DOMINANCIA INCOMPLETA Se da cuando un alelo no es dominante por completo sobre el otro, o el segundo no es completamente recesivo respecto a su alelo correspondiente. Entonces, no siempre se cumple la regla de la dominancia y la recesividad. En caso de heterocigosis se da un fenotipo intermedio respecto a los genotipos de los progenitores, pero no significa que se mezclan los alelos. Ejemplo: en la planta Mirabilis jalapa, de flores rojas y blancas, es posible encontrar un tercer fenotipo (flores rosadas). Los homocigotas dominantes (RR) tienen flores rojas ya que los alelos R regulan la síntesis de pigmento rojo para sus flores. Los homocigotas recesivos (rr) tienen flores blancas, pues el alelo r no es capaz de dirigir la síntesis del pigmento. Los heterocigotas (Rr) presentan flores rosadas, o sea un fenotipo intermedio ya que sólo un alelo R por célula resulta insuficiente para producir una cantidad normal de pigmento rojo. 312 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El cruzamiento de plantas heterocigotas, produce: ALÉLOS MÚLTIPLES - CODOMINANCIA - GRUPOS SANGUÍNEOS La herencia del sistema de grupos sanguíneos en los humanos es un ejemplo de alelismo múltiple. Son alelos múltiples porque existen 3 formas alternativas del gen que se denominan alelos A, B y O. Cada individuo sólo puede tener un par de alelos para el mismo gen, aunque en una población puede haber varios alelos. Los alelos A y B determinan la formación de moléculas en la superficie de los glóbulos rojos llamados antígenos o aglutinógenos A y B respectivamente. Son dominantes respecto al alelo O, que no codifica para ningún antígeno. Los alelos A y B son “codominantes” si están juntos en un mismo par génico ambos se expresan, o sea que el GR presenta antígenos A y antígenos B y la persona es del grupo sanguíneo AB. Codominancia significa entonces que dos genes alelos se expresan ambos estando juntos. Cuando dos alelos son codominantes determinan la formación simultánea de sus productos. Son codominantes entre sí y dominantes frente a un tercer alelo (en este caso el O). Completar: AA AO BB BO AB OO Genotipo Fenotipo HERENCIA MULTIGÉNICA O POLIGÉNICA O MULTIFACTORIAL Ciertos rasgos dependen de la acción de varios genes. En la especie humana son ejemplos: estatura corporal, peso, tasa metabólica, capacidades mentales, inteligencia, habilidades manuales, etc. 313 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros DETERMINACIÓN CROMOSÓMICA DEL SEXO En el ser humano la determinación sexual se transmite de generación en generación por medio de un mecanismo hereditario. En cada célula somática existe un par de cromosomas sexuales relacionados con esta determinación: XX: mujer XY: hombre Entonces la característica masculina está determinada por el cromosoma Y. La determinación del sexo se produce en el momento en que el óvulo es fecundado por el espermatozoide. En la mujer: todos los óvulos tienen cromosoma sexual X + 22 autosomas. En el hombre: la mitad de sus espermatozoides son X y la otra mitad Y (+22 autosomas). En la fecundación, entonces: Si un óvulo es fecundado por un espermatozoide con un cromosoma X, el individuo resultante será mujer (XX). Si un óvulo es fecundado por un espermatozoide Y, se concebirá un individuo de sexo masculino (XY). Es decir que el sexo es determinado por el padre Los cromosomas sexuales se comportan como homólogos durante la meiosis, si bien su tamaño es diferente y presentan una región no homóloga (heteróloga). Esta es la determinación cromosómica del sexo que ocurre durante la fecundación, pero además durante el desarrollo intrauterino importan la influencia hormonal y luego la diferenciación sexual postnatal. HERENCIA LIGADA AL SEXO Es la herencia ligada al cromosoma X. Se refiere a la herencia de carácteres regulados por genes que se encuentran en el sector heterólogo del cromosoma X. Las mujeres siempre poseen un par de alelos para estos genes, pero los hombres sólo tienen uno ya que el cromosoma Y carece de segmento homólogo a ése debido a este fenómeno la herencia es diferente según el sexo de la persona. Son genes recesivos que para que se manifiesten deben estar en estado homocigotas o hemicigotas: es la condición en la que hay un sólo alelo de un gen. Estas enfermedades ocurren con mucha más frecuencia en el hombre que posee la constitución hemicigota XY, en cambio en la mujer debe poseer ambos 314 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros cromosomas X con el gen que produce la enfermedad para que la misma se manifieste, caso sumamente raro Se dice generalmente que “las mujeres las transmiten y los hombres las padecen”. Es el caso de dos afecciones muy conocidas: daltonismo y hemofilia. Daltonismo: el alelo dominante determina visión normal, pero el recesivo indica ”ceguera parcial” para los colores. Una mujer homocigota dominante o heterocigota para ese gen, tendrá visión normal y solo será daltónica en caso de ser homocigota recesivo (caso poco frecuente). El daltonismo es bastante más frecuente en los varones, ya que es suficiente con que hereden un alelo recesivo de la madre para que el mismo se manifieste. Los genotipos posibles para la mujer son 3: Homocigota dominante: ambos cromosomas X tienen el alelo normal dominante la mujer es sana. Homocigota recesivo: ambos cromosomas X tienen el alelo recesivo que causa el problema es una mujer enferma. Heterocigota: un cromosoma X tiene el alelo normal dominante y el otro cromosoma X tiene el alelo recesivo que causa la enfermedad es una mujer sana, pero “portadora” del alelo que causa el problema. El hombre sólo tiene un cromosoma X cuyos genes se expresan libremente porque en el cromosoma Y no existe ningún alelo alternativo que pueda enmascararlo El hombre posee un genotipo hemicigota, y si el cromosoma X de su par sexual porta el alelo de la enfermedad, sí o sí se expresará en el fenotipo. O sea que el hombre posee sólo dos posibilidades: ser sano o ser enfermo, no puede ser “sano portador”. El gen afectado lo hereda de su madre, pero el hombre afectado no transmite la enfermedad a su hijo varón. Hemofilia: el alelo dominante determina la produccion del "factor VIII", uno de los factores involucrados en la coagulación de la sangre, mientras que el alelo recesivo es incapaz de dirigir la síntesis del mencionado factor. Los que padecen hemofilia (en general hombres) han recibido el alelo recesivo de su madre y necesitan medicación para que se produzca la coagulación. La hemofilia es mas frecuente en el grupo A que en el B. 315 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Las mujeres heterocigotas tienen fenotipo normal. Las homocigotas recesivas son muy raras pero en caso de darse, la hemofilia puede ser letal. Los hombres padecen la enfermedad con sólo recibir un alelo de su madre. HERENCIA INFLUIDA POR EL SEXO Hay ciertos carácteres del macho o la hembra que no están ligados al sexo, o sea no están en los cromosomas sexuales, la herencia ocurre a través de los genes ubicados en cromosomas somáticos, pero su expresión se ve influida por el sexo. Son rasgos somáticos influidos por el estado sexual Esto justifica por qué los machos y las hembras con genotipos idénticos presentan fenotipos diferentes. Ejemplos: Algunos tipos de calvicie en el hombre. La calvicie frontal es excepcional en la mujer pero bastante común en el hombre. Esto se da porque el gen relacionado con la calvicie modifica su expresión por la cantidad de testosterona presente. En las ovejas un sólo par de genes determina la presencia o ausencia de cuernos. El gen H = Presencia de cuernos, es dominante en el macho pero recesivo en la hembra. Su alelo h = Sin cuernos, es dominante en la hembra y recesivo en el macho. Entonces: -Un genotipo HH: va a determinar un animal con cuernos independientemente del sexo. -Un genotipo Hh: determinará un animal con cuernos si es macho y sin cuernos si es hembra. -Un genotipo hh: no se forman cuernos ni en machos ni en hembras. A tener en cuenta: Muchas de las características se heredan de acuerdo a la modalidad establecida por Mendel. Sin embargo con otras, o tal vez con la mayoría, los patrones son más complejos. Estas complejidades son causadas por interacciones entre los alelos, interacciones entre los genes e interacciones con el ambiente. Ningún gen trabaja solo la expresión de todos los genes está en cierta forma influida por muchos otros 316 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Árboles genealógicos Mirando un árbol genealógico detenidamente podemos sacar varias conclusiones sobre la enfermedad que se está observando, determinar si es autosómica o ligada al cromosoma X; y cuando es autosómica, si es dependiente de un alelo dominante o recesivo. También podemos intuir lo fenotipos y genotipos de los individuos. Algunas referencias que debemos conocer: En general podemos decir que: Si una enfermedad sólo aparece en varones en una familia, la misma es ligada al sexo, si aparece tanto en varones como en mujeres, es una enfermedad autosómica. Si una enfermedad aparece en todas las generaciones, es dominante, y si saltea generaciones, es recesiva. En el ejemplo más arriba, podemos decir que la enfermedad es autosómica dominante. Ejemplo de árbol genealógico de enfermedad ligada al sexo: El caso de la Reina Victoria I de Inglaterra: hemofilia. Las monarquías europeas se contagiaron de un peligro común desde el momento en que la reina Victoria I de Inglaterra dio a luz a nueve hijos fruto de su amor con el rey consorte, el príncipe Alberto. La reina, quien era portadora del gen de la hemofilia, legó esta maldición a tres de sus hijos. Estos la continuaron a lo largo de la Historia debilitando la sangre azul de la aristocracia europea. No hizo falta ningún arma para desangrar los varones de las distintas familias reales de Europa, emparentadas directamente con la soberana. Un enemigo imbatible se encontraba dentro de la propia genética de los descendientes de la reina. En el ADN real estaba escrita la tragedia y la muerte con tinta escarlata: la hemofilia (déficit del factor VIII), una maldición que cambiaría el curso de la Historia en el continente. ¿Cómo se inició la enfermedad en la reina? Existen dos teorías sobre la aparición de este mal dentro de la realeza. Lo únco claro es que su origen se remonta a Victoria I, de Inglaterra. Como ninguno de los progenitores padecían del déficit del factor VIII, se cree que o bien la 317 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros reina fue hija adulterina o bien fue uno de los rarísimos casos de mutación de novo (un gen que aparece por primera vez en una familia). Un capricho de la naturaleza que tiene una probabilidad de darse en una persona entre 15.000. En caso de que fuera el fruto de una relacion extramatrimonial, sería probable que la princesa Victoria de Sajonia Coburg – la madre de la reina– hubiera tenido un amorío fuera del lecho conyugal de su marido, el duque de Kent –supuesto padre de la emperatriz y hermano del rey Guillermo IV–. Con tan mala suerte que el amante resultó ser hemofílico, legándole el gen a su hija. De esta manera, un «affaire» aristocrático iniciaría el legado maldito de la enfermedad real. La gran tragedia que estaría al acecho de los sucesores del trono, todos hijos, nietos y bisnietos de «la abuela de Europa». Fuente: https://www.abc.es/historia Ejercicio: Clasificar las siguientes enfermedades según los árboles genealógicos, en (autosómica/ligada al sexo) y (dominante/recesiva): Dato: un individuo pintado a la mitad o con un punto significa “portador”. 1 3 4 2 Familia con albinismo Familia con polidactilia Ahora Deducir los genotipos y fenotipos de los individuos señalados: 5 Rtas: Heterocigota (sano portador) 2. Homocigota recesivo (enfermo) 3. Heterocigota (enfermo) 4. Homocigota recesivo (sano) 5. Heterocigota (portadora) 6. Hemicigota (enfermo) 1. 6 Familia con daltonismo 318 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros EVOLUCIÓN TEORÍAS SOBRE ORIGEN DEL UNIVERSO Teoría del Big-Bang (teoría actual): Según esta teoría toda la materia estaba concentrada en un minúsculo punto menor que un átomo, hasta que fue liberada en una gran explosión hace unos 15.000 a 20.000 millones de años y así se originó el universo. Esta enorme explosión generó calor, nubes de polvo y con posterioridad átomos de hidrógeno. Mucho más tarde se formaron los planetas y el sol a partir de esas nubes de polvo. El mundo está en continuo cambio, es dinámico. Origen del sistema solar: se originó hace 4500 millones de años por condensación de núcleos de materia. Del núcleo central, el más grande, se originó el sol y los planetas se originaron de los núcleos más pequeños. Origen de nuestro planeta: se remonta a ese período, la Tierra era una masa incandescente de materia que daba vueltas sobre sí misma. Luego de millones de años descendió la temperatura lentamente y comenzó a formarse una delgada corteza terrestre. Este enfriamiento progresivo permitió que aparecieran rocas, océanos y continentes. Composición de la atmósfera: se cree que la atmósfera inicial era “no oxidante”. Había algo de hidrógeno, nitrógeno y vapor de agua, pero no había oxigeno como O2 (oxígeno libre). TEORÍAS SOBRE EL ORIGEN DE LA VIDA En la antigüedad las distintas hipótesis sobre el origen de la vida se relacionaron con ideologías religiosas y filosóficas de la época y según el desarrollo de la ciencia alcanzado hasta ese momento. Así surgieron las siguientes teorías: IDEALISMO: postula que la vida ha sido creada por Dios. El espíritu es fundamental. En Biología se lo denominó: Vitalismo: sostiene que los organismos y los fenómenos biológicos son controlados por una fuerza superior y no por leyes físicas. Se descartó cuando se empezaron a descubrir nuevas especies. MATERIALISMO: sustenta la idea de que el espíritu no existe sin la materia. En Biología se lo denominó: Mecanismo: propone que sin materia no hay espíritu. De cualquier manera no explica cómo se originó la vida. 319 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros TEORÍA DE LA GENERACIÓN ESPONTÁNEA: ya desde los tiempos de Aristóteles (Siglo V aC.) se sostiene que las formas de vida más sencillas se originan por "generación espontánea". Un ejemplo de esta creencia es el origen de los gusanos a partir de la carne en descomposición o de los ratones a partir de granos de trigo húmedo, que parecieran formarse “de la nada”. En síntesis teníamos 2 corrientes básicas para la explicación de la vida en el planeta: Creada en forma sobrenatural. Originada a partir de materia orgánica en descomposición. En la segunda mitad del siglo XIX las creencias sobre el origen de la vida sufren un cambio fundamental a partir de los trabajos de Darwin (1859) y Pasteur (1862). TEORÍA DE PASTEUR o de la BIO-GÉNESIS: demostró que todo ser vivo se origina a partir de otro ser vivo preexistente. De todas formas se seguía creyendo en la posibilidad de la generación espontánea sobre todo en las primeras etapas de la vida en la Tierra. TEORÍA DE LA A- BIO-GÉNESIS o de la EVOLUCIÓN QUÍMICA o de OPARÍN-HALDANE: Oparín sostuvo que a la aparición de la vida le precedió lo que se ha denominado la evolución química: en la atmósfera primitiva había poco o nada de oxígeno libre y el hidrógeno, oxígeno, carbono y nitrógeno existían en alguna forma en la atmósfera y en las aguas de la tierra primitiva. Éstos por acción de la energía lumínica que provenía del sol, de la energía calórica de la tierra y de la energía eléctrica de los relámpagos originaron moléculas cada vez más complejas hasta llegar a las proteínas, finalmente recubriéndose de membrana dieron lugar a la aparición de las primeras bacterias productoras de metano, las que fueron evolucionando hasta formar seres vivos más complejos. Haldane propuso una teoría similar, casi en forma simultánea. Teoría de Miller y Urey: realizaron experimentos que apoyan la hipótesis de Oparín y Haldane. Otros experimentos sugirieron que el agrupamiento de moléculas orgánicas había originado estructuras de tipo celular llamados coacervados, que consistían en un fluido con macromoléculas, rodeados de una membrana externa. Esto forma parte de la evolución probiótica. 320 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros EVOLUCIÓN BIOLÓGICA- PRIMEROS ORGANISMOS 1. Los fósiles más antiguos datan de 3.500 millones de años y corresponden a bacterias formadoras de metano (CH4). 2. Luego se hallaron otros que datan de 3.400 millones de años, al formarse el código genético permitió que moléculas con información pudieran perpetuarse. Así, aparecieron los organismos unicelulares procariotas. Estas primeras bacterias eran anaerobias y tomaban la energía del "caldo primordial". 3. Hace aproximadamente 2.500 millones de años algunos organismos, aprendieron a utilizar la energía solar a través de la fotosíntesis, esto provocó que la atmósfera fuera cambiando, se oxigenara, y permitió la aparición de organismos aeróbicos. Los primeros organismos que aporta el registro fósil eran células muy parecidas a los actuales procariotas, entonces se cree que durante 2.000 millones de años los procariotas representaron la única forma de vida sobre la tierra, hasta que aparecieron las eucariotas. 4. Hace aproximadamente 1.500 millones de años se formaron las células eucariotas unicelulares. 5. Hace aproximadamente 750 millones de años aparecieron los organismos multicelulares que evolucionaron a partir de eucariotas unicelulares. Es importante que recordemos que en la evolución de la eucariota, participó la procariota aeróbica, prueba de ello es la gran similitud entre mitocondrias y células procariotas (Teoría Endosimbiótica). Las células eucariotas pudieron haberse originado por unión tipo simbiosis entre varias procariotas. El mismo origen se le atribuye a los cloroplastos. Ambos organoides poseen similitudes indiscutibles con las bacterias, como la posesión de su propio ADN, genéticamente diferente al que encontramos en el núcleo celular. Entre la edad de la tierra (4.500 millones de años) y la de los restos fósiles más antiguos (3.500 millones de años) queda un espacio de 1.000 millones de años en el cual, durante algún momento, se habría originado la vida. PROCESO DE EVOLUCIÓN ORGÁNICA Evolución: es un conjunto de cambios continuos a lo largo de extensos periodos de tiempo. Puede delinearse gracias a que un antepasado común origina diferentes organismos. La evolución orgánica es lo que ha permitido la diversidad de vida. La biósfera se encuentra en evolución continua. Es más rápido en los tiempos actuales, pero es muy lento como para ser observado por una sola generación. 321 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El estudio de la evolución incluye dos tipos de desarrollo: Ontogenia: es la formación y desarrollo individual de un organismo, considerado en forma independiente de la especie. Es la historia individual del organismo, que incluye el estudio de la embriología. Filogenia: formación y desarrollo de especies actuales y desaparecidas. Es la historia de grupos de organismos que han sufrido transformaciones en el tiempo que dan como resultado formas de vida distintas a las de sus ancestros. AMBIENTE PREDARWINIANO Aristóteles: creía que los seres vivos se ordenaban en una jerarquía a la que llamó Scala naturae: las criaturas más simples se ubicaban en el escalón más bajo, el hombre en el escalón más alto, y el resto de los organismos en el intervalo, en el lugar que les correspondía. Creacionismo: durante siglos la humanidad sostuvo la idea de la creación divina de las especies animales y vegetales. Fijismo o Teoría Fijista: sostenía que todas las especies se conservaban y se mantenían inmutables con el transcurso del tiempo. Linneo o Linné, creador del sistema binomial, integraba la corriente fijista junto a D’Orbigny. Catastrofismo: George Cuvier sostenía que habían existido formas de vida anteriores que habían desaparecido como consecuencia de catástrofes naturales. Creía también que aparecían nuevas especies por creación divina y que eran inmutables desde su creación hasta su extinción. Es decir apoyaba al creacionismo y al fijismo. En este contexto la generación espontánea era otra de las creencias muy difundidas. Pero estas teorías en algún momento empezaron a ser cuestionadas: Uniformismo: fundada por Hutton, geólogo, sostuvo que la tierra se ha moldeado por procesos lentos y graduales y no por acontecimientos bruscos (cuestiona el catastrofismo). Tampoco creía, como lo hacían los cristianos, en que la edad de la tierra fuera de 6000 años y advirtió que si bien algunos fósiles correspondían a animales conocidos, otros eran extrañamente raros. Transformismo: LeClerc de Buffon fue uno de los primeros científicos en dudar del fijismo. Sostuvo que las especies podían sufrir cambios en el transcurso del tiempo y creía que los cambios se producían por un proceso de degeneración, lo que explicaba la gran variedad de organismos. 322 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Esta corriente fue sostenida también por Erasmo Darwin (abuelo de Charles Darwin). Más tarde Kant también se opuso a la teoría fijista. Erasmo Darwin sugirió que las especies tenían conexiones históricas, que los animales podían cambiar en respuesta al ambiente y que esos cambios eran heredados por sus descendientes. En este marco surgió la idea de “cambio” o de “evolución”, comenzó a aceptarse que durante el paso del tiempo las especies sufren modificaciones que les permiten adecuarse al ambiente. Estas ideas fueron duramente resistidas por la iglesia, la sociedad e incluso por la misma sociedad científica, sin embargo las evidencias que se han acumulado hasta hoy, terminaron por darle peso a la teoría evolutiva. ESTAS EVIDENCIAS SON Registros fósiles: la paleontología es la ciencia que descubre, identifica e interpreta los fósiles. Fósil: “algo desenterrado”. Pueden ser huesos, dientes, tejidos duros, y también huellas o señales dejadas por los organismos primitivos y los actuales. Embriología: gracias al estudio de los embriones, permite determinar que todos los organismos tienen un antepasado común, ya que organismos que de adultos son muy distintos, embriológicamente son similares. Homología en la anatomía: las similitudes entre los seres vivos nos permiten distinguir tres tipos de órganos: Órganos homólogos: misma estructura, distinta función. Son los que tienen estructura semejante y un origen común, pero no necesariamente cumplen la misma función. Ejemplos: ala de un ave, aleta de un lobo marino. Órganos análogos: distinta estructura, misma función. Son los que en especies distintas tienen estructura similar y funciones semejantes, pero el origen es distinto. Ejemplos: alas de un ave y un insecto. Órganos vestigiales: son órganos o partes de órganos inútiles o atrofiados que fueron útiles en organismos ancestrales, pero debido a modificaciones ambientales o hábitos de vida el órgano se tornó no funcional. Ejemplos: vello corporal, muela del juicio, cóccix, apéndice, arteria sacra media. 323 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Biogeografía o distribución geográfica de los organismos: ya que existen ambientes similares poblados por organismos distintos entre sí, que por ocupar nichos ecológicos parecidos, presentan similitudes anatómicas y/o comportamentales. Bioquímica y biología molecular: permite comprobar la semejanza a nivel molecular entre distintos organismos. Se evidencia por: El enorme parecido en la estructura y función de biomoléculas como las proteínas. El material genético de todos los seres vivos es el ADN. La universalidad del código genético. La utilización del ciclo de Krebs. Cantidad de especies - taxonomía - biodiversidad: sirve como apoyo al proceso evolutivo porque posibilita conocer una gran variedad de especies y muchas otras que desaparecieron en edades remotas. Adaptación: se reconoce que existe una acomodación o reajuste perfecto de los seres vivos a su entorno natural o a un modo de vida. Las adaptaciones representan los cambios que ocurren gradualmente y que resultan beneficiosos para las poblaciones donde ocurren en respuesta a la presión selectiva del ambiente. Adaptándose los organismos aprenden a sobrellevar en las mejores condiciones posibles las situaciones ambientales. Ejemplo: la coloración protectora que les permite a los camaleones confundirse con el paisaje y engañar a sus depredadores. En el hombre se produjeron tres adaptaciones principales: 1) A la posición erecta: fue lograda gracias a: El desplazamiento hacia el medio del centro de gravedad, por la inserción de la columna vertebral debajo del cráneo y no detrás. La curvatura fisiológica de la columna. La conformación del pie como base de sustentación. El agrandamiento del hueso coxal y de la pelvis en general. La tonicidad de los músculos de la espalda y de los miembros inferiores. 2) A la alimentación omnívora: que fue lograda gracias a la especialización de la dentadura. 3) A los climas: debido principalmente a los acúmulos de grasa y al formato corporal. La especialización es una adaptación generalizada que involucra a todo el organismo: en el hombre la posición erecta se acompaña de modificaciones en la columna vertebral, pelvis, pies, músculos y cráneo, y en forma indirecta las modificaciones se extienden al cerebro. Variación: junto a la adaptación, son los dos hechos fundamentales de la evolución. Sirve como apoyo al proceso evolutivo porque posibilita establecer las diferencias entre los individuos. Las variaciones pueden deberse a: medio ambiente, herencia, mutaciones. 324 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros 1° TEORÍA EVOLUTIVA -Jean Baptista LamarckPropone: La generación espontánea es un hecho frecuente. Existe un impulso interno hacia la perfección. Los caracteres adquiridos se heredan. Los organismos se adaptan al ambiente gracias al desarrollo de los órganos más utilizados y a la reducción o atrofia de los inútiles. Lamarck interpretó el registro fósil como que las formas más simples daban lugar a las más complejas por acumulación de cambios. También consideró que todos los individuos de una población eran iguales por lo que las calificó de homogéneas. Uno de los puntos más discutidos de su teoría es la "herencia de los caracteres adquiridos": según Lamarck las modificaciones que los individuos adquieren durante su vida las heredan sus hijos. Analicemos el siguiente ejemplo: El registro fósil demuestra que alguna vez existieron jirafas de patas y cuellos cortos. Es necesario explicar el desarrollo desmesurado del cuello y patas de la jirafa, es decir, cómo es que evolucionaron para generar las jirafas como hoy las conocemos. Así explicó Lamarck el mecanismo involucrado: 1. Población original homogénea: todas las jirafas de esa población tienen patas y cuellos cortos. 2. Cambio ambiental: el ambiente se volvió más seco, desapareció la vegetación del suelo y sólo permanecieron los árboles. 3. Nuevas necesidades: alimentarse de las hojas de los árboles. 4. Impulso natural a la perfección: las jirafas deberían estirar el cuello y las patas para alcanzar esas hojas. 5. Adquisición de caracteres por el uso: el cuello y las paras se ibas estirando. 6. Herencia de caracteres adquiridos: cada nueva generación de jirafas nacían con patas y cuellos cada vez más largos. 325 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Errores de Lamarck Hoy se sabe que las poblaciones no son homogéneas, y que los caracteres adquiridos no se heredan Ej.: el hijo de un fisicoculturista no posee el desarrollo muscular de su padre, que lo adquirió con la práctica. También sabemos que el uso de un órgano no lo desarrolla ni el desuso lo atrofia, éste es un mecanismo que en determinadas condiciones sucede en los músculos, pero no ocurre en todos los órganos. Y sabemos además que ningún ser vivo surge por generación espontánea. Sin embargo los desaciertos de su teoría son totalmente comprensibles para el contexto de la época, nada se conocía en ese entonces de genética/herencia/origen de la vida. A pesar de todo, fue el primero que sugirió que los organismos pueden sufrir cambios con el transcurso del tiempo y que dichos cambios son consecuencia de un proceso natural y no de la acción divina sobrenatural. Charles Lyell: fue un geólogo que se opuso al catastrofismo y presentó nuevas pruebas que sustentaban el uniformismo de Hutton. Lyell influyó notablemente sobre Charles Darwin, sostenía que las fuerzas naturales lentamente y en forma acumulativa producían un cambio continuo en el transcurso de la historia de nuestro planeta. 326 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros 2° TEORÍA EVOLUTIVA -Teoría Evolutiva de Charles Darwin o del Gradualismo Evolutivo o de Darwin y WallaceDarwin fue quien descubrió el mecanismo de la evolución hoy aceptado que es la selección natural, luego de una expedición a bordo del Beagle. Al momento de iniciar su viaje alrededor del mundo estaba al tanto de la obra de Charles Lyell y también de la teoría de Lamarck, habiendo recibido además el legado de su abuelo Erasmo. Durante el viaje observó detenidamente las distintas especies en su ambiente natural y descubrió que las poblaciones son heterogéneas. Concretamente, en el archipiélago de las islas Galápagos se dedicó a recolectar y estudiar plantas, fósiles y formaciones geológicas de costas e islas, catalogando miles de especies animales y vegetales. Uno de los casos más conocidos fue la observación que realiza de los pinzones y cómo sus variaciones encajaban en el ambiente donde vivían: sus picos eran diferentes según la forma de alimentación del lugar. Ejemplo: los que se alimentaban de semillas tenían picos robustos y gruesos, los que se alimentaban de insectos tenían picos más finos. Thomas Malthus (clérigo y economista) influyó sobre Darwin cuando observó que las poblaciones humanas aumentaban su tamaño en forma geométrica hasta que factores ambientales las frenan. Darwin pensó entonces que el potencial está limitado por alguna fuerza que hace que sólo algunos individuos alcancen la edad reproductiva y se reproduzcan con éxito. Interpretó estos conceptos considerando que en la lucha para la supervivencia se preservan las variables favorables y se destruyen las desfavorables. Como resultado de esto se produce una adaptación de especies al medio e incluso la aparición de nuevas especies, pero para este último fenómeno es necesario "tiempo". Así como en la selección artificial es el hombre quien selecciona las variantes, en la Selección Natural este papel lo cumple el ambiente. La fuerza que limita el potencial reproductivo de una especie está dada entonces por las condiciones del ambiente. También entendemos que en ambientes distintos se seleccionarán fenotipos diferentes. Junto a Darwin, surgieron los estudios de Alfred Wallace, quien concluyó también que la evolución se producía por selección natural. En 1858 le envió a Darwin un estudio sobre sus trabajos. 327 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Darwin logró demostrar que la evolución orgánica era un hecho y que el mecanismo que la producía era la selección natural, definida por Darwin coma “la supervivencia del más apto” Conclusiones de Charles Darwin: Existen variaciones entre los miembros de las poblaciones, que son casuales y no predeterminadas. El proceso evolutivo es gradual y continuo. Los organismos originan otros organismos similares. En los descendientes hay variaciones. En cada generación se produce un número de individuos mayor que los que pueden obtener alimentos y sobrevivir. Las especies compiten entre sí frente a los recursos limitados en una lucha por la supervivencia. Se seleccionan los organismos que habrán de sobrevivir y reproducirse entre los que tienen características más favorables y transmitirán las características a la generación siguiente. Estas ideas dan origen a la lucha por la existencia y a la supervivencia de los más adecuados el proceso por el que se seleccionan los más aptos es la selección natural. Darwin descarta la creación independiente de cada especie y que exista un objetivo de “perfección” en la naturaleza. Más que una tendencia a la perfección, hay una tendencia a la adaptación. Problemas para Darwin: Darwin no pudo explicar el origen de la variabilidad, no sabía cuál era el origen de esas variaciones entre los miembros de las poblaciones. Se fueron conociendo posteriormente a partir del redescubrimiento de los trabajos de Mendel sobre genética. Una de las objeciones a la teoría darwiniana fue que no explicaba la aparición de estructuras inútiles. Muchas de las diferencias entre especies, como color, pelaje, etc. parecen no tener importancia en la sobrevivencia y dependen de efectos circunstanciales de genes con valor evolutivo neutro. Además fue rechazada por la mayoría de los cristianos porque se oponía al relato bíblico. SELECCION NATURAL Es la elección de variables preexistentes en una población, que otorga a los individuos seleccionados una mayor capacidad de sobrevivencia, permitiendo que ciertos genotipos dejen más descendencia que otros. La selección natural es un proceso que consta de dos fases: Selección a través de la supervivencia en la lucha por la vida, significa que: 328 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Tendrán mayor posibilidad de sobrevivir aquellos individuos que se adapten mejor al ambiente. Los organismos que posean variaciones favorables tendrán un mayor número de descendientes A través de los descendientes pasaran un número mayor de caracteres favorables a las generaciones subsiguientes. Cada generación sucesiva estará mejor adaptada al ambiente. Producción de variabilidad, significa que: En cada generación se producen una gran cantidad de cambios o variantes que posteriormente fue explicado por la genética a través de: o Recombinación (ocurre en la meiosis). o Mutaciones (que sabemos que son espontáneas). Los procesos involucrados son: Aparición de una variación heredable por recombinación o mutación. Propagación de la misma en sucesivas generaciones, si es una variación favorable. La selección natural opera sobre organismos individuales trayendo finalmente cambios en la composición del patrimonio genético de la población por lo que “la evolución puede interpretarse como los cambios en la frecuencia de genes de una población” (teoría neodarwiniana que ya analizaremos). Ahora analizaremos el ejemplo de la jirafa, pero desde la perspectiva del mecanismo de la selección natural: 1- Los individuos de una misma especie son diferentes unos de otros, presentan variantes heredables que surgen en la población al azar: en la población existían jirafas con distintas longitudes de cuello y patas. Estas variantes surgieron al azar y fueron heredadas. 2- Frente a la presión de selección ejercida por el ambiente, los individuos se ven afectados de diferente manera: la sequía acabó con la vegetación tierna del suelo, entonces las jirafas se vieron obligadas a alimentarse de las hojas de los árboles, lo cual no fue sencillo para todos porque eran diferentes entre sí. 3- A través de la selección natural los individuos que poseen características favorables para la nueva situación ambiental estarán capacitados para dejar descendencia: la selección natural favoreció a aquellas jirafas con patas y cuellos suficientemente largos como para alcanzar las hojas de los árboles siendo éstas las más aptas para alimentarse, sobrevivir, subsistir, buscar pareja, y dejar descendencia. 329 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros 4- La descendencia estará más adaptada al nuevo ambiente: la cantidad de jirafas de cuello largo y patas largas es cada vez mayor, las de cuello y patas no lo suficientemente largo se verán desfavorecidas y a lo largo de las generaciones habrá menos. La selección natural seguirá favoreciendo a las jirafas más aptas: es decir las de cuello más largo y patas más largas. COMPARAMOS: Para Lamarck: Existen poblaciones homogéneas. El ambiente crea necesidades que despiertan en los individuos el impulso natural a la perfección. Para Darwin: Existen poblaciones heterogéneas. El ambiente impone condiciones, ejerce una presión de selección sobre los individuos que se manifiesta en la población, favoreciendo al más apto. La selección natural es el mecanismo de la evolución. Hay características que se heredan, no surgen en respuesta al ambiente sino por simple azar. No explicó el mecanismo. El impulso natural a la perfección es el mecanismo de la evolución. Los cambios que se generan en respuesta al ambiente por uso o desuso de los órganos, se heredan: herencia de los caracteres adquiridos. Texto “Hablando con Darwin” - Fragmento del libro “Historia Clínica II” del Dr. Daniel López Rosetti 330 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros TEORÍA NEODARWINIANA DE LA EVOLUCIÓN - TEORÍA SINTÉTICA Cuando en el siglo XX surge la Genética, se contó con nuevos elementos para el estudio de la evolución. Así nace esta teoría que conjuga la teoría de la evolución de C. Darwin con conceptos de genética. Se denomina “sintética” porque surge como síntesis de diferentes disciplinas de la ciencia como microbiología, genética, matemáticas, fisiología, ecología, etc. En principio propone: Rechazo total de la herencia de caracteres adquiridos. Aceptación de la evolución lenta y gradual. Reconocimiento de la importancia de la selección natural. Según esta teoría, la evolución es un proceso de cambio gradual y continuo que se explica por acumulación de variaciones heredables. Surgió una nueva rama dentro de la biología, llamada genética de poblaciones. ALGUNAS DEFINICIONES Población genética o deme: es un grupo de organismos de la misma especie que habitan un mismo lugar y tiempo, que se pueden reproducir entre sí dejando una descendencia fértil y compartiendo un reservorio genético común LA POBLACIÓN ES LA UNIDAD EVOLUTIVA. Reservorio génico o fondo común de genes o patrimonio genético o pozo génico o pool genético o acervo génico: es la suma de todos los alelos de todos los genes de todos los individuos de una población. Cantidad de alelos en una población: en un individuo existen solamente dos genes alelos para el mismo locus, pero en una población pueden existir varios alelos todos ellos con información para el mismo rasgo. Ejemplo: un individuo posee dos alelos que determinan un solo grupo de sangre, pero al considerar una población, existen tres alelos (A, B y 0) para el mismo gen, que determinan cuatro grupos: A, B, AB y 0. Esto indica las variadas posibilidades (variabilidad genética) en una población en lo que se refiere a los grupos sanguíneos. Frecuencia de alelos: cada alelo del mismo gen se encuentra en una cierta proporción en la población de tal manera que la suma de todas las formas alélicas conforman el 100% para ese locus. Entonces la frecuencia génica es la frecuencia relativa o proporcional en que se mantienen los alelos en una población. Entonces esta teoría dice que cuando hay cambios en la composición del reservorio génico, o sea cambios en la frecuencia de alelos HAY EVOLUCIÓN. 331 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Ej: tomemos una población formada por 4 individuos, cuyos genotipos para el grupo sanguíneo son: AA (sangre A) AB (sangre AB) BO (sangre B) AO (sangre A) Si observamos los genotipos, cada individuo -como ya sabemos- posee 2 genes para cada carácter. Entonces en esta población de 4 individuos hay 8 genes: 4 A, 2 B y 2 O. Ésa es la cantidad de alelos de la población, mientras que la frecuencia génica o de alelos es: A 50% ó 0.5 B 25% ó 0.25 O 25% ó 0.25 Si luego de un tiempo esos porcentajes (la frecuencia génica) en la población CAMBIA, entonces decimos que hubo evolución. La selección natural actúa sobre el individuo como una unidad (su fenotipo), pero las poblaciones son las que evolucionan. Ej.: en una población bacteriana atacada por un antibiótico, algunas bacterias generan mutaciones que las hace resistentes a los antibióticos y esta característica favorable será transmitida a las generaciones futuras. El proceso de evolución ocurre cuando el patrimonio génico se va modificando, entonces los cambios acumulados en el reservorio génico de una población en función del tiempo es lo que determina la evolución. Por ejemplo: en cada generación se reproducen solo una parte de los individuos de la población, esto causa una alteración en la frecuencia relativa de los genes alelos, con lo que el patrimonio genético de una población se va modificando a lo largo del tiempo. Equilibrio genético de Hardy-Weinberg o Principio de Hardy-Weinberg En una población existe equilibrio genético si la frecuencia de sus genes alelos se mantiene constante en sucesivas generaciones o sea si hay constancia en la proporción de alelos entonces decimos que en este caso no hay evolución. Esto es una situación “ideal” En las poblaciones naturales el equilibrio genético no existe, pero el estudio de este equilibrio es importante porque son estados que tienden a contrarrestar las fuerzas que producen cambios evolutivos. El estado de equilibrio genético se puede cuantificar mediante las formulaciones matemáticas de Hardy-Weinberg. Estos demostraron que en una población en determinadas condiciones, los alelos se hallan en equilibrio y la reproducción sexual con su meiosis no modifica la composición global del reservorio génico. 332 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Las condiciones en que debe hallarse una población para que ocurra el equilibrio genético son (situación ideal): Ser poblaciones grandes Apareamiento producido al azar Ausencia de mutaciones Ausencia de flujo de genes Ausencia de selección natural Implican “ausencia de factores evolutivos” algo que no podemos evitar. Entonces trastornando el principio de Hardy-Weinberg se lograría la evolución y es lo que sucede en una población natural, real. El desequilibrio o variabilidad genética se produce por: Mutaciones Flujo de genes La reproducción sexual Deriva génica o desplazamiento génico Selección natural Generan evolución: son factores evolutivos* (ver más adelante). Ecuación de Hardy-Weinberg Se tiene en cuenta el comportamiento de un gen con sólo dos alelos A y a. Nos interesan las proporciones relativas o frecuencias de A y a de una generación a la siguiente. Cuando hay sólo dos alelos "A" y "a", tenemos que la suma de las frecuencias relativas de ellos suman 1 A + a = 1 A y a pueden expresarse como fracciones, por ejemplo, si en una población el 80% de los alelos es A, podemos decir que la frecuencia de A= 0.8, como sólo hay dos alelos a= 0.2 Si suponemos que las frecuencias relativas de A y a son iguales tanto en machos como hembras (como ocurre con la mayoría de los alelos de las poblaciones naturales) y que se aparean al azar, entonces podemos calcular las frecuencias de los genotipos resultantes de manera algebraica: (A + a)2 = A2 + 2Aa + a2 Esta expresión algebraica de las frecuencias genotípicas es la ecuación de HardyWeinberg. Por ejemplo, tomando los valores iniciales para la frecuencia de los dos alelos (0,8 y 0,2), obtenemos los siguientes resultados: 333 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros A2 = 0.8 x 0.8 = 0.64 frecuencia de los genotipos AA (homocigota dominante). 2Aa = 2 x 0.8 x 0.2= 0.32 frecuencia de los genotipos Aa (heterocigota). a2 = 0.2 x 0.2 = 0.04 frecuencia de los genotipos aa (homocigota recesivo). Para A: sumando 0.64 + la mitad de 0.32, a sea 0.16 nos da 0.8, es decir la frecuencia del alelo A nuevamente será 0.8. Para a: sumando 0.04 + la mitad de 0.32, a sea 0.16 nos da 0.2, es decir la frecuencia del alelo a nuevamente será 0.2. Conclusión: "En una población ideal en la cual se cumplan las condiciones del equilibrio, ni las frecuencias alélicas ni las frecuencias genotípicas cambian de una generación a otra". Para resolver ejercicios Tenemos que aprender a calcular las frecuencias alélicas por un lado y las frecuencias genotípicas por otro. Ambas se calculan como simples fracciones: La cantidad de alelos totales será el número de individuos, por 2. Las 2 frecuencias alélicas sumadas siempre dan 1, mientras que las 3 frecuencias genotípicas sumadas también dan 1 Si estamos en situación de equilibrio de Hardy Weimberg, se cumplirá que las freciencias alélicas y las genotípicas se relacionan de la siguiente manera: AA = A2 aa = a2 Aa = 2.A.a 334 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Ejemplo: HARDY-WEINBERG En el esquema se tiene como dato las frecuencias alélicas (0,3 y 0,7) y a partir de ellas se calcularon las frecuencias genotípicas (0,09; 0,42; y 0,49). Estas frecuencias representan una proporción que toma como “todo” el uno. Si las multiplicamos a cada una por 100, nos queda en forma de porcentaje (una proporción que toma como “todo” el cien). Problema ejemplo: Tenemos una población de cerdos en situación de equilibrio de Hardy Weinberg, en la cual el alelo para la piel negra es recesivo. Observe los individuos y responda: ¿Cuántos de los 12 cerdos de piel blaca son homocigotas dominantes y cuántos son portadores del alelo de piel negra? ¿Esto se puede saber? Sí, siempre que la población esté “en equilibrio de HW” A simple vista no podemos saber cuántos de los cerdos de piel blanca son piel blanca “pura” (AA) y cuántos son portadores (Aa). Pero sí podemos saber cuántos 335 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros son heterocigotas recesivos (aa) porque son los cerdos negros que estamos viendo: 4 entre 16 4/16 0,25. Esta es la frecuencia genotípica para los aa. Ya teniendo la frecuencia de los aa, podemos calcular rápidamente la frecuencia alélila recesiva (a): recordemos que a2 = aa, entonces: a2 = 0,25 a = √0,25 a = 0,5 Y ya teniendo la frecuencia alélica del gen recesivo, podemos obtener fácilmente la frecuencia alélica dominante, porque ambas suman 1: a+A=1 0,5 + A = 1 A = 0,5 Finalmente, ya teniendo las dos frecuencias alélicas, se pueden sacar las 3 frecuencias genotípicas: aa = a2 = 0,52 = 0,25 ó 25% son los homocigotas recesivos (esta ya la sabíamos) AA = A2 = 0,52 = 0,25 ó 25% son los homocigotas dominantes. Aa = 2.A.a = 2 . 0,5 . 0,5 = 0,5 ó 50% son los heterocigotas, que me habían preguntado. Es decir, en términos absolutos, de los 16 cerdos que estamos viendo: 4 son aa (negros puros). 4 son AA (blancos puros). 8 son Aa (blancos pero que portan el gen negro). 336 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Ejercicios: 1. Si se tiene una población de 10 individuos, de los cuales 4 son homocigotas dominantes para un carácter, 2 son homocigotas recesivos, y 4 son heterocigotas, calcular primero las frecuencias alélicas y a partir de ellas, considerando que la población está e equilibrio de Hardy Weinberg, calcular las frecuencias genotípicas: Rtas= A = 0,6 a = 0,4 AA = 0,36 aa = 0,16 Aa = 0,48 2. La fenilcetonuria es un desorden metabólico humano que da como resultado retraso mental si no es tratado en la infancia. Es una enfermedad autosómica recesiva. En los EEUU uno de cada 10.000 niños nace con este desorden. ¿Qué porcentaje de la población son portadores heterocigotas del alelo recesivo de la enfermedad? Rta= 1,98% 3. En una población de 1.000 moscas de la fruta, 640 tienen ojos rojos, mientras que las restantes tienen ojos sepia. El ojo sepia es recesivo respecto a los ojos rojos. ¿Cuántos individuos espera usted que sean homocigóticos para los ojos rojos? Rta= 160 4. En una población de 2000 sapos, 1920 poseen la piel con manchas y el resto posee la piel lisa. ¿Cuál es la frecuencia del alelo recesivo en la población? Rta= 0,2 337 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros FUERZAS O FACTORES EVOLUTIVOS Son las fuerzas que rompen el equilibrio genético de una población permitiendo el proceso de evolución. REPRODUCCIÓN SEXUAL Origina variabilidad a través de: Meiosis: cuando se forman las gametas se produce variabilidad en dos momentos: en el crossing over durante el paquinema de la profase I y en la distribución al azar de los cromosomas homólogos durante la anafase I. Fecundación: al unirse el óvulo y espermatozoide aportan cada uno 23 cromosomas y así se restablece el numero diploide (46 c) típico de la especie. Organismos diploides y heterocigosis: dos genes alelos codifican un determinado carácter. Sin embargo uno de esos genes puede que no se manifieste en el fenotipo, pero sí puede transmitirse a la generación siguiente preservando la variabilidad genética. MUTACIONES La mutación es el cambio repentino de un gen o conjunto de genes que modifica el reservorio genético de una población. Las mutaciones carecen de finalidad, no surgen en respuesta a una necesidad y el hecho de que resulten beneficiosas o perjudiciales pare el individuo lo determina el ambiente. Las mutaciones originan nuevos alelos y la meiosis y fecundación los mezclan así surgen nuevas combinaciones genéticas. Luego la selección natural decide si las variaciones producidas son aptas para dicho ambiente. FLUJO DE GENES Es el ingreso o egreso de organismos que se reproduzcan (y de sus gametos) en una población, provenientes de otra población. 338 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros DERIVA GÉNICA O DESPLAZAMIENTO GÉNICO Son variaciones en las frecuencias de los genes alelos, que afectarán el patrimonio genético, se producen por azar en poblaciones naturales y tienen un mayor efecto mientras más pequeña sea la población. Ej.: en una población pequeña en la que un gen esté representado por dos alelos y que uno de ellos se encuentre en un solo individuo, si éste muere sin dejar descendencia el alelo se pierde y cambia la frecuencia de alelos. Este fenómeno evolutivo puede observarse en: Efecto fundador: cuando una parte de una población se desprende para colonizar otra área geográfica, no tendrá todos los genes de la población original. Los descendientes establecerán una nueva población con un reservorio génico diferente al de la población original. Este efecto puede darse en poblaciones con aislamiento geográfico, a mayor número de barreras geográficas, mayor el efecto observado. Fenómeno de cuello de botella poblacional: se produce cuando un pequeño número de individuos dan origen a una nueva población debido a que sobrevivieron a algún efecto geológico o biológico. Se dice que la población pasa por un cuello de botella genético. Ej.: terremotos, incendios, diluvios, enfermedades (peste bubónica), etc. 339 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Los individuos que sobreviven no lo hacen porque tengan mejores genes, sino por el hecho casual de la desaparición de otros. SELECCIÓN NATURAL Es la fuerza evolutiva principal según la teoría sintética que explica en gran medida el proceso de la evolución, tal como Darwin lo había postulado. El individuo seleccionado posee un conjunto de caracteres que lo harán más apto que otros para la sobrevivencia y reproducción, aquellos que sobreviven y dejan descendencia transmiten el conjunto de variaciones heredables a las generaciones sucesivas. La selección natural actúa sobre el fenotipo u organismo individual pero la unidad evolutiva es la población, ya que los individuos nacen y mueren pero es la población la que tiene continuidad. Según la genética de poblaciones la selección natural es la tasa de reproducción diferencial de ciertos genotipos en una población. La selección natural no causa el desarrollo de un organismo perfecto sino que suprime a los individuos menos adaptados, permitiendo a los mejor adaptados sobrevivir y dejar descendencia. La selección natural actúa sobre el equilibrio genético de las poblaciones, en forma Positiva: permite la continuidad de la línea evolutiva y fija los caracteres de la población (ej: cuello largo en las jirafas). Negativa: elimina la continuidad de una línea evolutiva por extinción de genes (ej: cuello corto en las jirafas). Aptitud o eficacia: es una medida de la capacidad que tiene un organismo, debido a su genotipo, de competir con éxito y dejar descendencia. TIPOS DE SELECCIÓN NATURAL Selección estabilizadora: selecciona los grupos intermedios de las poblaciones eliminando los fenotipos extremos. Ej.: peso del ser humano al nacer. Selección disociadora o disruptiva o desorganizadora: incrementa los dos tipos extremos de una población a expensas de las formas intermedias, produciendo divergencia evolutiva. 340 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Ej.: los pinzones que de acuerdo a su forma de alimentación presentaban diferentes formas de sus picos. Otro ejemplo: las plantas que crecen en suelos que previamente estaban contaminados con sales de metales pesados como plomo y cinc a causa de operaciones de minería: Los límites entre las áreas contaminadas y no contaminadas frecuentemente son muy marcados las plantas que crecen en suelos no contaminados son incapaces de sobrevivir en suelos contaminados, las plantas de la misma especie que crecen en suelo contaminado son capaces de sobrevivir en las áreas no contaminadas pero no pueden competir con las que ya estaban creciendo allí. Entonces: los dos fenotipos extremos han sido favorecidos a expensas de las formas intermedias, dando como resultado el desarrollo de diferencias muy marcadas entre los dos grupos, durante los 50 años transcurridos desde que se interrumpieron las actividades mineras y las plantas comenzaron a colonizar el área. Selección direccional: selecciona un grupo extremo de una población dando dirección al proceso evolutivo. Ej.: polilla moteada o Biston betularia. Durante el siglo XIX eran de color claro, par tanto invisibles en piedras o líquenes y prácticamente no había de color negro, pero al aumentar la industrialización, desaparecieron las claras (ahora eran notorias sobre el hollín) y permanecieron las negras. Selección dependiente de la frecuencia: en algunas situaciones este tipo de selección actúa para disminuir la frecuencia de los fenotipos más comunes y para incrementar la frecuencia de los menos comunes. Ej.: las interacciones depredador-presa muchos depredadores cazan un tipo particular de presa más eficientemente. Si las víctimas difieren en el color, las de color más común serán atacadas desproporcionadamente. Si los individuos de ese color se vuelven menos comunes, ahora los depredadores dirigirán su atención a individuos de otros colores, que ahora serían los más comunes. Entonces, la selección dependiente de la frecuencia puede ser un factor que mantenga los polimorfismos en las poblaciones que son depredadas. Selección sexual: muchas de las adaptaciones de los animales son el resultado de una selección sexual, que adopta dos formas. Intrasexual: es la competencia entre los miembros de un sexo para aparearse con el sexo opuesto. Ejemplo: la competencia entre los machos de los elefantes marinos para controlar un harem y entre los machos de los salmones para aproximarse a los nidos donde depositaron los huevos. Intersexual: los miembros de cada sexo ejercen fuertes presiones selectivas sobre las características del sexo opuesto mediante la elección de sus parejas. Ésta entra en juego en situaciones en las cuales un sexo, más a menudo la hembra, hace una selección activa de su pareja. Según dijo Darwin, es la explicación más probable de la evolución de la ornamentación del macho, como la cola del pavo real. 341 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Ejemplo de selección natural en humanos: La anemia falciforme o drepanocítica. La drepanocitosis es una enfermedad de la raza negra en la que los glóbulos rojos de la sangre adquieren formas anómalas, son destruidos y dan lugar a la anemia. Esto se produce porque la hemoglobina es distinta de la normal por un gen mutado. Cuando un individuo es homocigota para ese rasgo (aa) la enfermedad es grave y la terapia médica poco puede hacer, los individuos mueren jóvenes, entonces tienen menores posibilidades de reproducirse y de transmitir el gen anómalo, sin embargo la frecuencia en que se halla sigue siendo alta en poblaciones que habitan África, ¿por qué? La explicación se halló cuando se vio que la misma zona era endémica para el paludismo o malaria, esta es una enfermedad infecciosa producida por un protozoario parásito que infecta los GR de los pacientes afectados. Los individuos heterocigotos para el gen de la anemia drepanocítica (Aa), no presentan la enfermedad y son portadores, pero adquieren resistencia al paludismo que los hace menos susceptibles a dicha enfermedad infecciosa. Así los individuos heterocigotos para la drepanocitosis son seleccionados, tienen mayor sobrevivencia y capacidad reproductiva y es el estado de heterocigosis el que favorece la alta frecuencia en la población del alelo para la drepanocitosis. EVOLUCIÓN DEL COMPORTAMIENTO SOCIAL Comportamiento: puede definirse como el conjunto de mecanismos que exhibe un organismo ante señales o estímulos del medio ambiente. Ej.: actividad en busca de alimentos, cortejo para la procreación, etc. Comportamiento social: es aquél que se observa entre los miembros de una sociedad. Está sujeto a los mecanismos evolutivos ya vistos, es decir que los factores que rigen la evolución orgánica, también rigen la evolución del comportamiento. Sociedad: es un conjunto de individuos de la misma especie que poseen comportamiento social. ETOLOGÍA es la ciencia que estudia el comportamiento adaptativo de los organismos en ambientes naturales. En estas sociedades se comprueba que sus miembros viven en forma organizada, con mecanismos de comunicaciones, división del trabajo, sentido de cooperación y una relación de dependencia entre ellos. La organización depende de las sociedades en que se trate: las de insectos (hormigas y abejas) suelen ser más rígidas que las de vertebrados, y las humanas son de muy alta complejidad. Los mecanismos que promueven el éxito de la reproducción han sido seleccionados ya que mediante la misma es como se perpetúan los genes: caracteres como tamaño corporal, colores y otros pueden dar ventajas en el éxito reproductivo, pero comportamientos tales como el mayor cuidado en las crías también producirá una mayor sobrevivencia de los descendientes. 342 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Tipos de comportamiento: Comportamiento altruista: es aquel mediante el cual a través de ciertas conductas se beneficia a otros, antes que a uno mismo. Altruismo recíproco: se trata de una conducta que beneficia a otro, en la esperanza de recibir una retribución. MICRO Y MACROEVOLUCIÓN Microevolución: consiste en una alteración simple en las frecuencias de genes de una misma especie, ocurren en un lapso corto y sus cambios dan variaciones fenotípicas que se producen dentro de una misma especie. Los cambios no son suficientes como para originar una nueva especie y por lo tanto sólo hay diferencias entre poblaciones de la misma especie. Puede dar lugar a variedades, razas y subespecies. Ejemplo: razas caninas. Macroevolución: se produce cuando los cambios son suficientes como para originar una nueva especie. Debe producirse el aislamiento reproductivo. Ej.: son todas las formas de vida del planeta, derivadas de unas pocas formas de vida originales más sencillas. La microevolución puede verse también como una variabilidad intraespecífica. La macroevolución se considera entonces como una variabilidad interespecífica. La MACROevolución es la que genera ESPECIACIÓN ESPECIACIÓN Como resultado de una variación favorable al azar, en la próxima generación habrá un mayor número de individuos con mejor adaptación y un aumento en la frecuencia de genes alelos responsables. Si esto se repite en sucesivas generaciones los tales genes alelos llegarán a convertirse en exclusivos dentro de la población. Si el reemplazo de genes alelos afectó una cantidad importante de genes obtendremos una población con una constitución genética muy diferente a la original y por consiguiente se habrá originado una nueva especie. 343 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La especiación es la formación de especies nuevas y se considera el resultado de la macroevolución. Especies: son poblaciones que poseen aislamiento reproductivo, es decir que pueden cruzarse entre sí y tener descendencia fértil y que no pueden o suelen hacerlo con miembros de otros grupos. En caso que suceda produce “híbridos”, que generalmente son estériles. Para que podamos definir que se ha formado una especie nueva es necesario que haya aislamiento reproductivo. Esto indica que el reservorio génico de una especie no se mezcla con el reservorio génico de otras especies. MECANISMOS DE ESPECIACIÓN Geográfico o alopátrico: distinto lugar geográfico Es el mecanismo más frecuente: una población puede quedar aislada de otras de la misma especie, en otro hábitat o lugar geográfico, entonces en nuevas condiciones se va modificando hasta que surge la nueva especie. Las barreras geográficas pueden ser: islas, ríos, montañas, desiertos, glaciares. Simpátrico: no existen barreras geográficas. Se puede producir en dos poblaciones qua ocupan el mismo lugar geográfico: puede darse por hibridación, híbrido es aquel individuo cuyos padres son de distintas especies lo que generalmente sucede en las plantas. En animales especies distintas pueden cruzarse dando origen a híbridos con buena adaptación, pero los animales híbridos suelen ser estériles. Ej.: la mula, que proviene de la cruza entre la yegua y el burro. La primera cuenta con 64 cromosomas y el segundo 62, al unirse las gametas producen la mula con 63 cromosomas donde el apareamiento durante la meiosis no puede producirse normalmente. Mecanismos por los cuales se hallan aisladas reproductivamente las especies: Mecanismos precigóticos: impiden el apareamiento o la fecundación, es decir actúan antes de la formación del huevo o cigoto. a-) Aislamiento ecológico: porque viven en hábitat diferentes 344 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros b-) Aislamiento temporal o estacional: porque la época de celo es en distintas estaciones y horas y las conductas son distintas para el apareamiento. c-) Aislamiento etológico o sexual o conductual: porque no hay atracción sexual o es muy débil. d-) Aislamiento anatómico: por el tamaño de los genitales. e-) Aislamiento gamético: no hay atracción (reconocimiento y adhesión) de gametas, explicado por la especificidad de ligandos y receptores. Mecanismos postcigóticos: como operan luego de la fecundación, permiten el apareamiento. a-) Inviabilidad de los híbridos: los híbridos no se desarrollan o no maduran sexualmente bien. b-) Esterilidad de los híbridos: no producen gametas fértiles. PATRÓN DE CAMBIO EVOLUTIVO Evolución Filética: El cambio evolutivo ocurre dentro de una misma especie que con el tiempo da descendientes distintos a los antecesores, es decir se da en un mismo linaje de organismos. Se puede definir como una versión en gran escala de la microevolución, como una transformación de una especie entera dentro de otra. Si se encuentra bajo la presión de una selección direccional, una especie acumula cambios graduales hasta que con el tiempo es tan diferente de sus antecesoras que puede considerarse una nueva especie: Especie original a través del tiempo especie modificada Se observan cambios graduales en el patrimonio genético de sucesivas generaciones en el mismo linaje. Ejemplo el caballo primitivo (periodo terciario) al caballo actual. 345 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Cladogénesis: se refiere a la “formación de ramas” o partición de linajes. Dos o más especies se han originado de un antepasado común o de una especie parental. Generalmente las distintas especies comparten el mismo hábitat. Por ejemplo: el proceso en que pequeñas poblaciones se separan de la población original, como las hojas del género Cassia, o lo que ocurrió con los pinzones de Darwin por las modificaciones de su pico. Siguen siendo del mismo género, pero cambia de especie. Radiación adaptativa: es una diversificación brusca (en un lapso corto de tiempo) de gran cantidad de especies a partir de un tronco común (puede verse como el resultado de la macroevolución). Todas estas múltiples formas van ocupando hábitat y nichos ecológicos (función ecológica) diferentes. Ej.: mamíferos placentarios a partir de un ancestro común se diversificaron en: murciélagos voladores, gacelas corredoras, topos excavadores, ballenas nadadoras, monos arborícolas. Cuando los dinosaurios se extinguieron, los mamíferos similarmente hicieron una súbita aparición en la escena evolutiva. Es la evolución a partir de una sola forma ancestral, cada variedad adaptada a un hábitat y nicho ecológico distinto. EVOLUCIÓN DIVERGENTE Una parte de la población se aísla del resto de la especie y por presiones selectivas particulares sigue un curso evolutivo diferente. Ejemplo: el oso pardo habitante del hemisferio norte durante una glaciación se separó del grupo principal y bajo el ambiente hostil dio lugar a la aparición del oso polar: color blanco, carnívoro, se alimenta de focas; cabeza y hombros más aerodinámicos, con cerdas rígidas que cubren las plantas de sus pies asegurando aislamiento y tracción sobre el hielo resbaloso. 346 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros EVOLUCIÓN CONVERGENTE Es el fenómeno opuesto al anterior: dos o más grupos de organismos poco relacionados, pueden adquirir similitudes estructurales y/o comportamentales al adaptarse a un mismo ambiente. Ejemplo: familias de plantas que invadieron los desiertos en distintas partes del mundo, en todas se observan tallos carnosos grandes para la reserva de agua y espinas protectoras, pero las flores diferentes indican un origen evolutivo ampliamente separado. CONLUSIÓN El registro fósil revela cuatro componentes del cambio evolutivo: 1) Cambio filético: cambio gradual dentro de un linaje individual a lo largo del tiempo. 2) Cladogénesis: cambio evolutivo producido por la bifurcación de poblaciones unas respecto de otras para formar especies nuevas. 3) Radiación adaptativa: formación rápida de muchas especies nuevas a partir de un solo grupo ancestral, para llenar una nueva zona ecológica. 4) Extinción: desaparición completa de una especie. Según la teoría sintética la macroevolución se considera como el producto de una combinación de estos patrones. El registro fósil muestra una tasa de extinción lenta, continua, interrumpida periódicamente por desapariciones masivas, que implican a enormes números de especies. Los gradualistas aceptan que la evolución fue lenta y gradual, y las piezas que faltan en el registro fósil “no han sido encontradas aún”. Pero luego de la muerte de Darwin, se descubrieron muchos otros fósiles y se han encontrado menos ejemplos de cambio gradual que lo esperado. Hasta hace poco la discrepancia entre el modelo de cambio filético lento y la pobre documentación de este cambio se atribuía a la imperfección del propio registro fósil. En 1972 dos científicos jóvenes Eldrege y Gould propusieron la idea de que tal vez el registro fósil no es imperfecto. Argumentaron que los largos periodos sin cambio interrumpidos por lagunas no son imperfecciones del registro si no que son 347 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros el registro, la evidencia de lo que realmente sucede. Explicaron de qué manera una especie nueva, podía hacer una especiación tan repentina a través de la especiación alopátrica. Entonces, los paleontólogos han presentado evidencia de un patrón adicional de macroevolución conocido como: EQUILIBRIO INTERMITENTE O SALTACIONISMO Según esta teoría, nuevas especies se forman durante explosiones de especificación rápida entre pequeñas poblaciones periféricas, las nuevas especies compiten con éxito con muchas de las especies existentes que se extinguen. Estas nuevas especies persisten por períodos prolongados con poco cambio y luego a su vez se extinguen abruptamente. Es decir que hay períodos de tranquilidad evolutiva, seguidos de bruscos procesos de especiación o podemos decir “cambios rápidos en períodos cortos y largos periodos sin cambios” Entonces, según esta teoría no es que falten piezas en el registro fósil, sino que las formas intermedias realmente no existieron o existieron en períodos muy breves que imposibilitaron su fosilización. Es un modelo complementario al cambio filético de Darwin. SELECCIÓN ARTIFICIAL La selección artificial es la que realiza la mano del hombre y, a diferencia de la selección natural, busca desarrollar alguna característica en particular de alguna especie, en última instancia siempre en beneficio del hombre. Por ej.: agresividad de una raza de perro, la variedad en el colorido del pelaje del visón, etc. Así es posible proceder a la cría selectiva de plantas y animales. En cambio, la selección natural selecciona a todo el individuo y no una característica en especial. EVOLUCIÓN DEL HOMBRE El hombre es un mamífero cuya historia evolutiva se remite a la era cenozoica, hace 65 millones de años, cuando surgen los primates, que surgieron de un grupo de pequeños mamíferos de vida arborícola. 348 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Hace 3 millones de años los bosques tropicales desaparecieron y fueron reemplazados por praderas y pastizales secos, se extinguieron muchas especies, algunos monos antropoides emigraron a la sabana africana y se debieron adaptar a la vida terrestre. Así comenzó un proceso denominado HOMINIZACIÓN: Adquisición del hábito bípedo. La postura erecta. Los miembros anteriores libres permitieron la aprehensión y poder lanzar objetos y así defenderse. Las manos libres evolucionaron para la construcción y empleo de herramientas. Aumento de la estatura. Mayor masa encefálica. Los caninos disminuyeron ya que usaban las manos para desgarrar parcialmente los alimentos. El calor de la sabana africana y las actividades de caza le hicieron perder el vello corporal y desarrollar las glándulas sudoríparas. Especialmente se desarrolló el cerebro y la adquisición de nuevas estrategias de supervivencia con relación a la caza y recolección de vegetales. HOMÍNIDOS: el primero del cual se tienen registros es el Australopitecus africano o Mono austral. HOMO: el primer eslabón fue el Homo habilis, cuyos huesos fueron encontrados junto a instrumentos de piedra. La migración hacia Asia y Europa se produjo hace más de un millón y medio de años, así se descubrió el nuevo eslabón: Homo erectus, cuya posición era definitivamente erguida. Hace 300.000 años aparece el Homo sapiens, ya con todas las características como para ser clasificado dentro de nuestra especie. Incluye dos sub-especies: Hombre de Neandhertal u Homo sapiens neanderthalensis. Hombre de Cro-Magnon u Horno sapiens sapiens es el primer representante del hombre actual. 349 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Las siguientes características son las que nos han permitido sobrevivir, en este proceso evolutivo: 1) Esqueleto erguido 2) Manos hábiles 3) Cerebro complejo 4) Visión tridimensional en colores 5) Especialización de la dentadura 6) Adaptación a los climas De acuerdo al sistema binomial, al hombre se lo designa: Homo sapiens (subespecie: sapiens). Esta clasificación indica que: El hombre es un animal vertebrado con 4 extremidades. Mamífero: produce leche con la cual alimenta su prole. Del orden de los Primates: arborícolas y sus descendientes. Homínidos: bipedestación erecta visión de colores. Homo: posee lenguaje, prole inmadura, cráneo grande. Sapiens: menor pelo corporal, frente y mentón característicos. Con el hombre de Cro-Magnon comienza el proceso de HUMANIZACIÓN, ya que se observan las primeras manifestaciones culturales. Por lo tanto podemos decir que en la evolución del hombre se distinguen dos aspectos: 1) Hominización: es la evolución biológica solamente, es decir sólo incluye los cambios anatómicos y funcionales. 2) Humanización: es la evolución biológica, social y cultural del hombre. Dentro de la evolución cultural, se incluye: La revolución agrícola La revolución industrial La revolución energética El hombre es el único ser vivo que emplea un lenguaje articulado, posee inteligencia y es hacedor de cultura. La cultura es el medio más adecuado que emplea el ser humano para adaptarse a su ambiente. 350 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros ECOLOGÍA Es el estudio de los organismos en su hábitat, es decir, de los ecosistemas. Estudia la totalidad del patrimonio natural de la Tierra, analizando los organismos, su ambiente y las interrelaciones que se establecen. CONCEPTOS BÁSICOS Individuo: organismo, indivisible e irrepetible. Tiene vida propia. Incorpora materia y energía. Especie: grupo de seres vivos que presentan características parecidas y que tienen capacidad de reproducirse y dar una descendencia fértil. Población: Conjunto de individuos de la MISMA especie: relación genética (se reproducen). o CONCEPTOS: Densidad poblacional: número de individuos por unidad de área o volumen. Es una cantidad indicativa del mayor o menor éxito de una población. Crecimiento poblacional: análisis del número de individuos en relación al tiempo transcurrido. Se pueden confeccionar las curvas de crecimiento: generalmente de forma sigmoide. Tasa de crecimiento: cantidad de individuos nuevos por unidad de tiempo. o Su aumento depende de: tasa de natalidad y tasa de inmigración. o Su disminución depende de: tasa de mortalidad y tasa de emigración. Capacidad de carga: cantidad de individuos que el ambiente puede mantener. o PROPIEDADES DE LAS POBLACIONES: Natalidad Potencial: natalidad producida en condiciones ideales. Real o ecológica: natalidad en condiciones concretas en un periodo de tiempo. Mortalidad Potencial: pérdidas en condiciones ideales (únicamente por envejecimiento). Real o ecológica: pérdida de individuos considerando todas las causas reales. 351 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Migración: desplazamiento de seres vivos de un hábitat a otro siempre y cuando regresen. Emigración: abandono de la población de origen para no volver. Inmigración: ingresar a un biotopo y no abandonarlo. Distribución espacial: forma de ocupar el espacio. Pirámide poblacional estructura poblacional según sexo y edad. Existen distintas configuraciones posibles: forma piramidal (como en países subdesarrollados), forma de ataúd o bala de cañón (es más homogénea como en países desarrollados), etc. Comunidad biótica, biológica o biocenosis: Conjunto de poblaciones (DISTINTAS especies): relación ecológica (no se reproducen). Representa el componente biótico de los ecosistemas. Hay distintos tipos de relaciones ecológicas*(ver más adelante) o Tipos Acuática: seres vivos que viven dentro del agua o sobre el agua en contacto con el aire. Ej: en mares, océanos, estuarios, lagunas, lagos, arroyos, ríos. Terrestre: seres vivos que viven dentro del suelo o sobre el suelo en contacto con el aire. Taxonomía: es la clasificación biológica de los organismos y representa un sistema jerárquico que consiste en grupos dentro de otros grupos. Para designar a un organismo se emplea el sistema binomial (ideado por Linné) donde constan género y especie. Ej.: la planta de maíz se denomina Zea mays (el primero es el género y el segundo la especie). Sociedades: agrupaciones de organismos que interactúan modificando mutuamente su comportamiento. Ecosistema: UNIDAD ECOLÓGICA FUNDAMENTAL. Es la suma de la comunidad o biocenosis (componente biótico) y el espacio físico (componente abiótico o biotopo). Ambos deben estar en equilibrio. o Factores bióticos: la parte viva: son moneras, protistas, hongos, vegetales y animales. Pueden ser: autótrofos o productores, consumidores, y detritíveros o descomponedores. o Factores abióticos: espacio físico o parte inerte donde habitan. Físicos: temperatura, presión, luz. Químicos: agua, aire, tierra, más las sustancias orgánicas e inorgánicas. o Tipos de ecosistema Natural: océano, desierto, selva, bosque, etc. 352 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Artificializado: centros urbanos, espacios parquizados, campos de cultivo, lagos artificiales. o Si el ecosistema es muy grande y además predomina una forma de vegetación, se forma un BIOMA: unidad ecológica máxima. Los tipos dependen de: clima y precipitaciones (número de precipitaciones anuales). Ej: Selva, Bosque, Sabana o Pradera tropical, Océanos. o Los ecosistemas evolucionan se denomina “SUCESIÓN” y está determinada por factores como cambios climáticos, invasión de organismos ajenos al ecosistema, etc. La sucesión ecológica es una serie de cambios progresivos en las especies que componen una comunidad a lo largo del tiempo. Existen 2 tipos de sucesión: Primaria: la comunidad biótica se forma o inicia a partir de un nuevo medio físico, por ejemplo, la formación de un lago a partir de un glaciar, que dará lugar a un nuevo ecosistema. Secundaria: la comunidad biótica es totalmente eliminada y reemplazada por otra, luego de una perturbación, por ejemplo un incendio, inundación, enfermedad, tala de bosques, cultivo, etc. Puede llevar cientos de años. Biósfera: la suma de todos los ecosistemas. Parte de la Tierra ocupada por los seres vivos 2 conceptos más: o HÁBITAT: ubicación o “domicilio” de cada animal. Puede ser tan grande como un océano o tan pequeño como el instestino de un animal donde habita un microorganismo, debajo de una piedra, etc. o NICHO ECOLÓGICO: papel funcional que representa un animal en la comunidad, forma de vida única y particular de cada especie. Por ejemplo, existen los polinizadores, depredadores, carroñeros, descomponedores, distribuidores, y muchos más. Surge de la combinación de: Hábitat donde se habita. Estrategia de adaptación de cada especie. 353 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Ejemplo: Hiena: Hábitat: vive en la sabana africana Nicho: es depredador y carroñero *RELACIONES ECOLÓGICAS INTRAESPECÍFICAS (entre individuos de la misma especie) o Aislamiento y territorialidad: Los integrantes de una polación se separan ocupando cada uno un territorio distinto. Ej: los escorpiones machos que evitan ser devorados por las hembras. Solamente se juntan para la cópula. Lo mismo la viuda negra y la mantis religiosa. o Familia: Monógama: una pareja de reproductores y su prole Polígama: un individuo de un sexo y varios del otro. Poligínica: 1 macho y varias hembras. Poliándrica: 1 hembra y varios machos. o Agrupaciones tendencia a agruparse en masa: “gregarismo” Temporales. Ej: golondrinas cuando migran Permanentes. Ej: hormigas/abejas formando colonias INTERESPECÍFICAS (entre individuos de distinta especie). o Neutralismo: indiferencia. Ej: león y flor. o Competencia: cuando 2 especies distintas conviven en un mismo hábitat y tenen necesitades parecidas o emplean el mismo recurso que puede ser limitado- surge la competencia. Es decir, cuando 2 nichos ecológicos se superponen. El resultado puede ser: Exclusión competitiva o Principio de Gause: la especie menos fuerte se extingue (lucha hasta morir). Ej: el hombre de Neanderthal se extinguió cuando apareció en la escena evolutiva el hombre de Cromagnon ya que este último tenia mayor capacidad para fabricar herramientas y era más eficaz en la búsqueda del alimento. 354 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Otro ejemplo famoso del principio de exclusión competitiva se muestra en la imagen siguiente, que muestra dos tipos de microorganismos unicelulares, Paramecium aurelia y Paramecium caudatum. Cuando se les cultiva de manera individual en un laboratorio, ambas especies prosperan. Pero cuando se cultivan en el mismo tubo de ensayo (hábitat) con una cantidad fija de nutrientes, el crecimiento de ambos es pobre y finalmente P. aurelia supera a P. caudatum en la competencia por alimento, lo que provoca la extinción de este último. Desplazamiento de nicho ecológico: la especie menos fuerte cambia de nicho (se rinde y se va). Ejemplo: los pinzones de las islas Galápagos que gracias a la adaptación del pico, unos comen lombrices, otros insectos, otros peces, etc. o Depredación: Predador (animal) y presa (animal o vegetal). Ej: León y cebra. o Simbiosis: interacción íntima y prolongada. FACULTATIVA O CASUAL: no se necesitan para vivir. Por ejemplo, las hormigas que viven en un árbol pueden protegerlo contra algún organismo que quiera comérselo y, al mismo tiempo, el árbol ofrece un hogar seguro para las hormigas. OBLIGADA: al menos uno necesita de la asociación para sobrevivir. Tipos: Parasitismo: uno se beneficia, el otro se perjudica. Ejemplo: trypanosoma cruzi y hombre (endoparasitismo). Piojos y hombre (ectoparasitismo). Mutualismo: se benefician los dos. Ej: líquenes (alga-hongo). Muchas raíces de árboles aprovechan el poder de absorción de un hongo para obtener los nutrientes que necesita la planta, que a su vez produce las sustancias que necesitan los hongos para desarrollarse. 355 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Otro ejemplo son bacterias de la flora, que habitan en el instestino humano y colaboran en la formación de vitamina K. Comensalismo: uno se beneficia, el otro es indiferente. Ejemplo clásico: rémora y tiburón: la rémora ha desarrollado, en el lugar donde se sitúa la primera aleta dorsal, una potente ventosa con la que se adhiere al vientre de los tiburones, proporcionándole restos de alimento y protección. El tiburón no es beneficiado ni perjudicado. o Protocooperación: ambos se benefician, pero a diferencia del mutualismo, no se necesitan para vivir. Ej: pájaros que desparasitan a grandes mamíferos. o Antibiosis o Amensalismo: Una especie daña o inhibe a otra pero no hay asociación como en el parasitismo. Una se perjudica, la otra es indiferente. Ej: Hongo Penicillium y bacterias: este hongo produce una sustancia denominada penicilina que impide el crecimiento de las bacterias. (Fleming lo descubre por error en 1928, dando paso a la era de los antibióticos para tratar enfermedades infecciosas). o Alelopatía: tipo particular de amensalismo entre vegetales. Ejemplo: Eucalipto (Eucalyptus globulus) y sus competidores: el eucalipto segrega ciertas sustancias que afectan e impiden el crecimiento de todas las plantas que estén a su alrededor. o Tanatocresis: uno emplea elementos de otro (secreciones, restos del cuerpo, excrementos) pero no para alimentarse, sino para otro fin, como por ej. defenderse. Ej: el cangrejo ermitaño se aloja en los caparazones de moluscos muertos y así se protege de los depredadores. El pinzón de las Galápagos emplea espinas de cactus para capturar los insectos que se ocultan en la corteza de los árboles. o Foresia: uno utiliza a otro como medio de transporte. Ej: animales voladores actúan como vehículo de múltiples animales pequeños como ácaros, nematodos, etc. La rémora y el tiburón también son un ejemplo de foresia. Ejemplo en medicina: El plasmodium es un protozoo agente causal de la malaria o paludismo en el hombre, y es transportado por el mosquito anópheles hembra (vector de la enfermedad). Las relaciones ecológicas son: Plasmodium y hombre: endo-parasitismo. Plasmodium y mosquito: comensalismo y foresia. Mosquito y hombre: ecto-parasitismo. 356 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros ENERGÍA Y MATERIA EN UN ECOSISTEMA ENERGÍA Capacidad para efectuar trabajo: le permite a los seres vivos desarrollar todas sus actividades. Las transformaciones energéticas son estudiadas por la TERMODINÁMICA 1era Ley de la termodinámica: “La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma de un tipo a otro”. La principal fuente de energía de todos los seres vivos es el SOL. Esta energía que le llega a los ecosistemas, es utilizada por los autótrofos (productores, son los vegetales) para producir su propio alimento durante la FOTOSÍNTESIS y de esta forma convertida en energía química contenida en los enlaces químicos de las nuevas moléculas formadas. Luego esta energía es tomada por los heterótrofos: consumidor 1ario, luego por un consumidor 2ario, y así siguiendo la cadena alimentaria, la energía va FLUYENDO de ser vivo a ser vivo y liberándose de nuevo al ambiente en forma de calor. CADENA TRÓFICA: 1- Productores autótrofos, son las plantas. 2- Consumidor primario/de 1er orden: herbívoro 3- Consumidor secundario/de 2do orden: carnívoro que se alimenta de herbívoro. Es el depredador primario. 4- Consumidor terciario/de 3er orden: carnívoro que se alimenta de carnívoro. Es el depredador secundario. 5- Omnívoro: HOMBRE 357 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros De los desechos (y cuerpos muertos) de todos ellos, se alimentan los descomponedores o detritíveros. Degradan la materia orgánica a inorgánica, que se incorpora al suelo y luego es utilizada por los productores para retrasnformarla en orgánica (fotosíntesis) y reiniciar los ciclos biogeoquímicos. También se puede hablar de “RED TRÓFICA”: red de cadenas tróficas interconectadas entre sí. LA ENERGÍA NO CUMPLE UN CICLO, ES UNIDIRECCIONAL “flujo de energía” 2da Ley de la termodinámica: “los sistemas naturales tienden espontáneamente al desorden, es decir, a la ENTROPÍA”. Para evitar el aumento de la entropía y lograr el orden, los seres vivos necesitan energía. En las transformaciones que sufre la energía para producir trabajo, parte de esa energía se aprovecha (energía libre o útil) pero parte se pierde y se libera como calor (energía calórica). ENTALPÍA: es la energía total de un sistema: la útil más la que se pierde como calor. MATERIA La materia sí cumple CICLOS. Son los ciclos biogeoquímicos. Estudian la recirculación de los bioelementos (C, H, O y N) entre lo abiótico y lo biótico en un ecosistema Ciclos: Del agua 358 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Del carbono: (C6H12O6) (O2) (CO2) (H2O) Del nitrógeno: ❺ desnitrificación ❹ ❶ fijación ❷ ❸ 359 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros HOMEOSTASIS Es la tendencia de todo ser vivo al equilibrio del medio interno. Es una autorregulación que lleva a que siempre que una variable aumente o disminuya en el cuerpo, éste tiende a devolverla a su estado original o basal. Ej: la temperatura. Regulación de la temperatura: Clasificación de animales: Según su regulación de la T°: o Homeotermos: mantienen la T° corporal constante: mamíferos (hombre) y aves o Poiquilotermos: varían su T° corporal según la del ambiente: peces, reptiles, anfibios e invertebrados. Según la fuente de calor: o Ectotermos: la T° externa del ambiente los influye. o Endotermos: se regulan internamente el hombre. Nosotros contamos con un “termostato” que determina la T° corporal y la busca mantener constante activando mecanismos neuroendócrinos: es el hipotálamo del SNC. Termorregulación: o Por comportamiento: pasar del sol a la sombra o Fisiológica: activación de mecanismos internos. Ej: sudor. Mecanismos regulatorios u homeostáticos o Feedback positivo: algo que aumenta estimula para que siga aumentando. Llevaría a un desequilibrio. o Feedback negativo: algo que aumenta estimula para que comience a disminuir. Es el más común, lleva al equilibrio. Veremos mejor este tema en Sistema Endrócrino CONTAMINACIÓN Presencia de sustancias tóxicas (noxas) en agua, tierra o aire que se acumulan y que al ecosistema le cuesta eliminar, trayendo como consecuencia efectos nocivos para los seres vivos. Efecto invernadero: es un proceso natural que mantiene la temperatura en el planeta Tierra. Los gases del efecto invernadero (CO2, halocarbonos, 360 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros metano, óxido nitroso), componentes naturales de la atmósfera, retienen parte del calor solar manteniendo una temperatura apta para la vida. Estos gases permiten que pasen los rayos solares hasta la superficie de la Tierra, pero luego no dejan que el calor irradiado por la corteza se libere nuevamente. El incremento del CO2 por la industrialización, la quema de combustibles fósiles, etc, es preocupante ya que esto lleva a un aumento de la temperatura global, fenómeno llamado Calentamiento Global. Lluvia ácida: Se llama lluvia ácida a la que se forma cuando la humedad (agua) del aire se combina con óxidos de nitrógeno, dióxido de azufre o trióxido de azufre emitidos por fábricas, centrales eléctricas, calderas de calefacción y vehículos que queman carbón o productos derivados del petróleo que contengan azufre. En interacción con el agua de la lluvia, estos gases forman ácido nítrico, ácido sulfuroso y ácido sulfúrico. Finalmente, estas sustancias químicas caen a la tierra acompañando a las precipitaciones, constituyendo la lluvia ácida. Esto acidifica el pH del agua, alterando las condiciones de vida de las especies acuáticas, y sobre la tierra alteran la fisiología vegetal llevando a la muerte a las plantas. Ozono: Este gas forma una capa en la estratósfera de 30km de espesor que protege a la superficie terrestre de los rayos ultravioleta del sol. La exposición a estos rayos aumenta los riesgos de contraer cáncer de piel y es una amenaza para la estabilidad de la vida animal y vegetal. Los clorofluorocarbonados (CFC) que se utilizan en aerosoles, fabricación de espumas plásticas, aires acondicionados, etc, y los halones que se emplean en extintores de incendio, son sustancias químicas que aceleran la descompocion del O3. Eutrofización: eutrofizado es aquel ecosistema o ambiente caracterizado por una abundancia anormalmente alta de nutrientes (procedentes de actividades humanas), sobre todo N y P, de forma que se produce una proliferación descontrolada de algas fitoplanctónicas. En general en aguas dulces de lagos y embalses. 361 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros BIOLOGÍA DE LA NUTRICIÓN El ser humano, como heterótrofo que es, debe incorporar energía y nutrientes orgánicos, vitaminas, minerales y líquidos, siendo la vía de entrada el aparato digestivo. Los compuestos orgánicos deben ser degradados en sus constituyentes menores, fenómeno conocido como DIGESTIÓN, luego pasar al torrente sanguíneo lo que constituye la ABSORCIÓN. De esta manera pueden llegar estos constituyentes a todas las células del cuerpo. Estas moléculas serán útiles: Como fuente de energía. Porque suministran elementos químicos esenciales: Ca, N, Fe. Porque pueden ser ciertos aminoácidos, ácidos grasos y vitaminas que las células necesitan pero no pueden sintetizar. Entonces digestión y absorción son las dos funciones fundamentales del aparato gastrointestinal. Para ello debe producir sustancias (principalmente enzimas) y liberarlas fuera de la célula, fenómeno conocido como secreción, y debe producir movimientos tanto de traslación del alimento, como de mezcla. El aparato digestivo consta de: 1. Tubo digestivo: es un tubo largo y tortuoso que se extiende desde la boca hasta el ano. Comienza en la cavidad oral e incluye: boca, faringe, esófago, estómago, intestino delgado, intestino grueso y el ano. Si bien cada una de estas áreas está especializada para una fase particular del proceso de digestión, la estructura histológica de cada una es similar. 2. Glándulas anexas: son las glándulas salivales, el páncreas, el hígado y la vesícula biliar. Son órganos accesorios que proporcionan las enzimas y otras sustancias esenciales para la digestión, todas poseen un conducto que desemboca en alguna parte del tubo digestivo. 362 TUBO DIGESTIVO GLÁNDULAS ANEXAS Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros CONSTITUCIÓN HISTOLÓGICA GENERAL DE LOS ÓRGANOS DEL TUBO DIGESTIVO Este tubo desde el comienzo al final posee cuatro túnicas o capas que desde la luz* hacia el interior del organismo son: * “Luz” se denomina al sitio desde donde viaja el alimento, y es la extensión de la luz de la boca 1) La mucosa: está constituida por (de adentro hacia afuera): Tejido epitelial: formado por células epiteliales que gracias a sus complejos de unión (unión estrecha, intermedia, desmosoma y nexus) cierran la luz del órgano y dependiendo del órgano sirve de protección, absorción, secreción, digestión. En algunos órganos tiene especializaciones para aumentar la superficie de absorción, como las microvellosidades. Lámina basal: que separa el epitelio del tejido conectivo subyacente. Tejido conectivo: es de tipo laxo y se denomina “lámina propia” o “corion”. Formado por células dispersas en abundante matriz extracelular que nutre, defiende, conecta. Según el órgano puede contener o no glándulas. En algunos sectores existe una cubierta externa delgada de músculo liso, denominada muscular de la mucosa. Produce movimientos principalmente de mezcla, y puede ser discontinua. 2) La submucosa: constituida por tejido conectivo denso con vasos sanguíneos de mayor calibre, células del sistema inmune y sistema nervioso propio. Sistema nervioso propio significa que el tubo digestivo posee un sistema nervioso entérico que promueve los movimientos y la secreción. 3)La capa muscular externa: formada por tejido muscular liso en distintas direcciones, que produce los movimientos del aparato gastrointestinal. 4) La adventicia o serosa: los órganos tienen una cubierta externa de tejido conectivo (adventicia) o una lámina epitelial especial denominada serosa que en el abdomen es el “peritoneo”. Capas del tubo digestivo El epitelio del tubo digestivo contiene muchas células caliciformes, cuya función es secretar moco, y en algunas partes del intestino hay glándulas que secretan enzimas digestivas. 363 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La muscular externa está constituida por dos capas de músculo liso: una interna cuyos fascículos poseen orientación circular o anular, y una externa, en la cual el músculo se dispone longitudinalmente. Las contracciones coordinadas de estos músculos producen constricciones anulares que mezclan el alimento, al igual que los movimientos ondulatorios o peristálticos que mueven el alimento a lo largo del tubo digestivo. En varios puntos la capa muscular circular se engrosa formando bandas anchas llamadas esfínteres. Éstos, relajándose o contrayéndose, actúan como válvulas que controlan el paso del alimento de un área a otra del tubo digestivo. BOCA O CAVIDAD ORAL En ella ocurre el procesamiento inicial. La toma e ingestión de los alimentos. Comienza la fragmentación mecánica o desmenuzamiento del alimento mediante la masticación. La boca contiene: un aparato masticatorio: dentadura, músculos esqueléticos, saliva y lengua. un sistema secretor: glándulas salivales menores. Dientes: están adaptados para romper y triturar alimento, se clasifican en incisivos (cortan), caninos (desgarran), premolares y molares (trituran). Lengua: permite mover y manipular el alimento en los mamíferos y aloja las papilas gustativas. Saliva: es una secreción acuosa producida por tres pares de glándulas salivales (o “mayores”) ubicadas en la cara, y glándulas bucales (o “menores”) que se ubican en el tapiz mucoso de la boca. Permite humedecer el alimento durante la masticación. La saliva contiene moco, que lubrica el alimento para que pueda ser tragado con facilidad, es ligeramente alcalina por la presencia de bicarbonato de sodio. La saliva contiene una enzima digestiva llamada amilasa salival o ptialina, que comienza la fragmentación de los almidones. Al igual que todas las enzimas digestivas, la amilasa actúa por hidrólisis. La secreción de la saliva es controlada por el SNA, puede ser iniciada por la presencia de alimento en la boca, por el simple olfato o la anticipación del alimento. El miedo inhibe la salivación, por eso en ocasiones de peligro o estrés la boca se seca tanto que es difícil hablar. Por el contrario la presencia de una sustancia nociva en la boca estimula la producción copiosa de saliva acuosa como reacción protectora. En promedio se producen entre 1 y 1,5 litros de saliva por día. 364 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Al finalizar la etapa oral de la digestión se forma el bolo alimenticio, que ingresa por deglución a la faringe y esófago FARINGE: impulsa el alimento conjuntamente con la laringe hacía el esófago, lo que se denomina deglución. ESÓFAGO: es un tubo muscular de aproximadamente 25 cm. de largo en los seres humanos adultos. Su parte superior está formada por músculo estriado y la parte inferior por músculo liso. Comienza en el cuello y sigue en el tórax, luego pasa a través del músculo diafragma (que separa las cavidades torácica y abdominal) y continúa unos centímetros en el abdomen antes de desembocar en el estómago, que ya como los órganos digestivos restantes se encuentra en el abdomen. El esófago es un órgano de “transporte” del alimento, en él no ocurre ninguna reacción ni cambio en la conformación del bolo alimenticio. La cavidad abdominal está completamente tapizada por el peritoneo capa delgada de tejido conectivo cubierto por un epitelio húmedo. El estómago, los intestinos y otros órganos de la cavidad abdominal están suspendidos por pliegues del peritoneo conocidos como mesenterios: son capas dobles de tejido con vasos sanguíneos, vasos linfáticos y nervios entre las dos capas. La deglución es el pasaje del alimento al esófago y de éste al estómago, comienza con una acción voluntaria pero una vez iniciada, continúa de modo involuntario. Tanto los líquidos como los sólidos son impulsados a lo largo del esófago por los movimientos peristálticos Esta acción conduce el bolo alimenticio a través del esófago hacia el estómago. ESTÓMAGO Es una bolsa muscular flexible, con forma de “J”, ubicada en El estómago humano completamente abdomen, y que a distendido puede menos que se contener entre 2 y 4 encuentre totalmente litros de alimento. distendida, forma pliegues. La capa mucosa del estómago es muy gruesa y contiene numerosas criptas gástricas, que se encuentran tapizadas por el moco (mucus protector) que secretan las células epiteliales que cubren la superficie del órgano. 365 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El estómago posee dos esfínteres: El Cardias o Esfínter Esofágico Inferior: punto que separa esófago de estómago. El Píloro: esfínter que separa estómago de la primer porción del intestino delgado. El estómago se encuentra bajo la influencia del SNA y del sistema endócrino. En las porciones inferiores de las criptas gástricas se abren las glándulas gástricas, cuyas paredes contienen: Células PARIETALES: producen HCI, importante para acidificar el medio gástrico lo que es necesario para la actividad enzimática. o Mata a la mayoría de las bacterias y otras células vivas existentes en el alimento digerido. o Libera a los componentes rígidos, fibrosos de los tejidos vegetales y animales y erosiona la sustancia cementante entre las células. o Inicia la conversión del pepsinógeno a la pepsina (quien una vez formada actúa sobre otras moléculas de pepsinógeno para continuar formando pepsina). Además de HCl, también producen factor intrínseco de Castle que es una proteína necesaria para la absorción de vitamina B12. Células PRINCIPALES: producen pepsinógeno, precursor de la enzima digestiva pepsina, que es una proteasa. También se encuentran células MUCOSAS que producen el mucus que protege la mucosa. Normalmente forma una barrera entre el epitelio y los jugos gástricos y evita de esta forma que el estómago se autodigiera. Estas secreciones más el agua en la que están disueltas constituyen el jugo gástrico, cuyo pH oscila entre 1,5 y 2,5 Cuando el alimento contiene proteínas éstas provocan la liberación en el torrente sanguíneo de una hormona la gastrina, producida por las células gástricas. o Actúa sobre las células epiteliales de la mucosa estomacal para incrementar la secreción de jugos gástricos. o Actúa sobre las células musculares de la pared estomacal para incrementar sus contracciones. o Promueve la absorción de vitamina B12. o Estimula secreción de HCI, de enzimas para la digestión de proteínas, moco, hormonas gastroentéricas y otros. En el estómago y gracias a la pepsina, comienza la digestión de las proteínas. 366 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Vemos las capas del órgano y en la mucosa, las criptas gástricas. Cripta gástrica En el estómago el alimento se mezcla con secreción ácida, moco y algunas enzimas y se convierte en una masa semilíquida llamada quimo que se mueve gradualmente por peristalsis, a través del esfínter pilórico, que separa estómago de intestino delgado. INTESTINO DELGADO Anatómicamente el intestino delgado se caracteriza por: Pliegues circulares en la submucosa. Numerosas proyecciones microscópicas dactiliformes las vellosidades en la mucosa. Proyecciones citoplasmáticas diminutas, las microvellosidades en la superficie de las células epiteliales individuales. Todas estas características estructurales aumentan el área superficial. Así es como el intestino delgado de un adulto humano extendido por completo mediría 7 metros con una área total de 300 m 2, equivalente al tamaño de una cancha de tenis para jugar dobles. En el intestino delgado se inicia la degradación de los lípidos y se completa la degradación que comenzó en la boca y en el estómago: es decir que se degradan por completo hidratos de carbono, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos, mediante enzimas propias y de glándulas externas, como el páncreas. Luego los nutrientes resultantes pasan por absorción del tubo digestivo al sistema circulatorio del cuerpo, quien las transporta a las células individuales. 367 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El intestino delgado se divide en tres porciones: duodeno, yeyuno, e ileon. DUODENO: continúa al estómago, representa los 25 cm superiores del intestino delgado, es el más activo en el proceso digestivo, aquí termina la digestión de todos los componentes alimenticios. Posee secreción de mucus para neutralizar la acidez proveniente del estómago, y también aquí llegan las secreciones de glándulas que están por fuera de la pared del mismo intestino, tales como el hígado, vesícula biliar y páncreas. Las enzimas digestivas son producidas por células epiteliales de la mucosa intestinal y del páncreas, glándula que también le envía un fluido alcalino que neutraliza el ácido del estómago. También le llega la bilis, producida por el hígado y almacenada en la vesícula biliar. La bilis contiene una mezcla de sales (sales biliares) que al igual que los detergentes, emulsifican las grasas, fragmentándolas en gotitas. Contiene algo de bicarbonato de sodio, que junto con el fluido pancreático, neutraliza el ácido del estómago. Neutralizar la acidez es esencial porque la actividad de las enzimas intestinales es óptima a pH entre 7 y 8, de lo contrario serían desnaturalizadas por el pH ácido de los jugos gástricos que entran al intestino. Degradación de los alimentos: Amilasas pancreáticas continúan la degradación del almidón iniciada en la boca, produciendo disacáridos. Las lipasas hidrolizan grasas produciendo glicerol y ácidos grasos. Tres tipos de enzimas degradan proteínas: unas rompen las cadenas largas de proteínas, pero cada enzima solo actúa sobre determinados enlaces, de modo 368 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros que se requieren varias enzimas para romper una sola proteína grande. Otras actúan solamente sobre el extremo de la cadena, produciendo dipeptídos. Un tercer grupo de enzimas, desintegra los dipéptidos restantes en aminoácidos. Las actividades digestivas del intestino delgado están coordinadas y reguladas por hormonas: En presencia del jugo gástrico, el duodeno libera secretina, hormona que estimula al páncreas y al hígado para que secreten fluidos alcalinos. Las grasas y los aminoácidos de los alimentos estimulan la producción de otra hormona la colecistocinina que provoca la liberación de enzimas por el páncreas y el vaciamiento de la vesícula biliar. También hay regulación por parte del SNA. Las otras dos porciones del intestino delgado son YEYUNO e ILEON, que intervienen principalmente en la absorción de nutrientes Absorción de nutrientes: Las moléculas de alimentos liberadas por los procesos digestivos son absorbidas a través de las células epiteliales de la mucosa intestinal Glúcidos: Enzimas como la lactasa, sacarasa y maltasa, ubicadas en las membranas de las células epiteliales, escinden los disacáridos en monosacáridos que luego son absorbidos rápidamente por transporte activo y difusión facilitada. Proteínas: aminoácidos y dipéptidos son absorbidos por transporte activo. Todas estas moléculas entran al torrente sanguíneo por medio de los capilares de las vellosidades. Lípidos: los ácidos grasos pequeños también entran directamente en los vasos sanguíneos del intestino, pero los ácidos grasos grandes, el glicerol y el colesterol, viajan por una ruta indirecta primero entran a las células de la mucosa por difusión pasiva. Dentro de las células, los ácidos grasos y el glicerol son re-sintetizados a grasas, que son luego compactadas en gotitas con cubierta de proteína, llamadas quilomicrones. El colesterol es empaquetado en complejos LDL (lipoproteínas de baja densidad) al torrente sanguíneo a través de conductos que se vacían en las venas del tórax. En el torrente sanguíneo, gradualmente los quilomicrones se desintegran, las grasas son enviadas en forma de AG a células musculares y grasas. Las partículas de LDL son captadas por células del hígado, donde se almacena el colesterol, secretadas en la bilis o reempaquetadas para su envío a otras células del cuerpo. Las LDL son utilizadas por todas las células en la síntesis de las membranas celulares y por las células especializadas para la producción de hormonas esteroides. 369 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros INTESTINO GRUESO Absorción ulterior y eliminación. Aquí continúa la absorción de agua, sodio y otros minerales (proceso que ya ocurría en Intestino delgado). Durante la digestión, entran aproximadamente 7 litros de agua por día al estómago y al intestino delgado, provenientes: De secreciones de glándulas que se vacían en el tracto digestivo y lo tapizan. De ósmosis desde los fluidos corporales. De alimentos y bebidas. Cuando la absorción de agua y minerales se interrumpe, como ser en una diarrea, ocurre una deshidratación grave. Bacterias intestinales: hay pocas en íleon, la mayoría se encuentran en intestino grueso. Pueden ser comensales, simbiontes, mutualistas y patógenas. Un ejemplo de bacteria simbiótica es la E. coli, forma parte de la “flora intestinal”. Estas bacterias degradan sustancias alimenticias que escaparon a la digestión y absorción en el Intestino delgado. Al vivir de estas sustancias alimenticias que son fundamentalmente aquellos materiales para cuya digestión el hombre carece de las enzimas necesarias, las bacterias sintetizan aminoácidos y vitaminas (como la vitamina K y algunas del grupo B), una parte de los cuales son absorbidos en el torrente sanguíneo. El apéndice: es un saco ciego del intestino grueso, un remanente evolutivo de los antecesores herbívoros. La materia fecal está esencialmente formada por agua, bacterias (principalmente células muertas) y fibras de celulosa*, junto con otras sustancias indigeribles. Está lubricada por moco secretado por algunas de las células epiteliales que tapizan el intestino grueso, es conservada brevemente en el recto y luego eliminada a través del ano como heces. *Los omnívoros humanos no poseemos simbiontes para utilizar la celulosa (como los rumiantes) por tanto la celulosa es eliminada como sustancia indigesta. 370 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Anatómicamente, podemos distinguir en el intestino grueso los siguientes segmentos: a) Colon ascendente: continúa al íleon a través de la válvula íleo-cecal y se ubica en el lado derecho del abdomen. La primera porción es la de mayor diámetro y se denomina “ciego”. De él sale el apéndice cecal. b) Colon transverso. c) Colon descendente: ubicado en el lado izquierdo del abdomen. d) Colon sigmoide: ubicado en la región pelviana (sobre el hueso de la cadera). e) Recto, que termina en: f) Conducto anal. El intestino grueso participa principalmente en la absorción de agua y electrolitos, concentrando el material residual (heces). GLÁNDULAS ANEXAS O ACCESORIAS GLÁNDULAS SALIVALES MAYORES: parótida, submaxilar y sublingual, producen la saliva que desemboca en la cavidad bucal a través de sus conductos. Se ubican en la región de la cara. PÁNCREAS: Es la fuente de diversas sustancias esenciales para el proceso digestivo, siendo una glándula de secreción endócrina y exócrina. Su ubicación es abdominal, posee una cabeza ubicada en la C del duodeno, un cuerpo y una cola. Sus conductos excretores desembocan en el duodeno. La masa de tejido del páncreas se asemeja al tejido de las glándulas salivales y al igual que éstas, secreta una amilasa que desempeña un papel fundamental en la degradación del almidón (amilasa pancreática). Además secreta otras enzimas digestivas que son transportadas por los conductos hacía la luz intestinal. La secreción es efectuada por los ácidos pancreáticos secreción exógena. También produce secreción líquida alcalina. El páncreas es también una glándula endócrina o de secreción interna (productora de hormonas), porque ramilletes de células pancreáticas llamadas islotes de Langerhans producen insulina, glucagón, somatostatina y polipéptido pancreático, que son liberadas en el torrente sanguíneo y participan en la regulación de la glucosa en sangre. 371 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Conductos del hígado, vesícula biliar y páncreas, que desembocan juntos en el #esfínter de Oddi” en el duodeno HÍGADO Y VESÍCULA BILIAR: El hígado desempeña papeles vitales en la digestión. Es el órgano interno más grande del cuerpo, una verdadera fábrica química que pesa 1 kg y medio. Se ubica sobre la parte superior derecha y central del abdomen (hipocondrio derecho y epigastrio). Presenta una extraordinaria variedad de procesos y productos: Almacena y libera carbohidratos cumple un papel central en la regulación de la glucosa sanguínea. Procesa aminoácidos, los convierte en carbohidratos, los canaliza a otros tejidos del cuerpo y con ellos sintetiza proteínas esenciales como enzimas y factores de coagulación. Fabrica las proteínas del plasma que tornan a la sangre hipertónica en relación con los fluidos intersticiales, evitando el movimiento osmótico de agua desde el torrente sanguíneo a los tejidos. Es la fuente principal de las proteínas del plasma, incluyendo HDL y LDL, que transportan colesterol, grasas y otras sustancias insolubles en el torrente sanguíneo. Es de importancia central en la regulación del colesterol sanguíneo. Almacena vitaminas solubles en grasas, como las A, D y E. Produce bilis siendo por esta razón una glándula de secreción externa. La bilis se almacena y concentra en la vesícula biliar (ubicada en la parte inferior del hígado). Degrada la hemoglobina de los glóbulos rojos muertos o dañados a bilirrubina, pigmento liberado en la bilis y excretada a través del tubo intestinal. Inactiva diversas hormonas participa en la regulación hormonal. Degrada una variedad de sustancias extrañas por ejemplo el alcohol que pueden formar productos metabólicos que dañan a las células hepáticas e interfieren en sus funciones. Es un órgano destoxificador. 372 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros REGULACIÓN DE LA GLUCOSA SANGUÍNEA Aunque no comemos durante las 24 horas del día, la glucosa en sangre permanece extraordinariamente constante (ejemplo de homeostasis), rol en el que participa el hígado. La glucosa y otros monosacáridos entran en sangre por absorción desde el intestino delgado, pasando directamente al hígado por intermedio de la vena porta hepática. Él hígado convierte parte de ellos en glucógeno y grasa, almacenando suficiente glucógeno como para satisfacer las necesidades del cuerpo durante 4 horas, la grasa se almacena en las células adiposas (que también pueden formar grasa a partir de la glucosa). También, el hígado degrada los aminoácidos en exceso y los convierte en glucosa. El nitrógeno de los aminoácidos se excreta en forma de urea (orina) y la glucosa es almacenada como glucógeno. La absorción o liberación de glucosa por el hígado, están determinadas primariamente por su concentración en sangre, la cual está influida por el SNA y regulada por diversas hormonas insulina, glucagón y somatostatina, todas producidas por el páncreas. La insulina estimula la absorción de glucosa por las células, disminuyendo la concentración de glucosa sanguínea, previene la hiperglucemia. El glucagón promueve la degradación de glucógeno aumentando la concentración de glucosa sanguínea, previene la hipoglucemia, junto a otras hormonas. La somatostatina tiene una variedad de efectos inhibitorios que colectivamente ayudan a regular la tasa a la que la glucosa y otros nutrientes son absorbidos desde el tubo digestivo. 373 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros ALGUNOS REQUERIMIENTOS NUTRICIONALES Basándonos en la actividad del hígado (que convierte varios tipos de moléculas en glucosa) y dado que la mayoría de los tejidos pueden usar AG como combustible alternativo, los requerimientos energéticos del cuerpo pueden ser satisfechos por una combinación de carbohidratos, lípidos y proteínas, que son los tres tipos principales de moléculas alimenticias. Además de las calorías, las células necesitan 20 tipos diferentes de aminoácidos para ensamblar proteínas. Cuando los aa no son usados son convertidos en carbohidratos, oxidados o almacenados. Los humanos solo podemos sintetizar 12, los otros 8 aa esenciales deben ser obtenidos de la dieta. Los mamíferos también requieren, pero no pueden sintetizar ciertas grasas poliinsaturadas que les suministran AG necesarios para la síntesis de las grasas y prostaglandinas (compuestos semejantes a hormonas). Estos AG esenciales pueden obtenerse comiendo plantas o insectos u otros animales que se hayan alimentado de plantas o de insectos. Las vitaminas son un grupo adicional de moléculas requeridas por las células vivas que no pueden ser sintetizadas por las células animales, muchas de ellas funcionan como coenzimas y son requeridas sólo en cantidades pequeñas. No hay evidencias de que la ingestión de cantidades excesivas de cualquier vitamina en particular, tenga algún efecto beneficioso. Algunas como la A, D y K, solubles en grasas, pueden acumularse en los tejidos corporales y son tóxicas en dosis grandes. El cuerpo además tiene un requerimiento dietario de varias sustancias inorgánicas o minerales Calcio y Fósforo para la formación de huesos, Yodo para la hormona tiroidea, Hierro para la hemoglobina y citocromos, Cloro, Sodio y otros iones esenciales para el balance iónico. La mayor parte de éstos están presentes en la dieta común o en el agua potable, sin embargo al igual que las vitaminas estos minerales deben darse en forma suplementaria cuando la ingestión es inadecuada o cuando el individuo no es capaz de asimilarlos normalmente (mala absorción, diarreas). 374 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Aparato Circulatorio El aparato circulatorio es un sistema de transporte interno que utilizan los seres vivos para trasladar dentro de su organismo elementos nutritivos, metabolitos, oxígeno, dióxido de carbono, hormonas y otras sustancias. Consta de 2 subdivisiones: Aparato cardiovascular: constituido por un fluido que se llama sangre, un conjunto de conductos (arterias, venas, capilares) y una bomba impulsora que es el corazón. Sistema linfático: incluye los vasos linfáticos, ganglios linfáticos y tejido linfoide dentro del bazo, el timo y las amígdalas. Constituye la segunda red de transporte de líquidos corporales, algunos autores lo consideran como una parte del aparato circulatorio. Por él circula la linfa, un líquido de aspecto transparente y color blanquecino generalmente carente de pigmentos, se produce a partir del exceso de líquido que sale de los capilares sanguíneos al espacio intersticial y es recogido y transportado por los capilares linfáticos que drenan a vasos linfáticos más gruesos que finalmente desembocan en el sistema venoso. Podemos decir que se acopla al aparato cardiovascular drenando hacia él el exceso de líquido en los tejidos. También forma parte del sistema inmunológico. Aparato Cardiovascular En el aparato cardiovascular la sangre pasa por órganos específicos que le aportan nutrientes, oxígeno, hormonas y metabolitos necesarios, y al mismo tiempo a través de ella las células eliminan productos de desecho. La función de bombeo de este sistema depende del corazón, un órgano principalmente muscular (músculo cardíaco) que cuenta con 4 cavidades: 2 aurículas y 2 ventrículos. La aurícula izquierda y el ventrículo izquierdo constituyen el “corazón izquierdo” que maneja sangre principalmente oxigenada; mientras que la aurícula derecha y el ventrículo derecho constituyen el “corazón derecho” que maneja sangre principalmente carboxigenada. Las cámaras derechas no se mezclan con las izquierdas gracias a un tabique o septo que separa bien los “dos corazones”. Cada aurícula y su ventrículo en cambio sí están conectados mediante una válvula que permite el pasaje de sangre en dirección aurícula a ventrículo. La actividad eléctrica del corazón permite que las cavidades cardiacas se contraigan en forma ordenada, es decir, que desplacen la sangre en una sola dirección. El corazón es el único órgano con un sistema eléctrico propio -el sistema cardionector- que tiene origen en la aurícula derecha desde donde descienden fibras nerviosas hacia las aurículas y los ventrículos, asegurando un ritmo correcto de contracción primero auricular, y luego ventricular. Por eso el corazón, una vez extraído del cuerpo de un paciente, sigue latiendo solo. Las 375 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros fibras nerviosas que llegan al mismo desde el cerebro sólo aumentan o disminuyen la frecuencia cardíaca, el latido lo desata el corazón en forma autónoma gracias a su propio “marcapasos”. El recorrido de la circulación El sistema circulatorio es un circuito cerrado -salvo la zona de los capilares que permiten el intercambio de sustancias entre la sangre y los tejidos- que puede ser estudiado separado en dos circuitos: Circulación mayor o sistémica: comienza en el ventrículo izquierdo, éste se contrae para impulsar la sangre a través de la arteria más grande -la aorta- que lleva sangre oxigenada a todo el cuerpo. La arteria aorta en su recorrido por el cuerpo va dando ramas colaterales y a nivel de la pelvis da ramas terminales que van a las piernas. Las arterias se van dividiendo en arteriolas y éstas en capilares arteriosos, cuyo diámetro es equivalente al diámetro de un pelo cortado en mil partes. Los capilares son los que llegan a cada célula del cuerpo, tanto de la mitad superior como inferior del mismo y allí se convierten por continuidad en capilares venosos. En este punto la sangre que llega por los capilares aporta oxígeno y nutrientes a las células y se llevan el CO2 y otros desechos. El capilar arterial es rico en O2 mientras que el capilar venoso ya es rico en CO2. Varios capilares venosos se van reuniendo para formar vénulas y éstas van confluyendo para formar en total 2 grandes venas finales: las venas cavas superior e inferior, que drenan toda la sangre carboxigenada de ambas mitades del cuerpo, desembocando en la aurícula derecha. La sangre pasa a través de una válvula llamada tricúspide desde la aurícula derecha al ventrículo derecho y así comienza la circulación menor. Recordar: las arterias llevan sangre oxigenada “roja” o “limpia”, y las venas llevan sangre carboxigenada “azul” o “sucia”. La única excepción a esta regla está en la circulación pulmonar. 376 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Circulación menor o pulmonar: El ventrículo derecho se contrae para impulsar la sangre carboxigenada hacia los pulmones, con el objetivo de intercambiar el CO2 por O2, o sea, de “limpiar” la sangre. Lo hace a través de la arteria pulmonar -única arteria del cuerpo que lleva sangre rica en CO2- que se ramifica para ambos pulmones. En los pulmones se va distribuyendo en capilares pulmonares hasta llegar a los alvéolos, que son pequeñas bolsitas de aire diminutas que constituyen la meta final del O2 en el aparato respiratorio. El capilar “roba” este O2 del alvéolo y le devuelve a cambio CO2. Estos gases difunden entre la sangre y el alvéolo a través de la membrana alveolo-capilar por difusión simple, es decir, a favor de su gradiente, sin gasto de energía, como veremos mejor en el aparato respiratorio. De esta forma la sangre se ha oxigenado o “limpiado”. Este proceso se denomina intercambio gaseoso o hematosis. Luego los capilares -ya ricos en O2comienzan a confluir hasta formar 4 grandes venas pulmonares -únicas venas del cuerpo que llevan sangre rica en O2- que desembocan en la aurícula izquierda. La sangre así pasa al ventrículo izquierdo a través de la válvula mitral o bicúspide, para dar comienzo nuevamente a la circulación mayor. Recordar: La circulación mayor tiene por objetivo llevar sangre oxigenada a todo el cuerpo para que las células puedan realizar la respiración celular en las mitocondrias. Una vez usado el O2, las células devuelven CO2 a la sangre. La circulación menor tiene por objetivo llevar sangre carboxigenada a los pulmones con el objetivo de “limpiarla" e intercambiar el CO2 por O2 para volver a comenzar el circuito. Las arterias y venas son vasos de conducción de la sangre, mientras que los capilares son el sistema de intercambio. Todos los intercambios entre la sangre y los tejidos se dan a nivel capilar. La circulación por las arterias va desde el corazón hacia los tejidos (dirección centrífuga), mientras que la circulación de las venas va recogiendo sangre desde los tejidos hacia el corazón (dirección centrípeta). Las arterias suelen ser más profundas y las venas más superficiales, son las que podemos ver a través de la piel, y se ven verde-azules porque el color de la sangre carboxigenada es más oscura que la sangre oxigenada, esta última bien roja. Por eso a la sangre venosa se la representa de azul y a la sangre arterial de rojo. Se necesita una regulación finísima permanente para asegurar que los órganos reciban las sustancias que necesitan en el momento preciso, en caso de exigencias siempre cambiantes. El aparato cardiovascular debe tener la capacidad de ajustar la velocidad con la cual circula la sangre y redirigir el flujo plasmático a los sitios donde más se necesita. Por ejemplo: en una situación de gran estrés en el que peligra la vida -supongamos que se nos aparece un león- se activan mecanismos que redirigen el flujo sanguíneo preferentemente hacia los órganos más importantes en ese momento: se dilatan vasos en el cerebro, el corazón, los músculos estriados (para correr si hiciera falta) y las glándulas suprarrenales que están liberando adrenalina necesaria para regular esta respuesta. En cambio los vasos sanguíneos de la periferia del cuerpo, así como los del sistema digestivo por ejemplo, se achican y disminuyen su flujo sanguíneo porque a nadie le interesa hacer la digestión en ese momento, la digestión puede esperar. El hecho de que esté llegando poca sangre a la piel en general (la vitalidad de la misma también puede esperar) es el motivo por el que nos ponemos pálidos. 377 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El aparato cardiovascular funcional es indispensable para la vida y surge inmediatamente daño irreversible en diversos órganos si el corazón deja de contraerse. Trastornos menos drásticos también imponen una carga patológica considerable, de hecho las enfermedades cardiovasculares constituyen la causa principal de muerte y discapacidad importante a nivel mundial. Funciones del Sistema Circulatorio El sistema circulatorio posee en su conjunto 3 funciones: Transporte: es su función principal, él es quien conecta todos los órganos del cuerpo entre sí. Las sustancias que transporta pueden clasificarse en: Respiratorias: transporte de O2 y CO2. El O2 es transportado principalmente dentro de los glóbulos rojos donde se fija a la hemoglobina formando oxihemoglobina. El CO2 es transportado principalmente disuelto en el plasma como iones bicarbonato HCO3-. Nutritivas: luego de que el sistema digestivo produce la desintegración mecánica y química de los alimentos, éstos se absorben en el intestino a través de las vellosidades y microvellosidades del epitelio intestinal y pasan a la sangre. El sistema circulatorio lleva todos estos nutrientes hacia el hígado y luego hacia todo el cuerpo. Excretorias: Los desechos metabólicos -como la urea-, el agua, los iones excesivos, y otras sustancia que el cuerpo no necesita son transportados hacia los riñones para ser excretados con la orina. Regulación: el sistema circulatorio contribuye a la regulación tanto hormonal como de la temperatura. Hormonal: Por el transporte de hormonas desde las células emisoras hacia las células diana, donde desempeñan funciones reguladoras diversas. Temperatura: el sistema circulatorio puede contribuir a la regulación de la temperatura corporal por la desviación de la sangre desde los vasos cutáneos más profundos hacia vasos más superficiales, o viceversa. La desviación de la sangre hacia la periferia ayuda a enfriar el cuerpo, mientras que la desviación de la sangre hacia vasos profundos ayuda a mantener la temperatura si hiciera frío. Protección: el sistema circulatorio nos protege tanto de la pérdida de sangre por lesión, como de agentes patógenos. Coagulación: este complejo mecanismo nos protege de la pérdida de sangre cuando hay lesión en los vasos. Función inmunitaria: por la sangre circulan y “patrullan” leucocitos (glóbulos blancos) y diversas moléculas inmunitarias que protegen contra agentes patógenos: virus, bacterias, parásitos, toxinas, etc. 378 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Composición de la sangre La sangre consta de elementos formes que están suspendidos en un líquido que llamamos plasma y que son transportados en el mismo. Los elementos formes son los eritrocitos, leucocitos y plaquetas que funcionan en el transporte de oxígeno, defensa inmunitaria y coagulación de la sangre respectivamente. No es correcto llamarles “células de la sangre” porque las plaquetas en realidad son fragmentos celulares, no células, de ahí a que el término más correcto sea “elementos formes”. (hematocrito) 55% El volumen sanguíneo total en un adulto de talla promedio es de alrededor de 5 litros, y constituye casi un 8% de la masa corporal total. Cuando se centrifuga una muestra de sangre -con anticoagulante- los elementos formes más pesados se acumulan en el fondo del tubo, dejando el plasma en la parte superior. Los elementos formes constituyen aproximadamente el 45% del total del volumen sanguíneo (medida denominada hematocrito), y el plasma el 55% restante. El hematocrito refleja el porcentaje de volumen de la sangre ocupado por los glóbulos rojos en definitiva, que reflejan prácticamente el volumen total de los elementos formes, ya que glóbulos blancos y plaquetas están en menor cantidad. El hematocrito normal en varones es de 41% a 53%, y en mujeres es de 36% a 46%. 45% Análisis de la sangre centrifugada Plasma El plasma es un líquido que consta de agua y solutos dispersos y emulsionados (proteínas, lipoproteínas) y disueltos (glucosa, urea, uratos, iones, etc). También contiene otras moléculas orgánicas como metabolitos, hormonas, enzimas, anticuerpos, etc. Proteínas plasmáticas Las proteínas del plasma son: la albúmina, las globulinas, y el fibrinógeno. ♞ La albúmina constituye el 60% de las proteínas del plasma, la produce el hígado y su función es transportar diversas sustancias en la sangre. Además es responsable de atraer agua hacia el interior de los vasos (poder osmótico) lo que es necesario para mantener el volumen y la presión sanguínea. ♞ Las globulinas se agrupan en 3 subtipos: Alfa y beta globulinas: se producen en el hígado igual que la albúmina. Transportan en sangre lípidos y vitaminas liposolubles. Gamma globulinas: las producen los glóbulos blancos, más precisamente los plasmocitos que son linfocitos B activados. También se llaman inmunoglobulinas o anticuerpos. Funcionan en inmunidad y hay 5 subtipos: A, D, E, G y M. 379 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros ♞ Fibrinógeno: representa sólo alrededor del 4% de las proteínas del plasma, es un importante factor de coagulación producido en el hígado. Durante la coagulación se convierte en fibrina que permite formar el coágulo. Elementos formes de la sangre Son los eritrocitos o glóbulos rojos o hematíes, los leucocitos o glóbulos blancos, y los trombocitos o plaquetas. Eritrocitos Son discos bicóncavos, aplanados, de 7 a 8 micrómetros de diámetro. Carecen de núcleo y otras organelas obtienen energía por medio del metabolismo anaeróbico- y por ello tiene un tiempo de vida media de 120 días. Células fagocíticas en el bazo y el hígado eliminan de la circulación a los eritrocitos viejos, proceso denominado hemocateresis. Los glóbulos rojos poseen hemoglobina, la cual es responsable del color rojo. La misma posee cuatro subunidades polipeptídicas llamadas globinas, cada una de las cuales se halla unida a un grupo hemo, que tiene hierro. Este Fe+2 es capaz de unirse a una molécula de O2, (cuatro O2 por hemoglobina) para así transportarlo en la sangre. La hemoglobina cuando está transportando oxígeno se llama oxihemoglobina (O2Hb), eso sucede luego de su paso por el pulmón, luego de la hematosis en el alvéolo pulmonar. El lugar preciso donde el oxígeno se une a la hemoglobina es el mismo que utiliza el monóxido de carbono, por ello este gas es tóxico: compite con el oxígeno por el sitio de unión con la hemoglobina. Uno pensaría que la hemoglobina si tiene que elegir elige al oxígeno, pero no: ella es 200 veces más afín al CO que al O2, por lo que la presencia de CO en el aire pulmonar hace que la hemoglobina se transforme en carboxihemoglobina (COHb) -versión unida al CO- y no pueda ya transportar al O2 presente que queda totalmente desplazado. Esto lleva a la asfixia por intoxicación con CO. El cuerpo cuida con mucho recelo el Fe+2, por lo que cuando lo eritrocitos mismos son destruidos en hígado y bazo, el Fe+2 se recupera y viaja unido a una proteína llamada transferrina hasta la médula ósea donde se une a nuevos hematíes en formación, proceso que se denomina eritropoyesis. Este reciclado satisface la mayor parte del Fe+2 requerido, el resto debe ser ingerido con la dieta. 380 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Leucocitos Los eritrocitos permaneces confinados dentro de los vasos sanguíneos pero los leucocitos en cambio pueden moverse de manera ameboide, pasar a través de poros en las paredes de los capilares (proceso llamado diapédesis o extravasación), y moverse hacia un sitio de infección. Los leucocitos se clasifican según sus propiedades de tinción. Hay 2 grandes grupos: ♜ Granulocitos: al ser teñidos se observan gránulos en su citoplasma. Tenemos 3 tipos de granulocitos: Eosinófilos: se tiñen con un colorante rojizo-anaranjado ácido llamado eosina (“Eos” es la diosa griega de la aurora, el amanecer, que es de este color). Se relacionan con procesos alérgicos. Basófilos: se tiñen de colorantes básicos, generalmente azules o celestes. Neutrófilos: no tienen afinidad por ninguno de los otros colorantes. Son los leucocitos más abundantes, representan el 60% de todos los glóbulos blancos. Suelen tener núcleos de formas diversas o multilobulados, porque lo que se conocen también como leucocitos polimorfonucleaes (PMN). ♜ Agranulocitos: no se observan gránulos en su citoplasma. Hay 2 tipos: Monocitos: son los precursores de los macrófagos, su principal función es fagocítica. Son los leucocitos de mayor tamaño. Su núcleo tiene forma arriñonada o de poroto, pero es único (“mono”). Linfocitos: Son el segundo tipo de leucocito más numeroso y son pequeños, su núcleo es bien redondo y ocupa casi todo el citoplasma. Se encargan de la inmunidad específica del cuerpo. Se clasifican en linfocitos T y linfocitos B, éstos últimos producen las inmunoglobulinas convirtiéndose en “plasmocitos”, célula cuyo núcleo tiene la forma de una rueda de carro romano. Plaquetas También llamadas trombocitos, son fragmentos celulares, no células verdaderas, que derivan de precursores llamados megacariocitos de la médula ósea (todas las células sanguíneas comienzan su formación en la médula ósea, proceso llamado hematopoyesis). Carecen de núcleo y presentan movimientos ameboides. Sobreviven alrededor de 5 a 9 días en circulación antes de ser destruidas por el bazo o el hígado. Las plaquetas participan de la coagulación de la sangre. Forman parte importante del coágulo que se forma para reparar daños en los vasos y activan factores de coagulación en el plasma que terminan formando fibrina que refuerza el coágulo. También liberan serotonina la cual estimula la vasoconstricción para disminuir el flujo sanguíneo hacia el área lesionada. 381 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Aparato RESPIRATORIO El aparato respiratorio en los seres humanos y otros vertebrados que respiran con pulmones puede dividirse en dos partes: la parte conductora: desde la nariz hasta los bronquiolos; y la parte de intercambio de gases: los alveolos pulmonares. La parte conductora sólo limpia y transporta el aire hasta los pulmones, y contiene además al aparato fonatorio. En sentido de la circulación del aire encontramos: La NARIZ (cavidad nasal): que filtra, calienta y humidifica el aire a su paso por ella. La FARINGE, órgano compartido con el aparato digestivo. La LARINGE, formada por cartílagos, que es donde se produce la voz ya que contiene las cuerdas vocales. Uno de esos cartílagos es la epiglotis que funciona como una bisagra que baja cubriendo la laringe cuando tragamos alimento, asegurándose que el contenido que pasa desde la boca a la faringe, siga por el esófago y no por la laringe obstruyendo la vía aérea. Cuando inhalamos, en cambio, la epiglotis sube dando paso al aire hacia la laringe y tráquea, cubriendo ahora la entrada al esófago. Si un individuo trata de inhalar y deglutir al mismo tiempo, este reflejo puede fallar y la comida puede atorarse en la laringe obstruyendo el paso de aire a los pulmones. Esta situación puede salvarse con la famosa maniobra llamada “maniobra de Heimlich”. La TRÁQUEA, tubo flexible de 13 cm de largo y 1 cm de diámetro. Se haya constituida por la sucesión de anillos cartilaginosos. Hacia el pecho, la tráquea se divide en dos ramificaciones grandes conocidas como Los BRONQUIOS, cada uno de los cuales ingresa a un pulmón. Dentro del pulmón cada bronquio se ramifica de manera repetida en tubos aún más pequeños hasta llegar a los… BRONQUIOLOS que tienen sólo alrededor de 1 mm de diámetro. Las paredes de bronquios y bronquiolos se encuentran revestidos de músculo liso que regula su diámetro (broncoconstricción y broncodilatación). Al final de los bronquiolos termina la conducción del aire y se llega a los… ALVEOLOS: sacos diminutos -de 0,2 mm de diámetro- revestidos de capilares sanguíneos donde se produce el intercambio gaseoso entre el alveolo y la sangre: la “hematosis”. Los alveolos se agrupan alrededor del extremo de cada bronquiolo como un racimo de uvas. En un adulto promedio, los dos pulmones combinados tienen aproximadamente 300 millones de alvéolos. Esto ofrece una enorme superficie de contacto entre el aire que ingresa a los pulmones y la sangre, para facilitar la difusión gaseosa. Esta superficie se calcula alrededor de 145 m2: aproximadamente 80 veces el área superficial de la piel de un ser humano adulto. La pared del alveolo consiste en una sola capa de células epiteliales (epitelio plano simple) llamadas neumocitos tipo I. 382 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Durante el paso a través del sistema conductor, el aire se calienta y humedece, y la secreción de moco por el epitelio respiratorio favorece que gran parte del polvo y bacterias que ingresan queden atrapados, desechos que luego el sistema de cilios del mismo epitelio barre en sentido ascendente para ser tosidos o deglutidos. El tabaquismo interfiere con este proceso de limpieza paralizando los cilios. Una enfermedad genética muy extraña en la que falla la proteína motora dineína en los cilios y flagelos, lleva a que los mismos no puedan moverse y el paciente sufra infecciones pulmonares a repetición, entre otros síntomas. Es el llamado síndrome de Kartagener. Intercambio gaseoso En el alveolo la concentración de O2 del aire inhalado es mucho mayor que la concentración de O2 que llega por los capilares (capilares que llegan como consecuencia de la ramificación de la arteria pulmonar que entra al pulmón rica en CO2 y pobre en O2), por lo que el O2 difunde desde el alveolo al capilar, por difusión simple (a favor de su gradiente, sin gasto energético). El O2 es captado por la hemoglobina de los eritrocitos y llevado así por la vena pulmonar camino a la aurícula izquierda, ventrículo izquierdo y luego a la circulación mayor. Por su parte el CO2 que está más concentrado en el capilar que en el alveolo, tiene un gradiente que mira hacia el alveolo por lo que sale de la sangre y pasa al sistema de conducción para ser exhalado. La vena pulmonar sale de los pulmones por tanto rica en O2 y pobre en CO2. La sangre se ha “limpiado”. De esta forma los sistemas respiratorio y circulatorio trabajan en armonía para apoyar la respiración celular. Tanto el O2 como el CO2 se mueven por difusión simple (en sentidos contrarios) y deben atravesar lo que se conoce como membrana respiratoria o alveolo-capilar, que es la suma de 3 capas superpuestas: la pared del alveolo, la pared del capilar, y la lámina basal que se halla entre ambas. La pared del alveolo está formada por neumocitos tipo I, y la pared del capilar por células endoteliales. Ambos epitelios poseen una sola célula de grosor, por lo que la distancia que deben recorrer los gases es corta, mientras que la superficie disponible que tienen es muy amplia, como ya vimos. Todo esto facilita la difusión. Entre los neumocitos I del alveolo existen también células llamadas neumocitos tipo II, que producen una sustancia llamada surfactante, o agente tensioactivo, que reviste los alveolos por dentro y permite mantener la pared del alveolo tensa evitando que se pegue y colapse en la exhalación. 383 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Transporte de los gases en sangre Casi todo el O2 (98%) es transportado unido a la hemoglobina. El CO2 en cambio se transporta de 3 maneras: ◪ 10% disuelto en el plasma. ◪ 10% se une a la hemoglobina (pero en un sitio que no compite con el O2). ◪ 80% se combina con agua para formar iones bicarbonato (HCO3-) que viaja disuelto en el plasma desde las células hacia el pulmón. La enzima que forma el HCO3- (la anhidrasa carbónica) está dentro del glóbulo rojo por lo que el CO2 debe ingresa al mismo y después sale el HCO3-. Este ión, recordemos, es uno de los componentes del buffer de la sangre. 384 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Aparato urinario El aparato urinario se compone de dos riñones, ubicados a ambos lados de la columna vertebral por debajo del diafragma y el hígado, en la pared posterior del abdomen. La orina producida en los riñones es drenada en una cavidad llamada pelvis renal, que luego se continúa con los uréteres, conductos largos y finos, para llegar a la vejiga donde se almacena. Finalmente se elimina por la uretra, durante la micción. La función del riñón es ultrafiltrar la sangre que llega al mismo a través de capilares especiales (el glomérulo) para seleccionar qué desechar y qué no. Lo que se desecha pasa por una segunda etapa de reabsorción a lo largo de diminutos túbulos para finalmente formar la orina que se recolecta en la pelvis renal para su posterior evacuación. De esta forma el riñón mantiene la homeostasis del líquido extracelular (plasma y líquido extracelular: “medio interno”) en el cuerpo, y regula: El volumen del plasma sanguíneo: contribuyendo de forma significativa a la regulación de la presión arterial. La concentración de productos de desecho metabólico dentro del plasma. La concentración de electrolitos en el plasma: Na+, K+, HCO3-, y otros iones. El pH del plasma. Además de todo esto, el riñón interviene en la gluconeogénesis: durante el ayuno sintetiza y libera glucosa en la sangre, función que comparte con el hígado. También es un órgano endócrino y elabora: o o o o Cininas, hormonas relacionadas a procesos inflamatorios y a la presión arterial. Calcitriol o 1,25-dihidroxicolecalciferol, que es la versión activa de la vitamina D, a partir de un precursor. Eritropoyetina: hormona que estimula la producción de glóbulos rojos en la médula ósea. Renina: hormona que permite la activación del llamado “sistema renina-angiotensina”, que contribuye a la regulación de los fluidos extracelulares y de la presión sanguínea. 385 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Estructura del riñón El riñón posee una zona externa que es la corteza, rica en capilares por lo que es rojiza y granular; y una zona interna que es la médula, donde vemos de 8 a 15 pirámides renales de forma cónica, distribuidas de forma radial con las bases hacia la corteza y los vértices hacia donde se va a formar la pelvis renal. Las pirámides están separadas por columnas renales. El vértice de cada pirámide se proyecta en una pequeña depresión llamada cáliz menor (cáliz = forma de copa). Varios cálices menores se unen para formar un cáliz mayor. Los cálices mayores se unen para formar la pelvis renal, una estructura infundibuliforme. Este es el recorrido que va haciendo la orina desde su formación que comienza en la corteza renal, más específicamente en la nefrona como veremos mejor. Las paredes de los cálices, la pelvis y el uréter contienen músculo liso -involuntario- que por peristalsis va empujando la orina hacia la vejiga. La vejiga urinaria es un saco de almacenamiento para la orina. Con unos 350 ml en la vejiga aparece la necesidad miccional (“ganas de orinar”) la que puede reprimirse voluntariamente. La vejiga es drenada desde abajo por la uretra tubular, de 4 cm en las mujeres, y alrededor de 20 cm en los varones, con una porción que recorre por dentro la próstata y la porción final en el pene. La nefrona y el proceso de formación de la orina La nefrona es la unidad estructural y funcional del riñón, allí comienza el filtrado de la sangre y su posterior reabsorción para la formación de orina. Por día se ultrafiltran alrededor de 180 litros de sangre en los dos riñones y se eliminan 1,5 a 2 litros de orina, esto es gracias a que cada riñón humano posee cerca de 1 millón de nefronas. Arteriola eferente Arteriola aferente 386 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Cada nefrona está formada por una zona donde se ultrafiltra la sangre: el glomérulo, y una zona de túbulos donde se da la reabsorción y secreción tubular, ajustando el contenido de líquido y solutos del ultrafiltrado hasta que se forma la orina. La parte final de las millones de nefronas desemboca en túbulos colectores que luego llegan a los cálices menores. El glomérulo, que se ubica en la corteza renal, se forma por la invaginación de un penacho de capilares hacia el extremo dilatado y ciego de la nefrona, llamado Cápsula de Bowman. El ovillo capilar glomerular se forma a partir de la arteriola aferente, y luego termina en la arteriola eferente. En esos capilares del glomérulo, la sangre es ultrafiltrada: algunos componentes atraviesan la pared de los capilares (que presentan fenestraciones) pasando hacia la cápsula de Bowman y siguen su camino por los túbulos contorneados de la nefrona, y otros componentes siguen intactos por la arteriola eferente sin ingresar a la nefrona, volviendo a la circulación “a salvo”. Son las proteínas, lipoproteínas, los glóbulos rojos, blancos y plaquetas quienes no pasan hacia la cápsula de Bowman. Dos capas celulares separan la sangre que pasa por los capilares, del ultrafiltrado en la cápsula de Bowman: El endotelio del capilar que es fenestrado: presenta poros lo cual lo hace muy permeable El epitelio especializado de la cápsula de Bowman formado por podocitos que tienen múltiples pseudópodos los cuales presentan cientos de prolongaciones citoplasmáticas llamadas pedicelos que se interdigitan para constituir hendiduras de ultrafiltración. 387 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Entre medio de estas dos capas hallamos la lámina basal glomerular, que es 5 veces más gruesa que la lámina basal de otros vasos, rica en proteoglicanos y colágeno IV. Estas tres capas finales constituyen la membrana glomerular que resulta el filtro completo que determina qué pasa y qué no de la sangre a la orina. En general decimos que la membrana glomerular hace posible el paso libre de sustancias neutras de hasta 4 nm de diámetro y excluye casi por completo las que tienen un diámetro mayor de 8 nm. Todos los solutos disueltos en el plasma pasan con facilidad a la cápsula de Bowman, las proteínas plasmáticas en cambio resultan masivamente excluidas del ultrafiltrado debido a su tamaño y carga negativa. El ultrafiltrado que ingresa a la cápsula pasa a la luz del túbulo contorneado proximal, cuya pared está formada por una única capa de células cuboidales que poseen en su cara apical un borde ribete “en cepillo” formado por millones de microvellosidades que incrementan el área superficial de reabsorción. En este nivel, el agua, NaCl, y otras moléculas necesarias para el cuerpo son reabsorbidas: transportadas de nuevo a la circulación, a capilares peritubulares circundantes. La glucosa y los aminoácidos también se reabsorben en este punto. Luego el líquido sigue su camino por el asa de Henle, que posee una rama descendente y una rama ascendente, que en su mayor parte son de paredes delgadas permeables ya que continúa el proceso de reabsorción y secreción tubular (algunos solutos pasan de la luz del túbulo a la sangre y otros al revés). 3° 2° 1° 4° Formación de la orina: esquema simplificado de la nefrona 388 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Luego se continúan por el túbulo contorneado distal que finalmente desemboca en el túbulo colector. Los túbulos contorneados distales de varias nefronas se fusionan para constituir los túbulos colectores, que tienen un largo de 2 cm aproximado y que pasan a través de la corteza y la médula renal para desembocar en los vértices de las pirámides medulares. El epitelio de los túbulos colectores está formado por células principales y células intercaladas: Las principales intervienen en la reabsorción de sodio y en la de agua. Esta reabsorción a nivel de los túbulos colectores se ve estimulada por la hormona vasopresina o antidiurética, hormona que estimula los canales de acuaporina para la reabsoción de agua para retenerla en el cuerpo cuando es necesario. Las células intercaladas se ocupan de la secreción de ácido y del transporte de bicarbonato (HCO3-) regulando el pH de la orina. Aparato yuxtaglomerular El aparato yuxtaglomerular es una estructura renal que regula el funcionamiento de cada nefrona. Su nombre proviene de su proximidad al glomérulo: se localiza en una zona de contacto entre la arteriola aferente -que llega al glomérulo por el polo vascular-, y la mácula densa que es una zona ubicada donde se une el asa de Henle con el túbulo contorneado distal, y que se encuentra también aledaña al glomérulo. Esta localización es fundamental para su función, ya que le permite detectar tanto variaciones en la presión de la sangre que llega al glomérulo por la arteriola aferente, como la composición del filtrado final que sale de la nefrona, antes de verterse en el túbulo colector. En función de las variaciones detectadas, esta estructura secreta la hormona renina, fundamental en la regulación de la homeostasis corporal. La renina activa el sistema o eje “renina-angiotensina-aldosterona”, suele secretarse en casos de hipotensión arterial y de baja volemia. La aldosterona ayuda también a controlar el equilibrio hídrico y de sales del cuerpo, mientras que la angiotensina es un potente vasoconstrictor. 389 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros SISTEMA NERVIOSO El sistema nervioso en conjunto con el endócrino son los principales encargados de coordinar y controlar la función de los otros sistemas. Constituyen las funciones de RELACIÓN. Mantienen a las diferentes células del organismo conectadas e integradas, mediante mecanismos de comunicación endócrina, parácrina, neural (sináptica), directa, etc. para que cada célula individual pueda funcionar como parte de un conjunto. Son piezas claves en la adaptación del organismo a los cambios que ocurren en el medio interno y externo. Recordemos que si la distancia entre las células a comunicar es amplia, una de ellas vierte a la sangre un mensajero químico o ligando (en este caso “hormona”) para que pueda llegar al receptor de la célula blanco y desencadenar la respuesta. Éste es el medio de comunicación del sistema endócrino. El sistema nervioso en cambio utiliza la comunicación neural, que es un tipo de comunicación parácrina ya que el mensajero químico sólo debe atravesar el espacio entre ambas células. En las neuronas ésta es la sinapsis y el mensajero se llama “neurotransmisor”. A través de las neuronas -sus axones- las señales eléctricas llegan a los lugares más lejanos del cuerpo en una fracción de segundo. Clasificación anatómica y funcional del Sistema Nervioso El sistema nervioso se clasifica según su anatomía en Sistema nervioso central (SNC) que consta del encéfalo y la médula espinal, protegidos por el cráneo y la columna vertebral respectivamente; y el Sistema nervioso periférico (SNP), que consta de 12 pares de nervios craneales y 31 pares de nervios espinales que comunican el SNC con todos los tejidos del cuerpo. El SNC recibe información -impulsos eléctricos- provenientes de neuronas sensoriales que traen estímulos provenientes de los órganos de los sentidos, así como calor, frío, dolor, etc. de todo el cuerpo; y a la vez envía información motora a los músculos y glándulas. Existen neuronas de asociación dentro del SNC que tienen la función justamente de hacer de nexo (función integradora) entre lo sensorial y lo motor, asociando respuestas motrices a estímulos sensitivos. Ej: los reflejos, como tocar algo caliente (estímulo sensitivo) y sacar rápidamente la mano (orden motora). 390 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El SNC, en el encéfalo, también tiene la capacidad de aprendizaje y memoria, permite que la conducta se modifique por la experiencia. Las emociones, la percepción de uno mismo y la conciencia, son creaciones del encéfalo. El sistema nervioso tiene otra clasificación. Según su aspecto funcional encontramos el Sistema nervioso somático (SNS), y el Sistema nervioso autónomo o vegetativo (SNA), que se subdivide en Simpático y Parasimpático, y es el que gobierna la vida involuntaria, es el que contrae o relaja los músculos lisos de los vasos sanguíneos, bronquios o sistema digestivo, dilata o contrae las pupilas, el que regula la frecuencia cardíaca, produce adrenalina en una situación de estrés, etc. Lo veremos bien más adelante. Las células del sistema nervioso Hay dos tipos de células en el tejido nervioso: la neurona, que es la protagonista porque es quien produce y conduce impulsos electroquímicos; y las células gliales o neuroglia, que son células de sostén de distintos tipos (microglia, astrocitos, oligodendrocitos, células de Schwann, etc.) que desempeñan todo el resto de funciones que las neuronas no hacen: se encargan de nutrir las neuronas, de la cicatrización de heridas, de la defensa inmunológica, y de formar las vainas de mielina para aislar eléctricamente los axones y hacerlos más eficientes. Son las que están “detrás de cámara”, pero sin ellas las neuronas no podrían lucirse. Son cinco veces más abundantes que las neuronas y a diferencia de ellas, sí se dividen por mitosis, por lo que una masa tumoral en tejido nervioso salvo raras excepciones es producto de células gliales (glioma). Los tipos de células gliales son: Astrocitos: Los astrocitos son las principales y más numerosas células gliales. Se encargan de aspectos básicos para el mantenimiento de la función neuronal, entrelazándose alrededor de la neurona para formar una red de sostén, y actuando así como una barrera filtradora entre la sangre y la neurona. Oligodendrocitos: se encargan de formar la vaina de mielina que envuelve los axones neuronales en el SNC. En el SNP esta función está a cargo de las células de Schwann. Ependimocitos: producen líquido cefalorraquídeo Microglia: Representan a los macrófagos del sistema nervioso central. Son parte del sistema inmunitario. Están inactivas en el SNC normal, pero en caso de inflamación o de daño, la microglía fagocita bacterias y restos de neuronas muertas. 391 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La neurona por su parte está formada por un cuerpo y sus prolongaciones: un axón largo y dendritas. El impulso eléctrico se produce en el cuerpo y viaja por el axón hasta llegar a las dendritas terminales donde contacta con otra neurona en uniones llamadas sinapsis. Allí, en la membrana presináptica la neurona emisora libera un neurotransmisor al espacio diminuto entre ambas células, el cual se une a receptores específicos en la membrana postsináptica ya perteneciente a la célula blanco. Se producen respuestas tan breves como un reflejo o de larga duración como el aprendizaje. Desde un punto de vista macroscópico, el SNC está compuesto de sustancia gris y sustancia blanca. La sustancia gris es donde están concentrados los cuerpos neuronales y las dendritas, y en el encéfalo la tenemos en la corteza (superficie) y en zonas más profundas conocidas como núcleos. La sustancia blanca es todo el resto: debajo de la corteza y rodeando los núcleos, y representa los tractos de axones que como están rodeados de vainas de mielinas (lípido), se ven blancos. En el sistema nervioso periférico, los cuerpos neuronales corresponden a los ganglios del SNP. SNC: el Cerebro El cerebro es la porción de mayor tamaño del encéfalo y ocupa un 80% de su masa, desempeña casi todo lo que se considera que son funciones superiores del encéfalo, como las funciones mentales. Consta de dos hemisferios -conectados por un tracto de fibras llamado cuerpo calloso- cada uno de los cuales posee 5 lóbulos, cuatro de los cuales son visibles desde la superficie: frontal, parietal, temporal y occipital. La ínsula es más pequeña y se encuentra en planos profundos, cubierta por los anteriores. Los lóbulos se hallan separados por surcos o cisuras grandes. Dentro de cada lóbulo, otros surcos más pequeños los subdividen a su vez en circunvoluciones. 392 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El lóbulo FRONTAL es la porción anterior, separada del lóbulo PARIETAL por un surco llamado surco central o “cisura de Rolando”: Delante de este surco, perteneciente al lóbulo frontal, encontramos una zona llama área motora primaria o circunvolución precentral o prerrolándica. Aquí se originan los impulsos motores para todos los músculos voluntarios del cuerpo. Detrás de este surco, perteneciente al lóbulo parietal, encontramos una zona llama área sensitiva primaria o circunvolución postcentral o postrolándica. Aquí llegan los impulsos y percepciones somatestésicas, que son sensaciones que surgen a partir de receptores cutáneos, musculares, tendinosos y articulares. El lóbulo frontal también se asocia con la conciencia y la conformación de la personalidad. El lóbulo TEMPORAL contiene centros auditivos que reciben fibras sensitivas desde la cóclea de cada oído. También participa de la interpretación y asociación de la información auditiva y visual. El lóbulo OCCIPITAL es el área primaria de la cual depende la visión y coordinación de movimientos oculares. La ÍNSULA está implicada en la codificación de la memoria y, especialmente su porción más anterior, está relacionada con el sistema límbico. La ínsula se está convirtiendo en el foco de atención por su función en la experiencia subjetiva emocional y su representación en el cuerpo. Esta región empareja estados viscerales emocionales que están asociados con experiencia emocional, dando cabida a los sentimientos de consciencia. Sería la responsable de la sensación de “nudo en el estómago” frente a una situación de disgusto emocional. Juega un importante papel en la experiencia del dolor y la experiencia de un gran número de emociones básicas, incluyendo odio, amor, miedo, disgusto, felicidad y tristeza. También se asocia a las adicciones: se ha demostrado que fumadores de tabaco tras sufrir un daño en la corteza insular, por ejemplo por un golpe, ven desaparecida su adicción al tabaco. 393 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros SNP: Pares craneales y Nervios espinales EL SNP está compuesto por nervios que comunican el SNC con el resto del cuerpo, a partir de nervios que salen del encéfalo (pares craneales) y de la médula espinal (nervios espinales), más agregaciones de cuerpos neuronales ubicados fuera del SNC que son los ganglios nerviosos. Pares craneales: Son 12 pares de nervios, bilaterales, designados por números romanos y por nombres. Los números están ordenados según la ubicación de cada nervio, desde adelante hacia atrás, mientras que los nombres indican las estructuras que inervan o su principal función. Casi todos son nervios “mixtos” es decir que tienen tanto fibras sensitivas como motoras. Los pares craneales son: Par I: olfatorio. Es sensorial, lleva información de olfacción. Par II: óptico. Es sensorial, lleva información de visión. Par III: motor ocular común. Es motor, de la mayoría de los músculos del ojo. Par IV: patético o troclear. Es mixto, y también es ocular. Par V: trigémino. Es mixto, pero principalmente sensitivo, lleva la sensibilidad de prácticamente toda la cara. Par VI: motor ocular externo. Es mixto, y junto al III y IV, es el tercer nervio dedicado al ojo. Par VII: facial. Es mixto, lleva tanto sensibilidad de la cara, como información motora para los músculos de la cara. Par VIII: vestíbulo-coclear o auditivo. Es sensorial, tanto de la audición como del equilibrio. Par IX: glosofaríngeo. Es mixto, participa de la deglución. Par X: vago o neumogástrico. Es mixto, su parte motora es principalmente parasimpática. Es el más largo, lleva información parasimpática al corazón, pulmones y hasta tubo digestivo. Se dice que “vaga” por el cuerpo. Par XI: accesorio o espinal. Es motor, controla músculos que permiten mover cabeza, cuello y hombros. Par XII: hipogloso. Es motor, principalmente de los músculos de la lengua. Nemotecnia: "Oh, Oh, Mamá, PApá, Tengo Mini FAlda, Ahora mis GLúteos VAn a EStar Helados” I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 394 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Nervios espinales: hay 31 pares: 8 cervicales, 12 torácicos, 5 lumbares, 5 sacros y 1 coccígeo, de acuerdo con la región de la columna vertebral de la cual surgen. Cada nervio espinal es un nervio mixto compuesto de fibras motoras y sensoriales. Estas fibras están juntas en el nervio pero se separan cerca de la fijación del nervio a la médula, lo cual produce 2 raíces para cada nervio: la raíz posterior es la sensitiva y la anterior es la motora, para los músculos esqueléticos. El cuerpo celular de la neurona motora está dentro de la sustancia gris de la médula. Sistema Nervioso Autónomo El SNA ayuda a regular las actividades del músculo cardíaco, los músculos lisos y las glándulas, efectores que por lo general no están bajo control voluntario. Encontramos músculo liso por ejemplo en los vasos sanguíneos, en los bronquios, en el tubo digestivo, etc. El impulso se conduce desde una neurona que nace en el SNC, la cual hace sinapsis con una segunda neurona autonómica -a nivel de un ganglio nervioso- la cual ya es la que inerva los efectores involuntarios. Es decir que es una vía nerviosa de sólo 2 neuronas: la neurona preganglionar y la neurona postganglionar. Una diferencia entre el SNA (involuntario) y el SNS (voluntario), es que la neurona somática que llega al músculo efector, al liberar el neurotransmisor (acetilcolina) siempre genera estímulo de contraer el músculo esquelético. En cambio la neurona autonómica al liberar el neurotransmisor (acetilcolina o noradrenalina) a veces genera contracción y a veces relajación del músculo liso. Ejemplo: el nervio vago (par craneal X) que regula en forma autónoma la frecuencia cardíaca, cuando aumenta su actividad, lleva a la disminución de la frecuencia: bradicardia. Cuando el nervio vago disminuye sus estímulos, aumenta la frecuencia: taquicardia. El SNA se divide funcionalmente en 2 partes, que son antagonistas entre sí: la división parasimpática y la división simpática 395 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros División parasimpática También conocida como división craneosacra porque sus fibras preganglionares se originan por un lado en el encéfalo y por otro en el segundo a cuarto niveles sacros de la columna vertebral. Estas fibras parasimpáticas preganglionares hacen sinapsis en ganglios que están ubicados cerca, más bien dentro, de los órganos inervados, es decir, lejos de su origen. Por este motivo la neurona o fibra preganglionar es larga, y la neurona o fibra postganglionar es corta (está dentro del órgano). El principal nervio que lleva inervación parasimpática del encéfalo al cuerpo es el nervio vago, que termina inervando corazón, pulmones, esófago, estómago, páncreas, hígado, intestino delgado y la mitad superior del intestino grueso. Las fibras preganglionares provenientes de los niveles sacros de la médula espinal proporcionan inervación parasimpática a la mitad inferior del intestino grueso, recto, y los sistemas urinario y reproductor. División simpática También conocida como tóraco-lumbar porque sus fibras preganglionares se originan en los niveles torácico y lumbar de la columna vertebral. Estas fibras preganglionares son cortas, hacen sinapsis con ganglios cercanos a su origen, ubicados al lado de la columna vertebral, llamados ganglios paravertebrales, que forman una cadena ganglionar. De ahí sigue le neurona postganglionar que es larga, hasta el órgano efector. Otra modalidad relacionada con la división simpática la constituye el llamado sistema simpático-adrenal. Hay axones preganglionares -los que forman parte del nervio esplácnico- que en vez de llegar a un ganglio donde encuentran a la segunda neurona (postganglionar), van a inervar a la médula suprarrenal, que es la parte central de la glándula suprarrenal. La médula está formada por células cromafines que son equivalentes a las segundas neuronas simpáticas, que se han transformado en células secretoras endócrinas, productoras de adrenalina y de noradrenalina. Por lo tanto el sistema simpático estimula la secreción de estas hormonas en la médula suprarrenal, que ya siguen su camino por la sangre y constituyen importantes efectoras simpáticas. Funciones del sistema nervioso autónomo El SNA simpático activa al cuerpo para responder a situaciones de emergencia, su acción se ha resumido acertadamente en la frase: “para luchar o huir”. La activación masiva del sistema simpático aumenta la frecuencia cardíaca, la glucemia, desvía la sangre a los músculos esqueléticos (desde los órganos viscerales y la piel), dilata los bronquios, dilata las pupilas, se favorecen procesos catabólicos en general. Todos los efectos se deben a la liberación de noradrenalina por parte de las neuronas postganglionares y de adrenalina y noradrenalina por la médula suprarrenal. Estos neurotransmisores/hormonas llegan a los órganos blanco desencadenando todas estas respuestas. El SNA parasimpático en cambio no tiene una frase universalmente reconocida para describir sus acciones, que son más difusas. Pero como en general sus acciones son opuestas a las de la división simpática, se puede describir como “para el reposo y digestión”. Entre sus acciones están disminuir la frecuencia cardíaca, la glucemia, activar al tubo digestivo, contraer los bronquios, contrae las pupilas, se favorecen procesos anabólicos en general. 396 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El neurotransmisor más común liberado por las fibras postganglionares cortas, es la acetilcolina. En el siguiente esquema vemos las acciones de cada sistema, en general antagonistas, y también la representación anatómica: las fibras parasimpáticas salen del encéfalo y de la región sacra, y son largas, haciendo sinapsis en ganglios dentro de los órganos efectores. Las fibras simpáticas en cambio salen de la zona torácica (dorsal) y lumbar, y son cortas, haciendo sinapsis en ganglios paravertebrales. 397 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros SISTEMA ENDÓCRINO El sistema endocrino, también llamado sistema de glándulas de secreción interna, es el conjunto de órganos y tejidos del organismo que segregan un tipo de sustancias llamadas hormonas, que son liberadas al torrente sanguíneo y regulan varias de las funciones del cuerpo. Es un sistema de señales que guarda algunas similitudes con el sistema nervioso, pero en lugar de utilizar impulsos eléctricos a distancia, funciona exclusivamente por medio de sustancias (señales químicas) que se liberan a la sangre. Algunas hormonas tienen receptores en órganos muy específicos, por ejemplo la hormona adrenocorticotrofina (ACTH) -producida por la hipófisis- sólo tiene acción sobre la corteza suprarrenal estimulándola para que a su vez secrete la hormona cortisol. Pero otras hormonas tienen acciones más difusas, ya que encuentran receptores distribuidos en varios tejidos distintos, como la hormona tiroxina (T4) -producida por la glándula tiroides- que incrementa la velocidad de muchas reacciones químicas en casi todas las células del cuerpo. La respuestas de las células diana a las hormonas puede durar desde unos segundos a horas, días, etc., incluso ser permanentes como por ejemplo el crecimiento de los huesos en la infancia. Los múltiples sistemas hormonales del cuerpo intervienen en la regulación de casi todas las funciones del mismo, incluidos el metabolismo, el crecimiento y desarrollo, el equilibrio hidroelectrolítico, la reproducción y el comportamiento. En la siguiente figura se muestra la localización anatómica de las principales glándulas y tejidos endócrinos del cuerpo, y se indica qué hormonas produce. 398 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Estructuras y funciones del sistema endócrino El hipotálamo y la hipófisis, como veremos, son las principales glándulas que regulan el funcionamiento de todas las otras, son los “directores de la orquesta endrócrina”. El hipotálamo produce hormonas que estimulan o inhiben a la hipófisis, y ésta produce hormonas para estimular todas las restantes glándulas. Las glándulas tiroides y paratiroides influyen en el metabolismo (velocidad de las reacciones químicas) y en el metabolismo del ión Ca++, regulando su concentración en sangre (calcemia). Producen hormonas tiroideas (T3 y T4) y paratohormona respectivamente. El páncreas tiene funciones digestivas pero también endócrinas regulando la concentración de la glucosa en sangre (glucemia), a partir de la secreción de insulina y glucagón. Las gónadas -ovarios y testículos- producen tanto gametas como hormonas sexuales, regulando mecanismos asociados a la reproducción. Las glándulas suprarrenales secretan hormonas que regulan el metabolismo y las respuestas al estrés. Estas hormonas son cortisol, aldosterona y tetosterona producidas en la corteza suprarrenal, y adrenalina y noradrenalina producidas en la médula suprarrenal. La glándula pineal (produce melatonina), el timo (produce timosinas), los riñones (produce eritropoyetina y renina), el corazón (produce péptido natriurético atrial), el tubo digestivo (produce gastrina, secretina, colecistoquinina, entre otras) y el tejido adiposo (produce leptina) también funcionan, en algún punto, como glándulas endócrinas. ¿Cómo actúan las hormonas? Las hormonas son mensajeros químicos de muy diversas naturalezas químicas (peptídicas, proteicas, derivadas de aminoácidos, esteroidales, etc.) algunas hidrosolubles y otra liposolubles. Todas son secretadas por una célula emisora a la sangre, por medio de la cual llegan a la célula diana que tiene receptores específicos y donde desencadenan la respuesta. La hormona en el torrente sanguíneo llega a todas las células del cuerpo, pero sólo van a responder células y tejidos que posean receptores específicos para la misma. Los tejidos que no posean receptores, no se inmutan en presencia de la hormona. Ejemplo: la oxitocina es capaz de contraer el músculo liso del útero durante el trabajo de parto- y de contraer las células mioepiteliales que en la glándula mamaria producen la eyección de la leche durante la lactancia, porque tanto el miometrio como la glándula mamaria tienen receptores para oxitocina, pero no actúa sobre los demás músculos (esqueléticos o cardíaco por ejemplo) ya que éstos no tienen receptores apropiados. 399 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El mecanismo de acción de la hormona depende de si posee receptores membranosos o intracelulares: Receptores membranosos: aquí se ubican los receptores de hormonas hidrosolubles: las derivadas de aminoácidos y las peptídicas en general, como por ejemplo la insulina. Como son polares, no les gustan los lípidos y no pueden por lo tanto atravesar la membrana plasmática libremente (que como sabemos es una capa doble de puros fosfolípidos). Por este motivo tienen receptores expuestos en la membrana. Cuando el receptor se activa, se generan una serie de reacciones químicas que transducen el mensaje químico al interior de la célula, mediante la activación de segundos mensajeros en cascada. Esto amplifica enormemente la respuesta, ya que cada hormona activa moléculas (como por ejemplo la proteína G) que cada una activa varias moléculas que a su vez cada una activa varios segundos mensajeros. Generalmente el resultado final es la activación o inhibición de proteínas y enzimas citoplasmáticas que por lo tanto aumenta o disminuye alguna reacción química particular, o la lleva a liberar vesículas, etc. Ejemplos de segundos mensajeros intracelulares son el AMP cíclico, el Ca++, el diacilglicerol (DAG) y el inositol trifosfato (IP3). Receptores citosólicos o nucleares: estos son los receptores de hormonas liposolubles: las esteroideas como por ejemplo las hormonas sexuales y las hormonas de la corteza suprarrenal- y las hormonas tiroideas. Como son apolares, difunden fácilmente por la membrana y llegan a contactar directamente con receptores intracelulares, ya sea en el citoplasma o en el núcleo. El complejo hormona-receptor se une al ADN en la región promotora de genes específicos y estimula la transcripción del ARN para dirigir la síntesis de alguna proteína en particular. Este control mecanismo de acción se llama “genómico”. 400 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Retroalimentación negativa y positiva La liberación de hormonas es regulada por mecanismos de retroalimentación, en inglés “feedback”. Tenemos dos tipos: Feedback negativo: Es la manera de controlar y regular la liberación de la mayoría de las hormonas. El feedback negativo implica que los cambios o respuestas generados por una hormona, cuando llegan a un determinado nivel, son detectados en el cuerpo y ese estímulo basta para inhibir la secreción de la misma. Ejemplo: las glándulas paratiroides, que son 4 pequeños discos de células endócrinas ubicadas detrás de la tiroides, producen paratohormona. La principal función de ésta es aumentar el calcio en la sangre (calcemia). Si los niveles de Ca2+ bajan en la sangre por cualquier motivo, se estimula la producción de paratohormona para que active mecanismos que aumentan el Ca2+ en la sangre: estimula a los huesos para que liberen el Ca2+ contenido en ellos a la sangre, y estimula al riñón para que reabsorba más calcio así lo devuelven a la sangre en vez de permitir su eliminación en la orina. El mismo Ca+2 en altas concentraciones en la sangre es el que inhibe a la glándula para que deje de producir paratohormona (retroalimentación negativa). De esta forma se asegura la homeostasis del calcio. El feedback negativo en el cuerpo es la base de la homeostasis. Todos nuestros procesos fisiológicos se regulan a través de sistemas de retroalimentación negativa. Feedback positivo: Hay muchos menos ejemplos. El feedback positivo implica que el cambio generado por la hormona, genera más liberación de la hormona en vez de su bloqueo. Aumenta el efecto y esto genera más producción de hormona, y más efecto, y así sucesivamente. Este círculo vicioso en algún momento debe terminar o la variable en cuestión llegaría a un límite que no sería compatible con la vida. Por ello todo mecanismo de feedback positivo es temporal y se circunscribe en un sistema de feedback negativo mayor. Ejemplo: la oxitocina en el trabajo de parto. Esta hormona estimula las contracciones uterinas en el trabajo de parto, momento en que se libera masivamente. Estas contracciones empujan la cabeza del bebé contra el cuello del útero lo que genera su dilatación. La dilatación del cuello del útero envía 401 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros señales nerviosas al cerebro de la madre lo que genera mayor producción de oxitocina. Ésta genera más contracciones uterinas lo que lleva a más dilatación del cuello, y por lo tanto más liberación de la hormona. Este círculo vicioso termina tras el parto, cuando la liberación de oxitocina se detiene. Ejemplo de feedback negativo: el hipotálamo produce una hormona que estimula la producción de TSH por parte de la hipófisis. A su vez, la TSH estimula la producción de hormonas tiroideas -como la tiroxina- por la glándula tiroides. Cuando la tiroxina alcanza cierto nivel de concentración en sangre, ella misma es la que inhibe al hipotálamo y a la hipófisis a que dejen de estimular su producción. Video: Retroalimentación en el ciclo menstrual El Hipotálamo controla las secreciones de la Hipófisis El HIPOTÁLAMO se encuentra en el cerebro y lo conforman un cúmulo de células neurosecretoras (neuronas que liberan sus neurotransmisores a la sangre) la cuales secretan hormonas peptídicas según determinados estímulos. La glándula HIPÓFISIS por su parte es una pequeña glándula de menos de 1 cm de diámetro y 1 gramo de peso que está justo debajo del hipotálamo, unido al mismo por un tallo. Las secreciones de la hipófisis se ven reguladas -estimuladas o inhibidas- por las hormonas liberadoras o inhibidoras que secreta el hipotálamo. Ejemplo: para producir y liberar la hormona ACTH, la hipófisis requiere de la llegada de la hormona “liberadora de ACTH” que produce el hipotálamo. 402 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros La hipófisis se divide en dos porciones: Adenohipófisis (anterior) y neurohipófisis (posterior). La hipófisis anterior o adenohipófisis: ocupa el 75% del peso total de la glándula. Está integrada por varias células productoras y secretoras de hormonas que dependen de la regulación por parte de las hormonas hipotalámicas. Las hormonas que secreta son: Prolactina: Estimula el desarrollo de las glándulas mamarias y la producción de leche. No existe una función normal conocida de la prolactina en los hombres. Hormona de crecimiento (GH): Actúa sobre varios tejidos del cuerpo incrementando la síntesis proteica (hormona anabólica). Regula el metabolismo de glúcidos y lípidos. En la niñez estimula el crecimiento de los huesos, influyendo en la estatura final del adulto. Un exceso de producción de esta hormona en la niñez provoca gigantismo y una insuficiencia provoca enanismo. En el adulto sigue siendo importante, mantiene el equilibrio correcto entre el tejido muscular, óseo y graso del organismo. Gonadotrofinas: Hormona folículo-estimulante (FSH) y Hormona luteinizante (LH): Actúan sobre las gónadas (ovarios y testículos) promoviendo la gametogénesis y la producción a la vez de hormonas sexuales (esteroideas) por parte de éstas. A los ovarios los induce a la producción de estrógenos como estradiol- y progestágenos -como progesterona-, y a los testículos los induce a producir andrógenos, como la testosterona. Estas hormonas están presentes desde la etapa fetal en adelante, con un importante pico en la pubertad durante la cual estimulan la maduración del sistema reproductor y el desarrollo de los caracteres sexuales secundarios: en varones vello púbico, axilar, corporal y facial, desarrollo muscular, cambio de la voz; en mujeres vello púbico y axilar, desarrollo de las mamas, regulación del ciclo menstrual. A partir de acá afectan el comportamiento y la función cerebral durante toda la vida. Adrenocorticotrofina (ACTH): Estimula a la corteza suprarrenal (o “adrenal”) para que ésta produzca y libere sus hormonas esteroideas adrenales: Glucocorticoides: como el cortisol. importante para el metabolismo de glúcidos, lípidos y proteínas; y en el control de las respuestas al estrés. Mineralocorticoides: como la aldosterona. Regula el metabolismo hidrosalino. Favorece la retención de Na+ por parte del riñón (su reabsorción en los túbulos de la nefrona) y con él, la 403 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros retención de agua, ya que el Na+ tiene poder osmótico y atrae agua. Entonces regula la natremia (concentración de Na+ en sangre). Recordemos que el sodio es un ión de vital importancia para asegurar un adecuado potencial de membrana, necesario para la producción de señales eléctricas por ejemplo. La secreción de aldosterona es inducida también por la angiotensina II, hormona que depende de renina producida por el riñón: sistema renina-angiotensina-aldosterona. Testosterona: tanto en varones como mujeres, la corteza suprarrenal produce una pequeña cantidad de testosterona. En las mujeres un exceso de esta hormona puede generar síntomas de virilidad. Se cree que las antiguas “mujeres barbudas” de circo, padecían esta condición, tal vez por tumores en la glándula suprarrenal. Tirotrofina (TSH): Estimula a la glándula tiroides para que produzca y libere sus hormonas: las hormonas tiroideas: T3 (triyodotironina) y T4 (tiroxina). Las cuales influyen en el metabolismo celular. Son derivados aminoácidos que contienen yodo. Elevan el índice metabólico de muchas células del cuerpo y se requieren para el estado de alerta mental, para la concentración, etc. En el niño ayudan a regular el crecimiento y el desarrollo del sistema nervioso, por lo que una insuficiencia no diagnosticada a edad temprana puede provocar cretinismo: una condición caracterizada por retraso tanto mental como del desarrollo físico. La glándula tiroides también produce cacitonina cuya función es bajar la calcemia si está elevada, siendo así la antagonista de la paratohormona que produce la glándula paratiroides. Hormona melanocito-estimulante (MSH): Estimula la producción de melanocitos en la piel, quienes producen el pigmento melanina. En el ser humano la zona de la hipófisis que la produce -un lóbulo medio entre la adenohipófisis y la neurohipófisis- está atrofiado, sus funciones son más visibles en peces, anfibios y reptiles. La hipófisis posterior o neurohipófisis consiste principalmente en una red de capilares y las terminaciones de células neurosecretoras cuyos cuerpos celulares se encuentran en el hipotálamo. Contiene por lo tanto axones y terminales axonales. Es decir, no produce sus propias hormonas, aquí se liberan hormonas que se produjeron en el hipotálamo pero cuyos axones terminan a este nivel y se vuelcan a la sangre. Estas hormonas son: Hormona antidiurética o vasopresina (ADH): Ayuda a prevenir la deshidratación, su función es retener agua. Para ello expone acuaporinas en los túbulos colectores de la nefrona renal, para aumentar la reabsorción de agua, concentrando más la orina. Se llama antidiurética porque “evita la diuresis” (orinar). También tiene función vasoconstrictora. El alcohol inhibe la liberación de ADH aumentando la cantidad de orina, lo que podría llevar a la deshidratación. Esta deshidratación/sobrehidratación es la causa de la conocida “resaca”. Oxitocina: Provoca las contracciones del músculo uterino durante el parto (ejemplo de retroalimentación positiva). Así mismo dispara el “reflejo de bajada de la leche” durante el amamantamiento, contrayendo las células mioepiteliales (pequeños músculos) de la glándula mamaria ante el estímulo de la succión del bebé para que la leche sea liberada hacia el pezón. 404 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros El eje hipotálamo-hipofisario: inhiben Retroalimentación negativa 405 Biología QUANTUM Ingreso a Medicina UNC- Prof. Cristian Quinteros Otras glándulas endócrinas Hemos visto que muchas glándulas endócrinas dependen en forma directa del estímulo de las hormonas hipofisarias para su funcionamiento: la glándula mamaria, las gónadas, la corteza adrenal, la tiroides. Pero en el cuerpo existen otras glándulas que no dependen del eje hipotálamo-hipofisario. Éstas son: Paratiroides: pequeñas glándulas del tamaño de un guisante ubicadas detrás de la tiroides que producen paratohormona (PTH): regula el metabolismo del calcio. Su producción se ve afectada por la misma calcemia: en hipocalcemia, se ve estimulada; en hipercalcemia se ve inhibida (retroalimentación negativa). Páncreas: el páncreas es una glándula exócrina -porque libera enzimas al tubo digestivo- y a la vez endócrina porque produce hormonas para la sangre. Es una glándula de “secreción dual”. Las hormonas que produce son principalmente insulina (en células beta) y glucagón (en células alfa), las cuales regulan el metabolismo de glúcidos y lípidos, de forma antagónica: La insulina es una hormona hipoglucemiante: se libera cuando la glucosa está alta en sangre (normalmente justo después de las comidas), y hace que la misma ingrese a los tejidos y se almacene como glucógeno (glucógenogénesis). Cuando la glucosa ya está baja en sangre, se inhibe la producción de insulina (retroalmentación negativa) El glucagón es el antagonista, es una hormona hiperglucemiante: se libera cuando la glucosa está baja en sangre y promueve la glucogenólisis para que aumente glucosa disponible en sangre. Si hay una deficiencia de producción de insulina (defecto en el páncreas), o una pobre respuesta de los receptores a la misma (defecto en las células blanco), se produce diabetes mellitus, caracterizada por hiperglucemia. Glándula pineal: está entre los hemisferios del cerebro y produce melatonina, hormona asociada a la regulación del ciclo vigilia-sueño. La melatonina promueve el sueño, se sabe que la oscuridad captada por los ojos (noche) aumenta su producción; mientras que la luz (día) la inhibe. Se administra en forma exógena como auxiliar para dormir cuando es apropiado. Riñones: producen eritropoyetina, que estimula la formación de eritrocitos en la médula ósea; y renina, que ayuda a retener líquido y aumentar la presión arterial si está baja, mediante la activación del eje reninaangiotensina-aldosterona. Células del estómago e intestino: producen una gran variedad de hormonas en general de acción sobre el mismo sistema digestivo: secretina, grelina, colecistoquinina, gastrina, entre otras. Corazón: produce péptido natriurético atrial cuya acción es disminuir la volemia (volumen de líquido en sangre) si está aumentada, mediante la inhibición de la ADH y de la aldosterona, para que el Na+ se secrete más y se reduzca la reabsorción de agua. Tejido adiposo: libera leptina, que estaría asociada a la sensación de “saciedad”. Ratones en laboratorio a los que se les quitó el gen de la leptina, se volvieron obesos, y mientras que las inyecciones de leptina hicieron que bajaran su masa corporal. En humanos aún no han sido alentadores los ensayos para demostrar que la leptina tenga una acción directa sobre la causa o tratamiento de la obesidad. 406 Biología QUANTUM- Ingreso a Medicina Glosario de Proteínas Alfa actinina: proteína ligadora - une filamentos de actina a sustancia amorfa (microvellosidades) - participa en la unión del MF de actina a la integrina (contacto focal) y a las cadherinas (desmosoma en banda) Actina: proteína globular que se polimeriza formando microfilamentos de 6 a 8 nm (actina F) Participa en: microvellosidades y estereocilios, uniones oclusivas, desmosomas en banda y contactos focales; ciclosis, citocinesis, contracción muscular y migración celular; emisión de pseudópodos y endocitosis Adaptina: proteína que adapta el dominio citosólico del receptor a los trisqueliones (cubierta de clatrina - endocitosis) ADN polimerasa: enzima que catalizan las uniones fosfodiester en la sintesis de ADN (Replicación) alfa: sintetiza las porciones de ADN que deben reemplazar al secuencia de la insulina cebador o primer delta: sintetiza la cadena contínua gamma: sintetiza la cadena discontinua o retrasada Albúmina: proteína de síntesis hepática que representa el 60% del total de las proteínas plasmáticas. Interviene en el transporte de sustancias y regula la presión osmótica en el interior de los vasos (presión oncótica) Anquirina: proteína de unión entre la espectrina y la proteína transmembrana Banda 3 en el eritrocito ATP sintasa: complejo F0-F1 - cataliza la síntesis de ATP a partir de ADP, un grupo fosfato y la energía suministrada por un flujo de protones ARN polimerasa: enzima que catalizan las uniones fosfodiester en la síntesis de ARN (Transcripción del ADN) I: ARN 45 S II: ARNm y la mayoría de ARNpn III: ARNt, ARNr 5 S, ARNpc y el resto de ARNpn Cadherina: proteína transmembrana que participa en la adhesión celular, media la unión célula-célula. Son dependientes de Calcio. Capsómero: subunidades que forman la cápside viral Catalasa: enzima que cataliza la formación de H20 y O2 utilizando H202 como sustrato en peroxisomas. Catenina: Proteína ligadora que participa en la unión de los MF de actina y las cadherina en los desmosomas en banda. Caveolina: proteínas transmembrana que están presentes en las caveolinas Chaperonas: familia de proteínas acompañan a las proteínas neoformadas, evitando su plegamiento prematuro y asegurando que el mismo sea correcto HSP 60: polímero formado por chaperoninas que forma un tubo con una luz central donde se ubica la proteína para favorecer su plegamiento correcto. HSP 70: monómero de forma cóncava que recibe a la primera porción de las proteínas sitetizadas en el citosol. HSP 90: se asocia a proteínas destinadas al núcleo, como receptores citosólicos de hormonas. CBP: Cap binding protein, proteína que se une al cap del extremo 5´del ARN mensajero y lo habilita para ejercer su función codificadora en el citosol. Clatrina: cubierta proteica formada por trisqueliones que participa en la formación de vesículas (Golgi --> endosomas y las vesículas de secreción regulada) y en la endocitosis (formando vesículas cubiertas) Colecistoquinina (CCK): hormona que se libera estimulada por la llegada de grasas al duodeno. Actúa sobre la contracción de la vesícula biliar, que libera bilis a la 2da porción del duodeno y ejerce una acción detergente sobre los lípidos. Ciclina: proteínas de liberación cíclica que forma complejos con quinasas, capaces de regular el ciclo celular. (CG1 + cdk2→ SPF = induce fase S / CG2 + cdc2 → MPF = induce fase M) Cinetocoro: placas proteicas que se asocian a los laterales de los centrómeros de los cromosomas, a través del cual se fijan las fibras cinetocóricas (del huso mitótico) Conexinas: proteína transmembrana que forma la unión Nexus o GAP (6) Colágeno: proteína fibrosa que abunda en la matriz extracelular. Colecistoquinina (CCK): hormona Cromatina: Nucleoproteía. ADN + histonas (proteínas básicas) se encuentra en el núcleo de células eucariotas Biología QUANTUM- Ingreso a Medicina Desmina: filamentos intermedios presentes sobretodo en células musculares. En músculo liso se hayan unidos a actina y en el musc. cardíaco asociado a desmosomas Desmogleína: proteína transmembrana de la familia de las cadherinas, que se une hacia el lado citosólico a filamentos de queratina y en el extracelular a su proteína homóloga de la célula vecina (desmosomas puntiformes) Desmoplaquina: media la unión de cadherinas (desmogleína y desmocolina) a los filamentos intermedios de queratina formando una placa densa (desmosomas puntiformes) Desmocolina: proteína transmembrana de la familia de las cadherinas, que se une hacia el lado citosólico a filamentos de queratina y en el extracelular a su homóloga de la célula vecina (desmosomas puntiformes) Dineína ciliar: proteína motora con función ATPasa presente en cilios y flagelos, se ubica como brazos que parten del MT A hacia el MT del par adyacente en el axonema. Dinamina: MAP motora presente en axones neuronales Elastina: proteína de estructura fibrosa Espectrina: proteína filamentosa que forma parte de la red del citoesqueleto de los eritrocitos. también la encontramos uniendo los filamentos corticales de actina en la base de las MV Eritropoyetina: hormona sintetizada en el riñón que estimula la eritropoyesis en la médula ósea en respuesta a hipoxia. Exportina: proteína que se une a la señal NES y gestiona la salida de las proteínas hacia el citosol a través del complejo del poro. Filamina: contribuye a la formación de andamios ortogonales de actina, que da lugar a la formación de lamelipodios y filopodios en el proceso de migración celular. Fimbrina: proteína ligadora que une los MF de actina en el eje longitudinal de las MV Fibrinógeno: proteína plasmática que interviene en la formación del coágulo. (hemostasia) Fibronectina: proteína de la MEC, participa en la unión de integrinas a fibras colágenas (contacto focal), interviene en la migración celular mediada por haptotaxis Fodrina: proteína ligadora que une los dominios citosólicos de proteínas transmembranas (como bombas) a los MF de actina corticales Flagelina: componente de los flagelos en células procariotas Filagrina: proteína ligadora que une filamentos de queratina Gastrina: hormona secretada por las células G del estómago en presencia de alimentos ricos en proteínas, que estimula la motilidad y la secreción gástrica de mucus y HCl. Gelsolina: fragmenta los MF de actina para desarmar los andamios ortogonales, contribuyendo a la migración celular. Dependiente de Ca Globulinas: proteínas del plasma que intervienen en el transporte de lípidos, vitaminas liposolubles y participan en la respuesta inmune (gamma globulinas A, D, E, G y M sintetizadas por plasmocitos) Glucagón: hormona hiplerglucemiante, sintetizada por el pancreas endócrino en respuesta a un estado de hipoglucemia. Estimula la neoglucogénesis y la glucogenólisis. Es una hormona catabólica. Helicasa: enzima que degrada las uniones por puentes de H en el ADN y separa las cadenas para la replicación. Hemoglobina: cromoproteína/metaloproteína formada por globina (apoproteína) + hemo (contiene Fe) presente en los eritrocitos. Es la encargada de transportar los gases CO2 y O2 desde y hacia todas las células del organismo Hidrolasas ácidas: enzimas que degradan compuestos, contenidas en los lisosomas (actúan a un pH < 5) Hialuronidasa: enzima presente en el acrosoma del espermatozoide, digiere el ácido hialurónico que mantiene unidas a las celulas foliculares de la corona radiada del ovocito (Reacción acrosómica) Importina: heterodímero que se une a la señal NSL y media la translocación de las proteínas que deben ingresar al núcleo con gasto de GTP. Integrina: proteínas transmembranas que participan en la unión de la célula con elementos de la MEC. En hemidesmosomas de unen a colágenos a través de laminina y en los contactos focales a través de fibronectina Inmunoglobulinas: anticuerpos liberados por plasmocitos que se unen a antígenos específicos, formando el complejo Ag-Ac Insulina: hormona proteica hipoglucemiante que sintetiza el páncreas endócrino y se libera en respuesta a una hiperglucemia (aumento de glucosa en sangre). Tiene efectos anabólicos. Laminina: proteína de la MEC, media la unión de integrinas con fibras de colágeno de la lámina basal (hemidesmosomas), abundante en la lámina Lúcida (porción de la lámina basal próxima al epitelio) MAP: proteínas asociadas a microtubulos que pueden ser: reguladoras: gamma-tubulina, map tau, maps neuronales I y II motoras: dineína y quinesina (ciclosis), dinamina (en neuronas), dineína ciliar (movilidad de cilios y flajelos) Ligadoras: nexina, radiales y proteínas de la vaina central. Mioglobina: cromoproteína (+ Fe) (heteroproteína) muscular responsable del transporte y amacenamiento de O2 dentro del tejido muscular Miosina: proteína motora asociada a actina, con actividad ATPasa y dependiente de Ca Biología QUANTUM- Ingreso a Medicina I: posee una cabeza y una cola II: posee una cabeza fibrosa y 2 cabezas en un extremo. Interviene en fenómenos de contracción muscular y no muscular (citocinesis) N1: proteína accesoria ligadora, ácida que media la unión entre las histonas H3 y H4 Nexina: proteína ligadora que une el MT A de un par periférico con el MT del par adyacente en la estructura de axonema (9+2) (cilios y flagelos) Nucleoplasmina: proteína accesoria ligadora, ácida que media la unión entre las histonas H2a y H2b Ocludina proteína transmembrana que se une con proteínas homólogas de otra célula para formar una unión de tipo oclusiva. Hacia el citoplasma se une a filamentos de actina. P53: proteína supresora de tumores que controla el estado del ADN antes de que la célula ingrese a la fase S, y si comprueba daño provoca la muerte celular (apoptosis) Paxilina proteína ligadora que participa en el contacto focal uniendo la integrina con los MF de actina Pepsina: enzima proteasa liberada por las células principales del estómago, en forma de zimógeno (pepsinógeno) y activada por el HCl y la misma degradación peptídica (retroalimentación positiva) Pilina proteína que conforma los pilis sexuales en bacterias (conjugación: transferencia de genes que provee variabilidad genética y se relaciona con mecanismos de resistencia bacteriana) Placoglobina proteína ligadora que participa en la unión de filamentos de actina a las cadherinas transmembranarias en (desmosomas en banda) y los FI de queratina con los en los desmosomas puntiforme → aquí forma una placa discoidal Plactina proteína ligadora que une filamentos intermedios de VIMENTINA Poro, complejo del Subunidad columnar: 8 proteínas que forman una pared cilíndrica en el sitio de unión entre la membrana externa y la interna del núcleo. En los extremos interior y exterior forma anillos. Subunidad luminar: (anclaje) proteína que amarra las columnas a la envoltura nuclear. Subunidad anular: (radiales) se proyectan desde las proteínas columnares hacia el centro, haciendo que el poro funcione como un diafragma. Fibrillas proteicas: cadenas proteicas que se proyectan hacia el interior del poro y hacia el citosol e intervienen en el transporte de moléculas Primasa: ARN polimerasa que sintetiza el cebador o primer (segmento de 10 nucleótidos de ARN) en los primeros segmentos de la replicación. Profilina Proteína reguladora que promueve la polimerización de los monómeros de actina Ptialina: amilasa salival, enzima de degrada las uniones glucídicas de los hidratos de carbono durante la masticación de los alimento, actuando hasta que el bolo alimentario llega la estómago. Queratina filamento intermedio formado por monómeros de citoqueratina, abundante en epidermis, uñas, pelos, glándulas y mucosas. Participa en la adhesión celular (forma parte de desmosomas y hemidesmosomas) Quinesina proteína motora asociada a MT citosólicos que se encarga del transporte de organoides y vesículas (ciclosis) hacia el extremo +. Renina: hormona sintetizada por las células granulares del aparato yuxtaglomerula del riñón, que se libera en respuesta a la hipotensión y estimula el eje renina-->angiotensina→ aldosterona. El resultado es un aumento de la volemia y de la vasocontricción que genera un aumento de la PA. Riboforina: proteína presente en la membrana del RER que media la unión de la subunidad mayor del ribosoma (actúa como receptor y anclaje) También presente en carioteca. RNPpno: ribonucleoproteínas (U3, U8, U13) participan en el procesamiento del ARNr y la formación de subunidades ribosomales en la porción granular del nucleolo. Secretina: hormona que se libera ante la llegada del quimo ácido al duodeno, y promueve la secreción de jugo pancreático, (pancreas exócrino) rico en enzimas digestivas y HCO2Selectina: glucoproteínas y glucolípidos que median la unión de membranas plasmáticas de células que se unen entre si de forma HETEROFÍLICA. Principalmente entre células del sistema inmunitario Sinamina: proteína ligadora que une FI de desmina entre si Talina proteína ligadora que participa en el contacto focal uniendo la integrina con los MF de actina Telomerasa: enzima que dirige la replicación del ADN en la región del telómero. Titina proteína más grande conocida hasta el momento. Presente en miocitos, actúa como un resorte en el sarcómero (unidad funcional del musculo) evitando que se acorte de manera excesiva el sarcómero. Mantiene la tensión de las fibras (no es proteína motora) Timosina proteína que inhibe el nucleamiento del trimero de actinas G y su polimerización en el filamento en crecimiento Topoisomerasa: enzimas que en trabajo conjunto con la helicasa, disminuyen la tensión torsional acumulada en el superenrollamiento de la cadena de ADN. Transcriptasa inversa enzima presente en Virus ARN o retrovirus que sintetiza ADN a partir de una molécula de ARN (es una ADN polimerasa) Biología QUANTUM- Ingreso a Medicina Troponina T subunidad que empuja a la tropomiosina. Se encuentra unida a la troponina C C subunidad activa del complejo, capaz de ligar Ca, produciendo un cambio conformacional que desplaza a la troponina T y separa a la troponina I de la actina I inhibe la interacción actina-miosina y la actividad ATPasa de miosina II Tropomiosina proteína fibrosa que se sitúa entre la actina F y miosina II. (Cuando el complejo proteico de troponinas se activa ante la presencia de Ca, la troponina T desplaza a la tropomiosina permitiendo la interacción entre actina y miosina II) Tubulina: familia de proteínas globulares que conforman tubulina alfa. beta y gamma. Las 2 primeras forman el heteródimero (alfa-beta) responsable de la formación de microtúbulos la Tubulina gamma, actúa como proteína reguladora en el centrosoma (matriz centrosómica) Ubiquitina: reconoce la secuencia “PEST” en proteínas que deben ser degradadas, y participa en su transporte hacia los proteasomas. Vasopresina: hormona antidiurética sintetizada por las neuronas del hipotálamo, OJO! pero liberada por la neurohipófisis (posterior) en respuesta a un aumento en la osmolaridad. Promueve la reabsorción de agua en el TCD y primera porción del TC (células principales) ZP: Familia de glucoproteínas de la membrana pelúcida que recubre al ovocito, que actúan como factores de reconocimiento y adhesión frente a receptores del espermatozoide durante la fecundación.
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