6 CELULA.doc

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR
CITOLOGIA Y METABOLISMO
Introducción: Origen de la célula, de la célula procariota a la eucariota; aspectos
evolutivos.
En el siglo XVII A. Van Leeuwenhoek construye el primer microscopio y Robert Hooke
describe su observación al microscopio de una lámina delgada de corcho llamando
células a las estructuras observadas, posteriormente se determino que lo observado por
Hooke fueron las paredes celulares de células vegetales.
Desde 1837 hasta 1855 Schleiden, Swann y Wirchow elaboran la teoría celular con
dos postulados: 1º La célula es la unidad anatómica y funcional del ser vivo. 2º Toda
célula procede de otra célula.
En 1938 El científico soviético A.I. Oparín enunció la teoría sobre el origen de la
vida,independientemente Haldane en Inglaterra elaboró un teoría similar, esta teoría fue
apoyada experimentalmente por Miller en 1953. La teoría de Oparín es actualmente la
más aceptada aunque se encuentra aún en fase de revisión, esta teoría intenta explicar
la aparición de materia orgánica a partir de la materia inorgánica existente en la tierra, se
calcula la edad de la tierra en 4.500 millones de años y la aparición de la vida hace unos
3.900 millones de años, en ese momento la tierra tendría una atmósfera reductora sin
oxígeno, rica en CH4, CO2, NH3, y vapor de agua, la atmósfera era muy permeable a la
radiación solar y se producirían grandes diferencias de temperatura entre el día y la
noche y descargas eléctricas, estas condiciones fueron simuladas en el laboratorio por
Miller en su experimento, con estas condiciones se supone que se formarían moléculas
orgánicas a partir de la atmósfera. Desde la formación de esta moléculas hasta la
aparición de células hay una secuencia evolutiva (Ver esquema pág 15 del libro de
Anaya) consistente principalmente en la formación de una molécula capaz de
autoduplicarse ( supuestamente ARN) y de dirigir la síntesis de otras moléculas
(proteínas), para ello necesitaría un código genético. El siguiente paso sería que esta
molécula se aislase en el interior de una membrana que produjera diferencias entre el
interior y el exterior y permitiera el intercambio de sustancias y después un mecanismo
de reproducción y reparto de las moléculas sintetizadas dentro de la membrana.
Células procariotas y eucariotas
Para que un agregado de moléculas sea considerado célula, en primer lugar tienen
que existir diferencias entre este agregado y el resto, eso se consigue con una
membrana que aísle a este conjunto de moléculas; también tiene que tener capacidad
de crecer para ello tiene que haber un aparato enzimático capaz de sintetizar moléculas
(Ribosomas) y mecanismos de incorporación de más moléculas en la membrana; por
último tiene que tener una manera de dividirse capaz de trasmitir la información para que
una vez dividida en dos, estas puedan seguir desarrollándose de igual manera. Todos
estos requerimientos los tienen las actuales células procariotas (membrana
semipermeable, Material genético y ribosomas) aparte de esto las actuales células
procariotas (Bacterias, cianobacterias o algas verdeazules y micoplasmas) han
evolucionado principalmente en dos sentidos: producen una cápsula esquelética de
naturaleza glucoproteica que las protege de choques osmóticos y producen
invaginaciones de la membrana que se llaman mesosomas en las bacterias y tilacoides
en las cianobacterias que aumentan la superficie de la membrana para un determinado
volumen y que guardan relación con mecanismos de obtención de energía producidos
con el concurso de proteínas apoyadas en la membrana.
Otra línea evolutiva fue la seguida por las células eucariotas, la presencia de un
código genético universal hace suponer que las actuales células eucariotas
evolucionaron a partir del mismo tronco común de las procariotas, pero que
evolucionaron hasta la actualidad en dos tendencias principales:
1ª Los orgánulos membranosos y la membrana nuclear proceden de la tendencia al
desarrollo de esas invaginaciones de la membrana que también se producen en las
procariotas, el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi, los lisosomas, las vacuolas
son los orgánulos producidos por esas invaginaciones, cada uno realiza una función
determinada, parte de estas membranas se agrupan formando la membrana nuclear
cuyo único fin es resguardar al material genético y permite que a lo largo de la evolución
haya ido aumentando en cantidad, sin perdidas por errores en los mecanismos de
división.
2ª La teoría endosimbiótica propone la simbiosis de una de estas células con un
aparato membranoso muy desarrollado y por tanto de mayor tamaño, con una o varias
células procariotas que se incluían dentro de ella, en vesículas de endocitosis y que se
especializaron en la obtención de energía. Esta relación endosimbiótica daría origen a
las actuales mitocondrias y cloroplastos, esta teoría está apoyada por varias
observaciones: estos orgánulos tienen ADN circular y ribosomas en su interior como las
actuales procariotas; se multiplican por división de las ya existentes en la célula y nunca
se forman de nuevo; tienen doble membrana, la interior está replegada para aumentar
su superficie, donde se obtiene energía; En algunas ocasiones los cloroplastos pueden
seguir siendo funcionales incluidos en otras células diferentes a las de origen, lo que
confirma que son orgánulos bastante autónomos (Se ha descubierto cloroplastos
fotosintéticos en células de nudibranquios, unos caracoles, que se incorporan a sus
células procedentes de las algas de las que se alimentan y siguen realizando la
fotosíntesis dentro de ellas aunque sean células animales.
Membrana plasmática. Composición y estructura
La membrana plasmática es el límite de la célula, es semipermeable y selectiva,
permite el intercambio entre la célula y el medio extracelular de forma selectiva y es así
como origina las diferencias entre el citoplasma y el medio extracelular (si fuese
completamente impermeable no dejaría nutrirse a la célula y por lo tanto no habría
desarrollo ni crecimiento, no habría ser vivo; si fuese completamente permeable no
habría diferencias entre el interior y el exterior no podríamos definir si el ser vivo es lo de
dentro o lo de fuera). También es la zona que recibe los estímulos procedentes del
exterior; se puede decir que la membrana tiene a su cargo las funciones de nutrición y
de relación de la célula.
Está compuesta aproximadamente por un 50% en peso de proteínas y un 50% de
lípidos, pero como las proteínas son más densas la mayor parte de la superficie de la
membrana está formada por lípidos.
Los lípidos de membrana son los fosfolípidos, los glucolípidos y el colesterol, todos
estos lípidos comparten una característica fisicoquímica, son todos anfipáticos, poseen
una zona polar y otra apolar.
Estructura de la membrana:
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Históricamente ha habido varios modelos de membrana, hoy día se acepta como
demostrado el modelo propuesto en 1972 por Singer y Nicholson, modelo de mosaico
fluido.
La membrana está formada por una doble capa de fosfolípidos colocados con sus
colas apolares enfrentadas, al microscopio electrónico se ven tres bandas, una clara
entre dos densas, que miden aproximadamente 100 Å de grosor; entre estos fosfolípidos
se intercala el colesterol y las proteínas formando un mosaico. Entre los fosfolípidos hay
interacciones hidrofóbicas pero no uniones covalentes por lo que esta bicapa es fluida.
los fosfolípidos suelen tener uno de los ácidos grasos insaturado lo que produce una
torsión con respecto a otro, esto hace que aumente la fluidez de la membrana, el
colesterol también proporciona fluidez a la membrana. los fosfolípidos difunden en todas
las direcciones del plano de la membrana libremente, también giran sobre si mismos y
rara vez se intercambian de capa (flip-flop)
Las proteínas de membrana pueden ser clasificadas por su localización en la
membrana en:
Periféricas o extrínsecas; Se separan fácilmente de la membrana por métodos
suaves, suelen ser enzimas apoyadas en la membrana o receptores de estímulos.
Integrales o intrínsecas, también se llaman proteínas transmembrana porque la
atraviesan de parte a parte, se separan difícilmente de la membrana utilizando
disolventes, suelen ser transportadores de moléculas.
Las proteínas también difunden libremente por la membrana, de ahí el nombre de
mosaico fluido.
Hay que destacar que la membrana presenta una clara polaridad entre las dos capas
de fosfolípidos, determinadas proteínas solo se encuentran en el interior, otras en el
exterior, los glucolípidos solo en el exterior; esta polaridad es consecuencia de la función
de cada molécula.
Intercambio de sustancias a través de la membrana.
El intercambio de sustancias es algo más que las funciones de nutrición celular. Las
moléculas pueden entrar o salir de la célula de diferentes maneras, una primera
clasificación seria:
- Moléculas disueltas; no hay deformación de la membrana
- Macromoléculas y partículas sólidas, hay deformación de la membrana.
Intercambios de sustancias sin deformación de la membrana.
-Transporte activo y transporte pasivo.
Se pueden diferenciar dos tipos de transporte a través de la membrana dependiendo
de la concentración y la carga eléctrica de la molécula en cuestión, En el interior de la
membrana suele haber una carga neta negativa producida por la presencia de moléculas
orgánicas ácidas disociadas, en el exterior suele haber una carga neta positiva debido a
la presencia principalmente de Na+ y otros cationes de forma que a través de la
membrana hay un potencial eléctrico que suele ser de unos -75 mV, este potencial
eléctrico crea un gradiente eléctrico, las diferencias de concentración de una molécula
en el interior y en el exterior de la membrana crean un gradiente de concentración o
químico; puede ocurrir que una molécula sea neutra eléctricamente y esté más
concentrada en el exterior que en el interior, el gradiente de concentración hace
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físicamente posible la difusión de esta molécula desde donde está más concentrada
hasta donde está menos.
Si la molécula que estamos estudiando tuviese carga eléctrica habría que considerar
tanto el gradiente químico como el eléctrico, gradiente electroquímico, para saber si la
difusión en un sentido es posible. Según esto habrá dos tipos de transporte; uno pasivo,
a favor del gradiente electroquímico, en el que la célula no tendrá que gastar energía
para incorporar sustancias y un transporte activo que se realiza en contra del gradiente y
que necesita de gasto de energía para poder ser realizado.
Transporte pasivo.
No todas las moléculas con gradiente electroquímico favorable atraviesan la
membrana de igual manera. La bicapa lipídica es una fase apolar rodeada de las fases
acuosas del citoplasma y el líquido extracelular. Puede ser atravesada por difusión
simple por pequeñas moléculas polares que se disuelven en ella, como el O 2 y N2 y por
pequeñas sustancias polares como el agua, CO2,glicerol y urea que atraviesan por
canales acuosos formados por proteínas transmembrana. Sin embargo las sustancias
polares de gran tamaño como la glucosa por ejemplo y los iones no atraviesan la
membrana aunque su gradiente electroquímico sea favorable, necesitan unirse a
proteínas que los transportan de un lado a otro de la membrana, a estas proteínas se les
llama permeasas y se comportan como enzimas, observándose en ellas el fenómeno de
la saturación, cuando llegan a su velocidad máxima no pueden transportar más, aunque
el gradiente aumente, este transporte ayudado de proteínas se llama difusión facilitada
ya que al ser a favor de gradiente no se consume energía.
Transporte activo.
Cuando el gradiente electroquímico es desfavorable para el transporte de una
sustancia en un sentido determinado, la célula realiza este transporte en contra de
gradiente gastando energía, es el caso de la bomba de Na+/K+. En el exterior de la
membrana se concentra Na+ y hay una carga neta positiva, en el interior se concentran
aniones orgánicos y hay una carga neta negativa, tanto el gradiente eléctrico como el
gradiente químico favorecen la entrada de Na+ al interior; el K+ se concentra en el
interior, el gradiente eléctrico favorece la entrada de K + pero el gradiente químico
favorece la salida, el equilibrio se alcanza cuando el potencial eléctrico es de -75mV. En
la membrana hay una proteína que transporta hacia el exterior de la célula los iones Na +
que consiguen entrar por los canales acuosos, lo hace metiendo al interior un ión K + por
cada ión Na+ que saca, esta proteína llamada bomba de sodio/potasio gasta la energía
de una molécula de ATP produciendo su hidrólisis por cada ión de Na+ que saca. En
estado de equilibrio, con una polarización de -75 mV cada ión de K+ que entra tiende a
salir por otra proteína por difusión facilitada, esta proteína se llama canal de fugas de
potasio. La bomba de sodio/potasio está continuamente gastando energía y realizando
transporte activo no para nutrir a la célula sino para mantener estable el potencial de
membrana y el equilibrio osmótico, en determinadas circunstancias deja de funcionar y
entra sodio rápidamente despolarizando la membrana esta despolarización se transmite
como una onda por toda la membrana creando un impulso eléctrico que es la base de la
transmisión nerviosa en el tejido nervioso.
Todas las sustancias que entran por transporte activo lo hacen de manera similar
gastando energía por hidrólisis de ATP o bien gastando energía eléctrica consumiendo
potencial de membrana al pasar asociadas a protones que luego tienen que ser
exportados. si aumenta mucho un gradiente electroquímico pueden forzarse a estas
proteínas a invertir su funcionamiento y obligarlas a formar ATP, este es el caso de la
teoría Qimiosmótica que veremos más adelante en mitocondrias y cloroplastos.
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Transporte de macromoléculas y partículas sólidas con deformación de la membrana.
Cuando la célula tiene que incorporar sustancias muy grandes o partículas sólidas no
puede hacerlo por medio de proteínas, realiza el mecanismo de endocitosis, produce
una invaginación de la membrana que acabara desprendiéndose de esta hacia el interior
del citoplasma, esta vesícula endocítica formada acabará por fundirse con un lisosoma
para poner en contacto los nutrientes con las enzimas digestivas del lisosoma, una vez
digeridas las partículas quedarán moléculas pequeñas dentro de la vesícula capaces de
ser transportadas en disolución desde la vesícula al citoplasma, si al final quedan
residuos la vesícula se acercará a la membrana y volverá a fundirse, vertiendo estos
residuos al exterior (Exocitosis) las células animales realizan endocitosis y exocitosis
continuamente de manera que la membrana que se pierde al endocitar se repone al
exocitar. Tradicionalmente se puede dividir la endocitosis en dos proceso: fagocitosis si
la vesícula contiene partículas sólidas visibles al microscopio y pinocitosis si incorpora
parte del líquido extracelular amorfo al microscopio. (ver esquemas de la pág 149 del
libro)
diferenciaciones de membranas
La forma de una célula totipotente es esférica pero cuando las células se diferencian
para cumplir una función determinada aparecen diferenciaciones de la membrana.
Microvellosidades.: son evaginaciones de la membrana que contienen en su interior
un armazón de microfilamentos de actina y que se producen para aumentar la superficie
de contacto entre la célula y el medio externo, son un ejemplo las microvellosidades de
las células del epitelio del tubo digestivo que aumentan la superficie de absorción de
nutrientes desde el tubo digestivo al organismo.
Uniones entre células:
Desmosomas puntiformes o zonula adherens, desmosomas en banda y
hemidesmosomas; son estructuras adherentes entre células del mismo tejido,
principalmente en tejidos epiteliales, los desmosomas puntiformes son estructuras en
forma de disco formadas por las membranas de dos células en el interior de cada célula
hay una placa proteica a la que se unen fibras de queratina llamadas tonofilamentos que
se dirigen al interior de la célula, entre las dos membranas hay una proteína adherente
que engrosa el espacio intercelular y lo ocupa. Los hemidesmosomas son iguales que
los desmosomas pero entre una célula y la placa basal extracelular que hay siempre
debajo de una capa de células epiteliales. Los desmosomas en banda son estructuras
semejantes en los que hay una sustancia filamentosa que une las dos membranas en el
espacio intercelular, pero en lugar de ser un disco es una banda que recorre todo el
perímetro de cada célula, en el interior de cada célula hay un haz de microfilamentos de
actina, la banda de filamentos de actina de cada célula está yuxtapuesta a las de las
células que la rodean.
Uniones estrechas o zonula ocludens. Son zonas donde es espacio intercelular entre
las dos membranas se anula, dos proteínas semejantes de cada membrana se unen y
juntan las membranas, se forman hileras de estas proteínas una detrás de otra
recorriendo todo el perímetro de la célula, hay varias hileras que se anastomosan
produciendo una red continua. Este tipo de uniones se produce en células epiteliales que
recubren el organismo para impedir la circulación de sustancias libremente desde el
medio externo hacia el medio extracelular, obligando a pasar a todas las sustancias
procedentes del exterior del individuo por membranas celulares, de esta forma las
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células epiteliales controlan la composición del medio extracelular del resto de las
células.
Uniones comunicantes o Gaps. Son uniones en las que dos proteínas
transportadoras, de iones generalmente, de dos células contiguas se yuxtaponen
formando un canal iónico entre ellas. son típicas de tejidos eléctricamente excitables
como el nervioso y el muscular.
Cubiertas y paredes celulares
Mas que como diferenciaciones de la membrana han de ser consideradas como
estructuras de secreción celular que se colocan inmediatamente por fuera de la
membrana para cumplir su función.
Glicocaliz o glucaliz o glicocalix. Se llama glucocaliz a la capa de glucidos anclados a la
membrana, recordemos, todos los glucolípidos están en la capa externa de la
membrana, se supone que los glucidos salen exportados del interior de la célula y luego
se unen a los fosfolípidos, de forma que en este caso no se sabe muy bien si hay que
considerarlos como parte de la membrana o un producto de secreción, el caso es que la
capa glucídica que cubre la membrana parece que interviene en el reconocimiento de
célula a célula y permite que se mantengan unidas, este hecho aunque parece bastante
probable aún no ha podido ser demostrado completamente.
Matriz extracelular, desde luego es un producto de secreción que rodea las células
animales y que ha sido producido por ellas, no puede ser considerada una cubierta
puesto que no está individualizada, la matriz extracelular en los animales está
compuesta por fibras proteicas de colágeno envueltas en una sustancia amorfa
constituida por polisacáridos.
Pared celular: Es una cubierta de secreción propia de los vegetales, en este caso si
se considera cubierta puesto que cada célula tiene su pared individualizada. Al dividirse
una célula vegetal se produce un disco plano llamado fragmoplasto que contiene
hemicelulosa y pectina, cuando se completa la división cada zona del fragmoplasto
formará la membrana celular de una célula hija y el contenido formará la lámina media
que separa las dos células, entre la lámina media y la membrana se segregará la pared
celular que queda así individualizada.
La pared celular está compuesta por
fibras de celulosa formadas por una agrupación cristalina de varia moléculas colocadas
paralelamente, estas fibrillas se unen unas con otras con pectinas (proteína) y
hemicelulosa (polisacárido). se pueden distinguir dos tipos de paredes:
Pared primaria con poca cantidad de celulosa y bastante cemento (pectina y
hemicelulosa) y las fibras de celulosa sin orientar. Esta organización permite el
crecimiento celular.
Pared secundaria que crece posteriormente, en las células que
se diferencian como tejidos mecánicos, entre la pared primaria y la membrana se
estructura colocándose capas de fibras de celulosa orientadas todas en la misma
dirección, se colocan tres capas con las fibras orientadas en direcciones diferentes, esta
ordenación da mucha rigidez a la pared y es muy difícil de modificar una vez formada,
con lo que detiene el crecimiento celular. Esta pared puede impregnarse de lignina para
aumentar su rigidez o de suberina y ceras para inpermeabilizar tejidos protectores, en
ambos caso la pared se vuelve impermeable e impide la nutrición de la célula que muere
quedando como tejido esquelético y protector del individuo.
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Las paredes celulares están atravesadas por canales huecos llamados punteaduras
que están rellenos de filamentos celulares llamados plasmodesmos por donde células
adyacentes intercambian sustancias.
Tanto la pared primaria como la secundaria son permeables y solo constituyen un filtro
mecánico, no son semipermeables por lo que es un error decir que los vegetales tienen
dos membranas, su función es servir de esqueleto a los vegetales que no tienen
capacidad de movimiento y se ven continuamente expuestos a cambios de disolución
extracelular que plantea problemas osmóticos, las paredes impiden que las células
estallen cuando se encuentran frente a disoluciones hipotónicas. (en el examen no
quiero ver escrito que las células vegetales tienen dos membranas, es un error que
soléis cometer con frecuencia) (esquemas en la pág 151)
Ribosomas
Son estructuras supramoleculares formadas por ARN y proteínas, no están rodeados
de membrana, por lo tanto están bañados en la disolución salina del citosol, por eso no
se les puede llamar orgánulos en sentido estricto. Su función es formar proteínas y se
encuentran tanto en eucariotas como en procariotas, aunque en los dos tipos de células
los tamaños son diferentes, también hay ribosomas en mitocondrias y cloroplastos hecho
que apoya la teoría endosimbiótica.
Son estructuras esferoidales de unos 230 Å de diámetro, compuestas por dos
subunidades, como su tamaño es tan pequeño, está en el límite de resolución del
microscopio electrónico, no se suelen describir en función de su tamaño sino en función
de su coeficiente de sedimentación al centrifugarlos en condiciones determinadas, la
unidad del coeficiente de sedimentación es el Svedverg (S). Los ribosomas de células
procariotas son 70S y los de eucariotas, un poco más grandes, 80S. los ribosomas
normalmente se encuentran disociados en sus dos subunidades cuando no están
formando proteínas, en tubo de ensayo las dos subunidades se unen con bajas
concentraciones de Mg2+; en procariotas la subunidad menor mide 30S y la mayor 50S,
en eucariotas la menor 40S y la mayor 60S. Los ribosomas de cloroplastos y
mitocondrias son de tamaño variable según las especies pero se parecen a los de
procariotas.
En cuanto a la forma la subunidad menor, es alargada con una depresión en el tercio
de su longitud, la subunidad mayor es semiesférica con tres protuberancias que forman
una corona donde se encaja la subunidad menor. Se piensa que esta subunidad puede
tener un canal por donde sale la proteína en formación.
La subunidad menor en eucariotas está compuesta por una cadena de ARN de 18S y
30 proteínas, la mayor por una cadena de ARN de 28S, otra de 5.8S y otra de 5S más
40 proteínas.
Es normal encontrarse múltiples ribosomas traduciendo la misma cadena de ARN m
formando un polisoma. Los ribosomas pueden estar sueltos en el citoplasma formando
proteínas que cumplirán su función dentro de la célula o adosadas a la membrana del
retículo endoplásmico formando proteínas exportables fuera de la célula, el ribosoma se
une a la membrana dirigido por la propia proteína que produce, que en sus primeros
aminoácidos tiene radicales hidrofóbicos capaces de unirse a la membrana y que una
vez se han unido se desprenden de la proteína.
Traducción del material genético. Síntesis de proteínas.
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la traducción de una cadena de ARNm es un proceso continuo que se puede dividir en
varias fases: Activación energética de los aminoácidos, iniciación de la síntesis,
elongación de la cadena y terminación; la primera fase se produce en el citosol las
restantes en el ribosoma.
Activación
Como vimos en el tema anterior, cuando hablamos de código genético, el ARNm es
una secuencia de nucleótidos que es reconocida por otra secuencia complementaria del
ARNt, el ARNm no reconoce aminoácidos; para que la traducción sea perfecta es
necesario que cada ARNt, que tiene un codón determinado, se una con su aminoácido
correspondiente, sólo si esta unión es la correcta un codón indicará la unión de un
aminoácido concreto a la cadena. Es decir, que la unión de un aminoácido más, a una
cadena de proteína, necesita dos pasos que han de estar controlados
independientemente, la perfecta unión del aminoácido a su ARNt específico y
posteriormente la correcta complementariedad del anticodón del ARNt con el codón del
mensajero, si alguno de estos dos pasos falla puede producirse algún error en la
traducción aunque el gen sea correcto.
La unión del aminoácido al ARNt es, por tanto, un mecanismo muy específico llevado a
cabo por las enzimas AminoacilARNtsintetasas, hay una para cada ARNt. la reacción
catalizada tiene dos fases; en la primera la enzima activa el aminoácido al unirlo a un
nucleótido de adenina (AMP), procedente de la hidrólisis de ATP, el aminoácido se une
por un enlace ester entre el carbono carboxílico del aminoácido y el fosfórico del
nucleótido; posteriormente este enlace ester proporciona la energía para que el
aminoácido se una al extremo CCA del ARNt, ahora la energía se encuentra en el enlace
entre el grupo ácido del aminoácido y un grupo OH- de nucleótido de adenosina terminal
del ARNt y será utilizado en la formación del enlace peptídico entre este aminoácido y el
siguiente que se una a la cadena.
Iniciación
Comienza con la unión de la subunidad menor a la zona donde se encuentra el codón
de iniciación AUG, el ribosoma discrimina entre un codón AUG de iniciación y otro en el
interior de la secuencia gracias a otras secuencias de unión previas al AUG. AUG
codifica para metionina que es el primer aminoácido que se coloca, el ARNt de iniciación
y el que coloca la metionina en el interior de la cadena son diferentes.
Hay varios factores de iniciación IF (3 en procariotas y más de 3 en eucariotas) que en
conjunto permiten la unión del ARNm con la subunidad menor, unen el ARNt de la
metionina al mensajero y unen la subunidad mayor; en estos procesos se gasta una
molécula de GTP.
El aminoácido queda instalado en un lugar físico de la subunidad mayor llamado
centro peptidil.
Elongación
Es llevada a cabo por factores de elongación EFT y EFG. El EFT gastando una
molécula de GTP acerca el siguiente ARNt y lo coloca enfrente de su codón, en el centro
aminoacil de la subunidad mayor; el primer aminoácido que se encuentra en el centro
peptidil se desprende de su ARNt y se une al grupo amino del recién colocado, la
energía para formar el enlace peptídico procede de la hidrólisis del aminoácido de su
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ARNt (recordad fase de activación). El factor EFG gastando una molécula de GTP
trasloca el dipéptido, unido al ARNt del último aminoácido y este unido al ARNm, del
centro aminoacil al peptidil. Este proceso se repite para cada nuevo aminoácido, siempre
se desprende el péptido del penúltimo ARNt para unirse al grupo amino del último que
queda unido por su ARNt al ARNm y después se trasloca.
Para la colocación exacta de cada aminoácido se necesita una molécula de ATP en la
activación y dos moléculas de GTP en la elongación, si sumamos además la energía de
síntesis de cada aminoácido se puede considerar la síntesis de proteínas como un
proceso energéticamente muy costoso, esta energía no queda almacenada como
energía de enlace en la molécula, sino que ha sido empleada en el orden de los
aminoácidos (aumento de entropía real aunque aparentemente ha aumentado el orden
del sistema).
Terminación
Es producida por los factores de terminación R1 y R2 en presencia de los codones
UAG,UGA y UAA. Los codones de terminación no son reconocidos por ningún ARNt
pero sí por los factores de terminación que inducen la transferencia del péptido al agua,
desprendiéndose del último ARNt al que está unido liberándose la proteína y
separándose las dos subunidades del ribosoma.
Retículo endoplásmico
El retículo endoplásmico es un entramado de membranas semejantes a la
membrana plasmática, parece estar conectado con esta y con la membrana nuclear.
Existen dos zonas conectadas dentro del retículo, una lisa y otra rugosa. El retículo
endoplásmico liso está formado por canales cilíndricos membranosos y su función es
formar fosfolípidos y colesterol, también interviene en los procesos de desintoxicación
celular.
El retículo endoplásmico rugoso está formado por cisternas aplanadas en lugar de
tubos y adosados a su membrana tiene ribosomas que le dan el aspecto rugoso. Su
función es producir proteínas de membrana y proteínas exportables, para ello; como ya
hemos visto, los ribosomas se unen en el citosol (hialoplasma) al ARNm y empiezan a
producir las proteínas, sólo las proteínas que tengan una secuencia señal se unirán al
retículo y se verterán en él.
El retículo endoplásmico conduce sus productos hasta una zona donde se forman los
dictiosomas del aparato de Golgi.
Aparato de Golgi
El aparato de golgi se forma por expansiones membranosas del retículo
endoplásmico, estas expansiones se aislan del retículo y se funden unas con otras para
formar una cisterna del aparato de Golgi. El conjunto de varias cisternas del mismo
origen se conoce con el nombre de dictiosoma. Estas cisternas evolucionan y van siendo
empujadas por las recién creadas. En ellas se van produciendo glicosilaciones de
proteínas y de lípidos, en definitiva se van procesando los productos del retículo, al final
del desarrollo estas cisternas se dividen en vesículas donde se concentran los productos
de secreción (Vesículas exocíticas) o las enzimas digestivas (lisosomas).
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Se llama complejo GERL a la zona de transición entre el retículo endoplásmico y el
aparato de Golgi, se compone de una serie de vesículas que se forman en el retículo y
que al fundirse van formando las grandes cisternas del aparato de Golgi.
Lisosomas
Son vesículas esféricas que contienen enzimas hidrolíticas, podrían digerir el
contenido celular si estuvieran libres en el citoplasma. Estas enzimas son hidrolasas
ácidas que actúan a pH próximo a 5, se supone que en la membrana de los lisosomas
tiene que haber una bomba de protones que meta protones dentro del lisosoma para
acidificar su contenido, este hecho supone un seguro adicional para la célula, ya que si
las enzimas fuesen liberadas al citoplasma se desnaturalizarían.
Se llaman lisosomas primarios a los lisosomas recién producidos que presentan un
aspecto amorfo al microscopio. Los lisosomas secundarios son los que se han unido a
una vesícula endocítica y se ve su contenido en proceso de digestión.
Los lisosomas también se pueden unir a vesículas formadas por el retículo
endoplásmico liso encerrando parte del contenido celular, en este caso se llaman
vesículas de autofagia o vacuolas de autofagia (cuidado al utilizar el término vacuola)
Peroxisomas
Son vesículas semejantes en tamaño a los lisosomas pero en lugar de enzimas
hidrolíticas contienen peroxidasas, enzimas relacionadas con el metabolismo del agua
oxigenada que se produce en determinadas reacciones metabólicas. los peroxisomas se
producen directamente en el retículo endoplásmico liso y no en el aparato de golgi.
El agua oxigenada es un poderoso agente oxidante que tiene que ser eliminado si se
produce en abundancia.
Los peroxisomas son los encargados de oxidar el etanol ingerido y transformarlo en
acetaldehido que luego será metabolizado.
También intervienen en los procesos de degradación de los ácidos graso, por ejemplo
en las semillas oleaginosas los glioxisomas (un tipo especial de peroxisomas)
transforman las grasas en productos intermedios utilizados en la biosintesis del resto de
moléculas que necesita la semilla al germinar.
En los vegetales actúan en una ruta metabólica alternativa a la fase oscura de la
fotosíntesis llamada fotorespiración que se produce cuando hay exceso de oxígeno,
eliminando oxígeno y produciendo CO2.
Vacuola
Aunque en los apuntes he mencionado el término vacuola para las vesículas de
autofagia, debido a su gran tamaño; esta palabra debería ser utilizada exclusivamente
para designar un espacio membranoso exclusivo de la células vegetales.
La vacuola es, como acabo de decir, un espacio de gran tamaño rodeado por una
membrana llamada tonoplasto, se forma por la progresiva fusión de vesículas pequeñas
a lo largo de la vida de las células vegetales. En las células maduras puede llegar a
ocupar el 90% del volumen celular desplazando al núcleo a una zona lateral de la célula.
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Su función es ser un riñón de acumulación donde se almacenan sustancias de
desecho. También se acumulan sustancias de reserva e intervienen en la regulación del
volumen celular variando su presión osmótica para adaptarse a la presión osmótica del
medio, estos cambios de presión osmótica los realiza polimerizando o despolimerizando
almidón principalmente, cuando la célula es demasiado hipertónica con respecto al
medio, se hincha por entrada de agua, entonces la vacuola reduce la presión osmótica
celular polimerizando almidón, cuando el medio es hipertónico y la célula tiene que
impedir la salida de agua despolimeriza almidón para aumentar la concentración de
glucosa soluble y así aumentar la presión osmótica celular.
Hay vegetales que almacenan sales inocuas (Na+ por ejemplo) en la vacuola para
mantener elevada su presión osmótica, son vegetales adaptados al agua salada y a
suelos salinos.
En las vacuolas es donde los vegetales almacenan las sustancias tóxicas que utilizan
para defenderse contra la depredación animal.
PANORAMA DEL METABOLISMO CELULAR.
Concepto de anabolismo y catabolismo y de metabolismo plástico y energético.
El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que se producen en un ser
vivo, están plenamente conectadas unas con otras y se pueden clasificar en dos tipos.
Catabolismo: son las reacciones de degradación de materia orgánica altamente
organizada, exergónicas, que rinden energía que generalmente se acumula en forma de
ATP y que será utilizada por los seres vivos cuando lo necesiten, estas reacciones
convierten materia orgánica compleja en materia orgánica más sencilla o en materia
inorgánica. Anabolismo: son las reacciones endergónicas que consumen energía para
formar moléculas orgánicas complejas con gran cantidad de energía interna (Entalpía)
en sus enlaces a partir de moléculas más sencillas, inorgánicas u orgánicas. Estos dos
conceptos; aunque válidos, son limitados. Sólo sirven para hacernos una idea del
metabolismo general en los organismos heterótrofos.
Los conceptos de metabolismo energético y metabolismo plástico son más universales.
Metabolismo energético: son aquellas reacciones exergónicas encaminadas a
acumular energía. en este concepto se engloban tanto el catabolismo como la absorción
de energía por transporte de electrones que no necesariamente degrada moléculas
complejas sino que consiste en oxidar moléculas captando sus electrones. Estos
electrones proceden de la degradación de moléculas complejas en el caso de la
respiración celular o bien de moléculas inorgánicas como el agua en la fotosíntesis
normal o de otros compuestos inorgánicos en el caso de la quimiosíntesis. Metabolismo
plástico: son las reacciones endergónicas formadoras de moléculas complejas, es
sinónimo de anabolismo.
Autotrofismo y heterotrofismo.
Estos conceptos no hacen referencia a la nutrición celular como se acostumbra a
pensar, ya que todas las células absorben sus nutrientes de manera semejante a través
de la membrana. Hacen referencia al metabolismo. Los seres vivos Autótrofos son
aquellos que construyen sus moléculas orgánicas específicas a partir de precursores de
baja energía, inorgánicos, como el CO2, NH3 y H2O. Dentro de estos; la mayoría son
fotoautótrofos, consiguen su energía absorbiendo luz, que utilizan para extraer
11
electrones de una molécula inorgánica reducida XH2 que normalmente es el H2O, pero
que no tiene por qué serlo, algunas bacterias extraen los electrones del SH 2
(Sulfobacterias) por ejemplo. Otros son quimioautótrofos, no utilizan la energía de la
luz para obtener electrones sino que los extraen de la oxidación directa de moléculas
inorgánicas como el hidrógeno molecular, amoníaco, nitrito, etc.
Por último los heterótrofos son los seres vivos que obtienen su energía de la
degradación de moléculas orgánicas formadas por otros seres vivos.
12
Fuentes de energía para la síntesis de ATP.
El ATP (Adenosín trifosfato) es la molécula que acopla el metabolismo energético con
el plástico, la energía liberada en reacciones exergónicas se acumula en los enlaces
ésteres fosfato del ATP y es utilizada por hidrólisis en las reacciones endergónicas.
El ATP es obtenido en las células de diferentes maneras:
Fosforilaciones a nivel del substrato: El ATP se forma cuando una molécula
fosfatada transfiere su fosfato al ADP, es lo que ocurre en la reacción gliceraldehido 13difosfato + ADP -->
3fosfoglicerato + ATP en la ruta de la glucolisis.
Fosforilaciones acopladas a reacciones: en una reacción se libera la suficiente
energía como para que un ADP y un fosfato inorgánico puedan unirse, es el caso del
paso de succinilCoA a succínico, en esta reacción del ciclo de Krebs se produce la
oxidación del succinilCoA liberándose electrones que quedan almacenados formando
FADH pero también se produce GTP a partir de GDP + P inorgánico. El GTP y el ATP
son interconvertibles.
Fosforilación acoplada al transporte de electrones: Se produce ATP acoplado a
reacciones de oxidoreducción localizadas físicamente en membranas, el transporte de
electrones provoca un gradiente electroquímico protónico a través de la membrana que
hace funcionar una bomba de protones semejante a la bomba de NA+/K+ pero en
sentido inverso, produciendo ATP en lugar de gastarlo. Este es el mecanismo más
extendido en la naturaleza de obtener energía, es el que se realiza en la fotosíntesis
(fotofosforilación) y en la respiración (fosforilación oxidativa)
METABOLISMO ENERGÉTICO:
METABOLISMO EN EL HIALOPLASMA: GLUCOLISIS Y FERMENTACIONES
La glucolisis es la ruta de degradación de los glucidos en ausencia de oxígeno, se
realiza en el hialoplasma. Es una ruta común a todos los seres vivos por lo que parece
ser una rutas metabólica muy antigua en la evolución; los primeros seres vivos no podían
oxidar la materia orgánica puesto que no había oxígeno en la atmósfera. La mayoría de
los seres vivos en la actualidad oxidamos completamente la glucosa produciendo CO2 y
H2O y energía, la mayor parte de esta oxidación se realiza en la mitocondria como ya
veremos, pero es necesaria la glucolisis como fase previa para poder oxidarla
completamente. En otros seres vivos (principalmente bacterias y hongos) que se han
adaptado a condiciones anaerobias, la glucolisis es la única degradación de la glucosa
que realizan, sin llegar a oxidarla completamente, producen moléculas orgánicas tales
como ácido láctico, etanol, ácido butírico, etc; que tienen todavía una gran cantidad de
energía interna, como sustancias de deshecho. Estos procesos son las fermentaciones.
Se podría concluir que a lo largo de la evolución, la primera ruta de degradación de los
glúcidos que apareció fue la glucolisis y que todos los seres vivos la siguen utilizando,
después algunos se adaptaron a extraer toda la energía disponible oxidando los
productos de la glucolisis en la mitocondria y otros se adaptaron a vivir en ausencia de
oxígeno y por ello no pueden completar la oxidación, son fermentadores.
13
Fases de la glucolisis:
La glucolisis tiene una serie de reacciones que se agrupan en dos grandes bloques, el
primero son la serie de reacciones que activan energéticamente las moléculas, en esta
fase se consume energía; la segunda fase es la de rendimiento, donde se rinde la
energía gastada en la fase anterior y energía suplementaria.
1º La glucosa se transforma en glucosa 6 fosfato, consumiéndose una molécula de
ATP, la enzima que lo realiza es la Glucoquinasa o la hexoquinasa, la glucoquinasa
actúa solo sobre la glucosa y tiene una Km mucho más alta que la hexoquinasa, se
encuentra en el hígado y actúa cuando tras la digestión hay concentraciones elevadas
de glucosa en sangre, la hexoquinasa se encuentra en todas las células. Esta reacción
es poco reversible en condiciones celulares.
2º La glucosa-6-P se isomeriza en fructosa-6-P mediante la glucosa-fosfato-isomerasa.
3º Fosforilación de la fructosa-6-P, consumiéndose otra molécula de ATP y produciendo
fructosa-1,6-difosfato; la enzima es la 6-fosfofructoquinasa. Esta enzima es una
enzima alostérica que se inhibe por elevadas concentraciones de ATP, de Citrato y de
ácidos grasos de cadena larga. Esta reacción es el punto de control más importante de
la glucolisis, aquí se frena cuando hay suficiente energía en la célula.
4º Escisión de la fructosa-1,6- dP en dihidroxiacetona-P y gliceraldehido-3-P. catalizada
por la fructosa-difosfato-aldolasa.
5º isomerización de la dihidroxiacetona-P en gliceraldehido-3-P, por la triosa-fosfatoisomerasa. Solo el glicaraldehido continua la ruta, si las triosas no se pudiesen
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isomerizar la ruta no sería rentable energéticamente, pero al isomerizarse se obtienen
dos moléculas de gliceraldehido por cada una de glucosa.
Hasta aquí llega la fase de activación energética, a partir de las siguiente reacción todas
las reacciones tendrán como fin extraer energía del gliceraldehido.
6º Oxidación del gliceraldehido-3-P que se transforma en un ácido, el 3-fosfoglicerilfosfato uniéndose a un fosfato inorgánico, al unirse se desprenden en la reacción dos
electrones y dos protones que son absorbidos por un transportados de electrones, el
NADP que se reduce transformándose en NADPH2. Inmediatamente este fosfato se
desprende y es absorbido por una molécula de ADP que forma ATP, quedando como
producto final el 3-fosfoglicerato. Las enzimas que actúan son la
3-fosfogliceraldehido-deshidrogenasa y la fosfogliceratoquinasa
7ºIsomerización del 3-fosfoglicerato en 2-fosfoglicerato por la fosfogliceromutasa.
8º Deshidratación del 2-fosfoglicerato para formar 2-fosfoenol-piruvato, reacción
catalizada por la enolasa.
9º Transferencia del fosfato del fosfoenolpirivato al ADP con formación de ATP,
catalizada por la pirivatoquinasa, esta enzima es también alostérica.
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Balance de la glucolisis: En la fase de activación se consumen dos ATP, en la fase de
rendimiento se producen dos ATP por cada molécula de Gliceraldehido-3-P, en las
reacciones 6 y 9 por tanto el balance positivo son 2 moléculas de ATP que se forman al
transformar la glucosa en piruvato. Es muy importante destacar que también se ha
producido NADPH2.
El resto de los glúcidos diferentes a la glucosa también entran a la ruta metabólica en
la fase de activación por diferentes reacciones, es de destacar que en el glucógeno,
mediante la glucogenofosforilasa se fosforila el último resto de glucosa en posición 1
utilizando un fosfato inorgánico y simultáneamente se escinde, después la
fosfoglucomutasa isomeriza la glucosa-1-P en glucosa-6-P, por lo que al ser utilizado un
fosfato inorgánico y no un ATP para fosforilar la glucosa, el rendimiento de la glucolisis a
partir de glucógeno es mayor que a partir de glucosa libre; ocurre lo mismo con el
almidón.
Fermentaciones
Una vez obtenido el piruvato, pueden ocurrir dos cosas, según esté adaptado el
individuo. Si el individuo es aerobio, el piruvato de oxidará y se descarboxilará como ya
veremos, transformándose en acetilCoA en el interior de la mitocondria, para su
completa oxidación. El NADPH2 producido al oxidarse el gliceraldehido-3-P en la
glucolisis también entrará en la mitocondria y cederá sus electrones a la cadena de
transportadores (llamada cadena respiratoria) que los conducirán al oxígeno para formar
agua.
Si por el contrario el individuo está adaptado a condiciones de vida anaerobias, no
utiliza oxígeno como receptor final de los electrones producidos en la glucolisis. Necesita
regenerar NADP oxidado para poder continuar la glucolisis, de lo contrario llegaría un
momento en que todas las moléculas de NADP se encontrasen reducidas formando
NADPH2; si no hay NADP oxidado, la oxidación del gliceraldehido-3-P (reacción 6) no se
puede realizar porque falta el substrato.
Los individuos anaerobios utilizan el propio piruvato como aceptor de los electrones
producidos en la glucolisis. Este es el fundamento de todos los tipos de fermentaciones,
después cada especie realiza diversas reacciones y produce distintos productos de
desecho.
Fermentación láctica:
El ácido pirúvico se reduce directamente y se forma ácido láctico. las bacterias que lo
realizan son Streptococcus, Lactobacillus, Leuconostoc, también se realiza esta
fermentación en los individuos aerobios en casos de ejercicios físicos rápidos e intensos
que requieren un aporte rápido de energía, el ácido láctico puede cristalizar en los
músculos produciendo las agujetas, poco a poco el ácido láctico vuelve a ser reutilizado
cuando cesa la necesidad de obtención rápida de energía.
16
Fermentación ácido mixta: En algunas bacterias se producen además del ácido láctico,
ácido acético, ácido fórmico y alcohol etílico, esta variedad de moléculas es la que
proporciona los diferentes sabores a los diferentes tipo de derivados lácteos,
principalmente quesos.
Fermentación alcohólica: El ácido pirúvico se descarboxila a la vez que se reduce
produciendo alcohol etílico y CO2 , es el tipo de fermentación realizado por las levaduras
Saccharomyces cerevisiae, en las bebidas alcohólicas y en la masa del pan, en este
caso el alcohol se evapora en el horno y lo que se aprovecha es la producción de CO 2
que se utiliza para levantar la masa.
Fermentación acética: Una vez producida la fermentación alcohólica, las bacterias
Acetobacter, oxidan el alcohol produciendo ácido acético, aunque para esta reacción se
necesite oxígeno no puede considerarse un proceso respiratorio ya que no produce
energía.
fig. 10.8 del libro microbiología.
pag.158
MITOCONDRIAS: CICLO DE KREBS, -OXIDACIÓN Y CADENA RESPIRATORIA
Las mitocondrias son orgánulos celulares con doble membrana, de forma cilíndrica de
0,5 m de diámetro y 1m de longitud. La membrana externa es lisa y poco selectiva y
la membrana interna es rugosa y muy selectiva; el espacio intermembranoso es por
tanto una disolución acuosa semejante al citosol, la membrana interna se repliega
formando crestas mitocondriales, esta membrana es muy impermeable a los iones y en
ella están apoyadas las enzimas de la cadena de transporte de electrones que producen
la respiración celular.
El espacio que queda dentro de la membrana interna se llama matriz y en el se
desarrollan las reacciones catabólicas del ciclo de Krebs de degradación del AcetilCoA y
la hélice de Linen de degradación de los ácidos grasos. En la matriz se encuentra una
molécula de ADN mitocondrial circular, semejante al de las células procariotas y
ribosomas de menor tamaño que los del citosol y semejantes también a los de las
células procariotas, en los cloroplastos ocurre lo mismo, estos datos apoyan la teoría
endosimbiótica explicada en la introducción.
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Ciclo de krebs.
En el apartado anterior veíamos como la glucolisis acababa con la formación de
piruvato, que en los organismos anaerobios se reduce y forma lactato. En los
organismos aerobios, hemos comentado que el piruvato se oxida completamente, esta
oxidación se produce en la mitocondria, el piruvato entra a la mitocondria y con un
complejo enzimático llamado piruvato-deshidrogenasa se transforma en Acetil-Coenzima
A (ácido acético unido a una molécula de Coenzima A, esta molécula posee un radical
tiol -SH libre que reacciona fácilmente). A la vez que se oxida y produce NADPH2,
también se descarboxila.
1. El acetilCoA entra al ciclo de Krebs uniéndose al ácido oxalacético de 4 carbonos y
formando el ácido cítrico de 6 C, para la reacción es necesaria la incorporación de una
molécula de agua que hidrolice el enlace entre el acetil y el Coenzima A, este ciclo
también se llama ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos, porque el
ácido cítrico tiene tres carbonos carboxílicos (grupos ácidos -COOH).
2. El ácido cítrico se transforma en isocítrico.
3. El isocítrico se deshidrogena (oxidación) y se descarboxila mediante la isocitratodeshidrogenasa produciendo NADPH2 , CO2 y ácido
-Cetoglutárico de 5
carbonos.
4. El -Cetoglutárico, mediante otra deshidrogenasa, se vuelve a deshidrogenar (oxidar)
y a descarboxilar, la Cetoglutárico-deshidrogenasa necesita una molécula de coenzima
A produciendo
NADPH2 , CO2 y Succinil-CoA. El succinil ya tiene cuatro carbonos como el oxalacético,
con estas reacciones ya se ha conseguido transformar en CO 2 el ácido acético que se
había unido.
5. El succinil-CoA pierde el CoA formando GTP gracias a la Succinil-CoAsintetasa.
6. El ácido succínico se oxida por la succinato deshidrogenasa produciendo fumárico,
los dos electrones y los dos protones van en este caso, no al NADP sino al FAD
formando FADH2.
7. El ácido fumárico se hidrata, una molécula de agua rompe el doble enlace, mediante
la fumarato-hidratasa y se convierte en ácido málico.
8. El ácido málico se oxida, por la malato-deshidrogenasa y forma oxalacético y NADH2.
El oxalacético puede entonces volver a unirse con otro AcetilCoA y empezar de nuevo el
ciclo.
El ciclo de krebs, como otros ciclos se puede dividir en dos partes. en la primera parte
se producen una serie de reacciones encaminadas a la oxidación del ácido acético,
eliminación de los dos carbonos que han entrado al ciclo. La segunda parte está
encaminada a restaurar las concentraciones del primer substrato, el ácido oxalacético,
pues si se agotara no podría volverse a degradar ácido acético.
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Balance del ciclo de Krebs.
En el paso de piruvato a acetilCoA se produce una molécula de NADH 2 y una
molécula de CO2.
En el ciclo de Krebs se producen como sustancias de deshecho dos moléculas de
CO2 pero también se producen 4 moléculas con gran potencial reductor; 3 de NADH 2 y
1 de FADH2, estas moléculas tienen energía acumulada como potencial reductor y la
liberaran en la cadena respiratoria. También se produce una molécula altamente
energética, el GTP interconvertible en ATP.
-Oxidación o hélice de Lynen
Activación y transporte.
Los ácidos grasos no se encuentran libres en la célula, se encuentran formando
triglicéridos, para poderse metabolizar tienen que hidrolizarse las grasas en el
citoplasma, activarse cada ácido graso y ser transportados al interior de la mitocondria.
Una vez producida la hidrólisis se gasta una molécula de ATP para unir cada ácido graso
con un CoA, formándose los acilCoA. Estos AcilCoA se rompen cediendo el Acil graso a
la carnitina de la membrana interna mitocondrial, una vez en el lado interno de la
membrana mitocondrial, la carnitina vuelve a ceder el acilgraso a un CoA
intramitocondrial. de esta manera se produce el transporte desde el exterior al interior de
la mitocondria.
-Oxidación
1. Oxidación por la AcilCoAdeshidrogenasa entre los carbonos 2 y 3 del acilCoA,
formando FADH2 y un doble enlace entre estos dos carbonos.
2. Hidratación de este doble enlace formando 3-hidroxiacilCoA. La encima enoil
hidratasa es muy especifica y siempre pone el hidroxilo en el carbono 3 y nunca en el 2.
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3. Segunda oxidación, en el carbono 3, produciendo 3-cetoacilCoA más NADH2.
4. Excisión, por incorporación de otro CoA en AcetilCoA y un AcilCoA de dos carbonos
menos. (tiolasa)
Balance energético.
para activar el ácido graso e introducirlo en la mitocondria se gasta un ATP, luego en
el interior de la mitocondria, por cada dos carbono se produce un FADH 2 y un NADH2
que rendirán su energía en la cadena respiratoria, el ácido palmítico de 16 carbonos
rendirá mediante esta ruta: 8 acetilCoA + 7 NADH2 + 7 FADH2. Los AcetilCoA entrarán
al ciclo de Krebs y rendirán 3 NADH2 + 1 FADH2 + 1 GTP cada uno.
Antes de pasar a la cadena respiratoria, quiero recordar que las proteínas no suelen
degradarse para producir energía, pero en caso de hacerlo, después de hidrolizarse los
enlaces peptídicos y eliminarse en nitrógeno que pasa a formar amoníaco, urea o ácido
úrico en diferentes seres vivos, las cadenas carbonadas de los aminoácidos entran por
diferentes rutas al ciclo de Krebs. El ciclo de Krebs puede considerarse una ruta
anfibólica, convergen en ella la degradación de todas las biomoléculas pero también
pueden partir de ella la rutas de formación.
Cadena respiratoria. Hipótesis quimiosmótica de Mitchell
Todas las moléculas reducidas, ricas en electrones que se han ido produciendo en las
diversas rutas metabólicas liberan su energía en la cadena respiratoria. La cadena
respiratoria es en esencia un transporte ordenado de electrones desde moléculas con
bajo potencial de oxidoreducción hasta el aceptor final de electrones que en la mayoría
de los organismos es el oxígeno pero que en algunas bacterias puede ser otro elemento
(El azufre en las sulfobacterias)
El potencial de oxidoreducción es la capacidad que tiene una molécula de donar
electrones, por convención, será más negativo cuanto más facilidad tenga una molécula
para donar electrones y positivo cuando una molécula tenga afinidad por los electrones.
Termodinámicamente los electrones solo pasarán de una molécula con un potencial
de oxidoreducción más negativo a otra de potencial menos negativo.
En la mitocondria estas oxidaciones y reducciones se realizan en enzimas apoyadas
en la membrana interna de la mitocondria.
Hay tres grandes complejos multienzimáticos, En el complejo I los electrones pasan
del NADH2 a una flavoproteina y de esta a la Ubiquinona (coenzima Q). La Ubiquinona
cede sus electrones al citocromo b del complejo II y este al citocromo c 1 y de aquí pasan
al citocromo c. El citocromo c los cede al complejo III formado por citocromos a y a 3 que
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los ceden al oxígeno, el oxígeno acepta los electrones y cuando está reducido se une a
dos protones formando agua.
El transporte de electrones supone una corriente eléctrica termodinámicamente
espontanea donde se libera energía. Si los transportadores de electrones estuvieran
libres en el citoplasma, el NADH2 podría donar los electrones al oxígeno directamente,
pero la liberación de energía se produciría toda a la vez y solo sería almacenada una
pequeña parte, el resto se convertiría en aumento de entropía. Por el contrario si la
liberación de energía es escalonada, si cada vez que se libera energía se libera la justa
para formar una molécula de ATP,la mayor parte de la energía puede ser transformada
en energía de enlace del ATP y muy poca se desperdiciará en aumentar la entropía.
Se calcula que, como media, el trasporte de dos electrones del NADH2 producido en
la mitocondria hasta el oxígeno produce 3 ATP y el transporte de dos electrones desde
el FADH2 hasta el oxígeno 2 ATP. El NADH2 producido en el citoplasma durante la
glucolisis solo rinde 2 ATP.
La hipótesis aceptada actualmente sobre la conversión de la energía eléctrica del
transporte de electrones en energía química del ATP es la hipótesis quimiosmótica.
Supone que cuando un donador de electrones cede sus electrones libera los protones
asociados a ellos al espacio intermembranoso de la mitocondria, el aceptor de protones
los recoge de la matriz, pero cuando cede los electrones al siguiente aceptor los libera
en el espacio intermembranoso; de manera que asociado al transporte de electrones
hasta el oxígeno hay un transporte de protones desde la matriz mitocondrial al espacio
intermembranoso. La membrana interna mitocondrial es muy impermeable a los
protones. A medida que se produce transporte de electrones se va creando un gradiente
eléctrico y de concentración, el espacio intermembranoso tiene una gran concentración
de H+ y una carga eléctricamente +, la matriz tiene carga negativa y baja concentración
de H+. En la membrana interna hay una bomba de protones, semejante a la bomba de
Na+/K+, que está colocada espacialmente para sacar protones de la matriz gastando
ATP; el alto gradiente quimiosmótico de protones hace que esta bomba trabaje
inversamente, deja pasar los protones a la vez que forma ATP. Esta proteína es muy
grande y se puede observar en cortes microscópicos de mitocondrias, antes de conocer
su función a estas protuberancias de la membrana se les llamaba partículas elementales
de Fernández-Morán.
Esta hipótesis apoya la observación de que el NADH2 citoplasmático solo produzca
dos ATP ya que los dos primero protones no son transportados desde el interior al
exterior, no crean gradiente.
CLOROPLASTOS: FOTOSINTESIS
Los cloroplastos son los orgánulos exclusivos de los vegetales donde se realiza la
fotosintesis; son estructuralmente semejantes a las mitocondrias; la teoría
endosimbiótica propone el mismo origen para ambos orgánulos. Los cloroplastos tienen
dos membranas, una externa permeable y otra interna impermeable a los iones, esta
membrana interna no está interdigitada formando crestas como la de las mitocondrias.
En el interior de la membrana interna hay una disolución coloidal llamada estroma que
posee sus propios ribosomas, semejantes en tamaño a los de las mitocondrias, y su
propia cadena de ADN circular. En el estroma esta suspendida una red de membranas
formando vesículas apiladas, llamadas tilacoides, que están interconectadas limitando el
espacio tilacoidal, parece probable que los tilacoides sean homólogos de las crestas
mitocondriales pero que se han desgajado de la membrana interna, la ATPasa de los
21
cloroplastos sobresale de la membrana de los tilacoides hacia el estroma igual que lo
hace en la mitocondria hacia la matriz.
En los cloroplastos se realizan dos tipos de procesos bioquímicos diferenciables.
Asociado a la membrana tilacoidal se realiza la fotólisis del agua; utilizando la energía
de la luz se extraen los electrones del agua y se acumulan como potencial reductor en
moléculas de NADPH2, es la fotosíntesis en sentido estricto, corresponde a las
reacciones del metabolismo energético de los vegetales.
En el estroma se realizan las reacciones de asimilación de CO 2 atmosférico y su
posterior reducción con los electrones obtenidos en la fotosíntesis, para formar materia
orgánica, corresponde al anabolismo de los vegetales, clásicamente se ha estudiado la
formación de glucosa a partir del CO2 fijado, mediante una ruta metabólica llamada ciclo
de Calvin, a este ciclo se le ha llamado fase oscura de la fotosíntesis por no ser estas
reacciones dependientes de la luz. Sin embargo debéis entender que con el CO 2 fijado
se construyen todas las moléculas que forman los vegetales, no solo los glúcidos. Por
tanto a nivel teórico, actualmente fotosíntesis es la fijación de la energía de la luz y su
transformación en potencial reductor (energía química de enlace) lo que clásicamente se
ha llamado fase lumínica; lo que tradicionalmente se llama fase oscura no es
fotosíntesis, es anabolismo.
FOTOSINTESIS.
En la respiración veíamos como los electrones eran transportados desde moléculas
muy reducidas (NADH2 y FADH2), producidas en el catabolismo, hasta el oxígeno que al
aceptarlos captaba protones del medio y formaba agua, este transporte producía energía
(ATP). En la fotosíntesis se extraen electrones del agua; produciéndose oxígeno como
producto de desecho, y son conducidos a moléculas con un potencial de oxidoreducción
mucho más negativo que el oxígeno (NADP). Contado así, éste proceso es
termodinámicamente imposible, para que sea posible se necesita
absorber energía.
En el tema de ecología trataremos otra vez este asunto, en la biosfera la materia
circula, los átomos pasan de unos organismos a otros por medio de las redes tróficas,
sin embargo la energía fluye, entra a la biosfera en forma de energía altamente
organizada, como radiación electromagnética de alta frecuencia (luz), con un alto
contenido en energía libre, y es transformada en energía química y después en calor que
también es una radiación electromagnética, pero de baja frecuencia y con muy poca
energía libre; a lo largo de este flujo de energía por la biosfera la entropía del universo
aumenta, aunque aparentemente la materia esté más ordenada. El flujo de energía y su
consecuente perdida de entropía es lo que permite que la materia orgánica sea muy
organizada. (Releed el documento sobre la entropía de principio de curso)
Concepto de fotosistema.
Se llama fotosistema al conjunto de moléculas necesarias para poder aprovechar la
energía luminosa que llega a un cloroplasto.
Se compone de una Antena, un centro activo y una serie donadores y aceptores de
electrones.
La Luz
La luz blanca es la suma de muchas ondas electromagnéticas, cada una con una
longitud de onda diferente, se llama luz visible a las radiaciones capaces de sensibilizar
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el ojo humano y va desde la menos energética (mayor longitud de onda y menor
frecuencia), el rojo hasta la más energética (menor longitud de onda y mayor frecuencia)
el violeta; las radiaciones de mayor longitud de onda que el rojo se llaman infrarrojos y
los humanos las percibimos como sensaciones de calor, las de menor longitud de onda
son ultravioletas, rayos X y rayos , no son percibidas por ningún órgano de los sentidos
humano, pero son altamente energética y pueden producir mutaciones en nuestro
material genético, este tipo de radiaciones son producidas por el sol pero son filtradas
por la atmósfera de forma que muy pocas llegan a la superficie de la tierra. La
fotosíntesis se produce con las radiaciones de onda de luz visible. no se puede
considerar coincidencia sino convergencia evolutiva el hecho de que los vegetales y los
animales utilicen y respondan a las mismas longitudes de onda, son las más energéticas
de las que llegan a la superficie de la Tierra.
La antena de un fotosistema es el conjunto de pigmentos, moléculas con anillos
aromáticos capaces de absorber la luz y excitarse, Los pigmentos más abundantes son
los diferentes tipos de clorofila, pero no son los únicos, cada pigmento es capaz de
absorber luz de una determinada longitud de onda, si solo hubiese un pigmento, la
mayoría de la luz se desperdiciaría. Cuando un fotón llega a la antena excita un
pigmento, este transmite la excitación al azar a sus vecinos, hasta que la excitación llega
a una molécula capaz de desprender electrones, esta molécula es el donador del centro
activo. Una antena no podrá absorber otro fotón hasta que su nivel de energía vuelva a
ser bajo, cuando la energía pase al centro activo.
El centro activo es el complejo formado por un donador primario de electrones y un
aceptor primario de electrones, el donador recoge la energía de excitación de los
electrones de la antena, pero en este caso los electrones en lugar de colocarse en un
orbital superior y luego volver al inicial liberando la energía, los electrones se desprenden
y son aceptados por el donador primario.
Un donador al excitarse, disminuye su potencial de oxidoreducción (se hace más
negativo, aumenta la tendencia a oxidarse, a desprender electrones), cuando se han
desprendido los electrones queda oxidado, aumenta mucho su potencial redox
(disminuye su tendencia de seguir desprendiendo electrones y por el contrario aumenta
su tendencia de aceptar los que ha perdido). Por el contrario un aceptor de electrones se
encuentra oxidado cuando no los ha captado todavía, pero pasa a un estado reducido
(potencial redox muy negativo) cuando los ha captado.
Normalmente después de la transferencia de un par de electrones el donador queda
oxidado con un potencial mayor de oxidoreducción que el aceptor oxidado, de forma que
los electrones podrían volver espontáneamente al donador inicial.
En el centro activo el donador, que suele ser una molécula de clorofila, está
físicamente unida al aceptor primario; si inmediatamente a la transferencia no hay un
donador secundario que ceda electrones al donador primario y un aceptor secundario
que recoja los electrones del aceptor primario, el movimiento de los electrones se
invertiría y se perdería la energía. Son necesarios una serie de donadores y aceptores
secundarios que estabilicen el centro activo y que produzcan un flujo unidireccional de
electrones.
Resumiendo; la antena no puede absorber otro fotón hasta que el centro activo no
consuma su energía desprendiendo dos electrones, el centro activo no podrá absorber la
energía de la antena hasta que el donador no esté reducido y el aceptor oxidado y para
ello todos los transportadores tienen que estar en su estado primitivo. El transporte de
dos electrones es muy rápido, pero mientras no ocurra hasta el final no se puede
23
absorber otro fotón. Se calcula que solo el 1% de los fotones que llegan a la superficie
de las hojas son absorbidos.
FOTOSISTEMA I Y FOTOSISTEMA II
En los cloroplastos hay dos fotosistemas, el fotosistema I tiene como donador primario
del centro activo una molécula de clorofila que absorbe luz a 700nm, se llama P 700,
cuando esta molécula absorbe la energía de la antena disminuye su potencial redox de
+0,4 a -0,6 electronvoltios y dona dos electrones a la ferredoxina, la ferredoxina puede
donar sus electrones al NADP que se asocia a dos protones formando NADPH 2 o bien
puede donarlos al citocromo b y este al citocromo f; del citocromo f pasan a la
plastocianina y de esta vuelven a la clorofila P700; esta última opción es lo que se
conoce como flujo cíclico.
Cuando no se produce un flujo cíclico son necesarios dos fotosistemas, el fotosistema
un se excita y la ferredoxina reduce al NADPH2 pero para poder estabilizarse tiene qure
recibir dos electrones de la plastocianina y esta del citocromo f, este del citocromo b,
como en el flujo cíclico, el citocromo b recibe los electrones de la plastoquinona que es el
aceptor primario del fotosistema II, la plastoquinona recibe los electrones del donador
primario del fotosistema II que se llama P680, porque absorbe luz a esta longitud de
onda. La clorofila P680 es estabilizada por los electrones que le cede el agua, el agua se
rompe y por cada dos moléculas que se rompen se produce una molécula de oxígeno y
cuatro electrones. hay una proteína que pasa por varios estados de oxidación a medida
que va extrayendo electrones del agua. A este proceso se le llama fotolisis del agua.
En la fotosíntesis se obtienen dos tipos de resultados, acoplado al flujo de electrones
se produce una síntesis de ATP según la teoría quimiosmótica que explicamos al
estudiar la mitocondria, en este caso los electrones se vierten al espacio intratilacoidal y
retornan al estroma por las ATPasas, esta síntesis se produce tanto en el flujo cíclico
como en el flujo lineal. Además en el flujo lineal se produce la fotólisis del agua y la
consecuente acumulación de electrones en una molécula muy reducida, el NADPH 2,
esta molécula servirá para reducir la materia inorgánica CO2 y sales minerales y formar
materia orgánica.
CICLO DE CALVIN
Las primeras reacciones de este ciclo consisten en la asimilación del CO 2 atmosférico
en la ribulosa 1,5 difosfato y su posterior reducción; el producto de esta fase es el
gliceraldehido 3 fosfato, que servirá de substrato para la formación de todas las
moléculas orgánicas que formen los vegetales. La segunda fase se produce para
restaurar los niveles de concentración de ribulosa 1,5 difosfato que permitan continuar la
fijación.
1. La ribulosa 1,5 difosfatocarboxilasa cataliza la unión de la ribulosa 1,5 difosfato y el
CO2 para formar dos moléculas de 3 fosfoglicerato, el intermediario metabólico se
hidroliza gastándose una molécula de agua.
Esta enzima es la más abundante en la biosfera ya que todas las plantas la poseen.
Tiene una estructura cuaternaria de 16 protómero, además de la fijación del CO 2
provoca la escisión de la molécula. Es un enzima alostérico que es modulado por las
concentraciones de fructosa 1-6 difosfato. El O2 molecular compite con el CO2 por el
centro activo, si hay un exceso de oxígeno en la atmósfera este se une a la ribulosa 1,5
difosfato y produce el fenómeno de la fotorespiración que consiste en el consumo de
24
oxígeno por las plantas en presencia de luz, no se puede confundir con la respiración
mitocondrial que también son capaces de hacer los vegetales. En la fotorespiración el
rendimiento energético neto es negativo.
2. El 3 fosfoglicerato es reducido con gasto de una molécula de NADPH2 gastando
además la energía de la hidrólisis de una molécula de ATP, formándose al final
glicerladehido 3-fosfato.
3. Parte del gliceraldehido se isomeriza en dihidroxiacetona.
La otra parte del gliceraldehido servirá para regenerar la ribulosa 1,5 difosfato gastada o
para formar cualquier molécula biológica.
4. El gliceraldehido y la dihidroxiacetona se funde para formar fructosa 1,6 difosfato.
5. La fructosa se defosforila formándose fructosa 6-fosfato Esta fructosa puede servir
para formar glucosa o para regenerar ribulosa 1,5 difosfato.
Segunda fase del ciclo: regeneración de ribulosa.
6. Por cada molécula de fructosa 6-P (6 carbonos) y de gliceraldehido 3-P (3 carbonos)
que se funden se forma
una molécula de Xilulosa 5-P (5 carbonos) y otra de eritrosa 4-P (4 carbonos).
7. Las moléculas de eritrosa 4-P se funde con moléculas de dihidroxiacetona (producidas
en la reacción 3) para formar un cetohéptosa, la sedoheptulosa 1,7 diP.
8. La sedoheptulosa pierde el fosfato del carbono 1 y se forma sedoheptulosa 7-fosfato.
9. La sedoheptulosa 7-P se funde con parte del gliceraldehido 3-P y forman una
molécula de ribosa 5-P (aldopentosa) y una Xilulosa 5-P (cetopentosa).
10. La ribosa y las Xilulosas producidas en la reacción anterior y en la reacción número 6
se isomerizan formando ribulosa 5-P.
11. Gastando una molécula de ATP cada ribulosa 5-P se fosforila formándose moléculas
de ribulosa 1-5 difosfato, que son el substrato inicial al que se une el CO 2.
Convencionalmente el ciclo se ajusta de la siguiente manera:
6 Ribulosa 1,5 dP + 6 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH2 + 12 H2O ----->
6 ribulosa 1,5 difosfato + Glucosa (C6H12O6) + 18 Pinorgánico +
18 ADP + 12 NADP+
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Deben de quedar claras dos cosas:
No hay solo seis moléculas de ribulosa en la célula, el ajustar la reacción es solo una
manera de describir el proceso, pero en el estroma hay una disolución coloidal en la que
cada molécula se encuentra en concentración regulada por los equilibrios de todas las
reacciones.
El gliceraldehido no produce solo glucosa, puede ser transportado fuera del
cloroplasto para formar otras moléculas orgánicas.
CITOESQUELETO
El citoesqueleto está formado por dos componentes principales; los microtúbulos
y los microfilamentos y en menor medida por filamentos intermedios.
Los microfilamentos son filamentos de 50 a 70 Å de grosor formados por la
polimerización de estructuras terciarias de actina, al protómero se le llama G-actina
(actina globular) y se encuentra disuelto en el hialoplasma de todas las células, asociado
a Ca++ y a ATP, al microfilamento se le llama F-actina, la G-actina se polimeriza cuando
se desprende del ATP a determinadas concentraciones salinas, la estructura cuaternaria
del filamento está formada por dos cadenas lineales de G-actina enrolladas en hélice.
Los microfilamentos se encuentran formando un armazón reticular en todas las
células y forman el esqueleto de las microvellosidades. Donde mejor han sido estudiados
ha sido en el músculo esquelético ya que se disponen en haces paralelos formando
sarcómeros, asociados a otros filamentos de miosina, (recordad la estructura del
músculo esquelético en el temario de 3º) en el músculo se produce la contracción
cuando la actina se desliza sobre la miosina sin que ninguno de los dos filamentos
acorte su longitud (no son elásticos), este deslizamiento se produce cuando un estímulo
(nervioso en el caso del músculo) hace entrar Ca++ desde el retículo endoplásmico liso
al citosol, el aumento de Ca++ produce la transformación de las cabezas de miosina con
gasto de energía de ATP, las cabezas de miosina tiran de las fibras de actina
produciendo el acortamiento del sarcómero. Para que este mecanismo sea posible a la
actina tienen que estar unidad otras dos proteínas la troponina y la tropomiosina. Este
mecanismo de contracción se produce en todas las células aunque los filamentos estén
menos organizados.
Se llaman filamentos intermedios a otros filamentos más grueso que se encuentran
en las células, de este tipo son los tonofilamentos de queratina que forman la estructura
del desmosoma puntiforme y a otros filamentos encontrados en el sistema nervioso
(neurofilamentos) que mantienen la forma de los axones de las neuronas. estos
filamentos intermedios tienen funciones estructurales y mecánicas (aguantan tensiones)
no parece que tengan función contráctil.
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Los microtúbulos son estructuras huecas cuyas paredes están formadas por dímeros
de tubulina, el dímero de tubulina se forma con dos estructuras terciarias  y  , estos
dímeros se unen unos a otros formando un filamento de protómeros alternativamente  y
, después trece filamentos forman un microtúbulo, en el microtúbulo los dímeros de
tubulina no se colocan paralelos sino escalonados formando un enrejado regular.
Los microtúbulos muestran una determinada polaridad en su polimerización, crecen
por un polo determinado y se van despolimerizando por el otro, la diferencia entre la
velocidad de polimerización y despolimerización hace que el microtúbulo crezca o
decrezca.
Los microtúbulos forman por una parte un esqueleto general de la célula al colocarse
en posición radial alrededor de una zona llamada áster que en las células animales
contiene los centriolos y en las vegetales solo es una zona de densidad diferente con
respecto al citosól. También pueden encontrarse formando estructuras estables como
son cilios y centriolos.
Esta capacidad de crecer en una dirección determinada permite la función de
transporte y movimiento que realizan, tirando y empujando de los cromosomas, como
veremos en el tema de división celular, o empujando la membrana para producir el
movimiento ameboide, por este mecanismo de empuje se supone que realizan la función
de transporte de neurotransmisores en el axón de las neuronas, desde el cuerpo
neuronal hasta el extremo del axón.
ORGANULOS MICROTUBULARES
Centriolos:
Los centriolos son estructuras estables formadas por nueve tripletas de
microtúbulos, dispuestas a su vez formando un cilindro, las nueve tripletas de
microtúbulos están unidas por fibras radiales en uno de los extremos del cilindro, entre
una tripleta y otra hay moléculas de nexina que las mantiene unidas.
Hay dos centriolos por célula, colocados perpendicularmente. Se cree que son
orgánulos organizadores de los microtúbulos y de los cilios, los centriolos se separan
durante la subfase S de la interfase (ya lo veremos en el ciclo celular) a la vez que se
produce la replicación del ADN y cada uno induce la formación de otro perpendicular a
él, cada grupo de dos forma un áster y organiza sus propios microtúbulos. En las células
ciliadas los centriolos se separan y producen tantos centriolos hijos como cilios vaya a
tener la célula, estos centriolos hijos serán los cuerpos basales de los cilios. En las
células vegetales no existen centriolos y por tanto tampoco cilios, pero sí existen
microtúbulos organizados alrededor de un áster, aunque en las células vegetales sí se
produce el huso mitótico, no tiene un origen tan definido como en las animales.
Cilios y flagelos:
La estructura de cilios y flagelos es semejante la única diferencia es la longitud y el
numero, las células ciliadas presentan gran cantidad de cilios, las flageladas hasta 10
flagelos aproximadamente.
Como ya hemos visto el cilio se origina en un corpúsculo basal formado por nueve
tripletas de microtúbulos unidos por nexina; desde este corpúsculo crecen empujando a
la membrana solo dos microtúbulos de cada tripleta, además crece un par central que no
existe en el corpúsculo basal. La forma del cilio se mantiene gracias a unas fibrillas
27
ancladas a la membrana a la altura del final del cuerpo basal.
Los
dobletes externos del cilio tiene unidos a su microtúbulo A
brazos de dineina que conectan con el microtúbulo B del par adyacente, también hay
brazos de nexina entre los pares adyacentes y fibras radiales que se dirigen hacia la
vaina del par central. En el par central hay unas proyecciones que conectan con las
fibras radiales.
El cuerpo basal tiene una estructura de 9 tripletas + 0
El cilio tiene una estructura de 9 dobletes + 2
El movimiento del cilio se produce por el batido en la dirección perpendicular al plano
formado por el par de microtúbulos central, que dirige el movimiento; el batido se
produce al deslizarse unos microtúbulos sobre otros por cambio en la estructura de los
brazos de dineina con gasto de ATP. Si el deslizamiento no estuviera controlado por el
par central y todos los brazos de dineina se contrajeran a la vez el cilio se encogería
retorciéndose como una cuerda en lugar de batir.
En los flagelos, debido a su longitud, el movimiento no es un batido sino una onda.
NÚCLEO
El núcleo es la zona de la célula donde se contiene el material genético. Está formado
por una membrana nuclear doble que contiene en su interior una disolución acuosa
llamada nucleoplasma, de composición semejante al hialoplasma, donde se encuentra
suspendida una sustancia llamada cromatina, de aspecto fibrilar, que está formada por
la asociación del ADN con proteínas.
Membrana nuclear
Ya hemos visto, al hablar del origen de las células eucariotas, la posible evolución de
la membrana nuclear a partir de cisternas del retículo endoplásmico al que se encuentra
unida. La membrana nuclear es una membrana doble formada por dos bicapas lipídicas,
en la externa puede haber ribosomas transcribiendo como lo hacen en el retículo
endoplásmico, las membranas están conectadas entre si en los poros, por lo que puede
decirse que es físicamente continua.
Los poros son zonas donde se unen las dos membranas, están formados por ocho
grupos de proteínas que forman los vértices de un octógono, el diámetro es de unos 800
Å pero está parcialmente obstruido por un gránulo central de manera que solo atraviesan
partículas de un diámetro de 90 Å, este poro permite la salida de ARN m y subunidades
de ribosomas, pero no permite la entrada de ribosomas enteros, por lo que impide que la
síntesis de proteínas se realice en el núcleo. Al núcleo entran por los poros todas las
proteínas que este necesita (histonas, fosfoproteínas, polimerasas, etc) que son
sintetizadas en el hialoplasma.
La membrana nuclear conserva su forma gracias a una red fibrosa proteica llamada
placa nuclear, adosada a ella por su cara interna, parece que esta placa nuclear actúa
organizando los cromosomas, ya veremos en el capítulo de división celular como los
cromosomas se anclan en ella durante la profase.
Cromatina
La cromatina es una sustancia fibrilar formada por ADN e histonas, la unidad
estructural de la cromatina es el nucleosoma, un nucleosoma está compuesto por dos
28
tetrámeros de histonas, en cada tetrámero hay una histona H 2a otra H2b una H3 y otra
H4, las ocho histonas forman un núcleo alrededor del cual se enrolla el ADN sin llegar a
dar dos vueltas completas, alrededor de las histonas hay 140 pares de bases y entre un
nucleosoma y otro 60 pares de bases, asociada a estos últimos se encuentra la histona
H1 entre dos nucleosomas.
Las histonas son proteínas que han cambiado muy poco a lo largo de la evolución,
debido a la importancia de su función (como ejemplo, la H 4 del guisante y de la vaca se
diferencian solamente en una aminoácido)
Los nucleosomas a su vez pueden estar más o menos empaquetados, pudiéndose
diferenciar varios tipos de cromatina.
Al teñir el núcleo con distintos colorantes se observa que la mayoría se tiñe con
colorantes básicos, dado el carácter ácido del ADN, a este tipo de cromatina se le llama
basicromatina, una o varias regiones del núcleo sin embargo se tiñen con colorantes
ácido debido a la gran cantidad de fosfoproteína básica que presenta, a esta cromatina
se le llama eosicromatina y corresponde a la región del nucleolo.
La basicromatina que está poco condensada se le llama eucromatina (antes ponia
, está poco condensada cuando se trata de ADN que
se está transcribiendo, a la cromatina que está muy condensada y por tanto poco activa
se le llama heterocromatina,se tiñe más intensamente, se llama heterocromatina
constitutiva a la cromatina que siempre está condensada (Uno de los cromosomas X en
las hembras).
holocromatina; corrección 5/4/05 Alberts)
El nucleolo es una región diferenciada del núcleo por teñirse con colorantes ácidos,
formado por tanto por eosicromatina, en el nucleolo se encuentran los genes de los ARN
ribosómicos salvo el de la cadena más pequeña de la subunidad mayor que se
encuentra disperso en la basicromatina. Hasta el nucleolo llegan las proteínas
ribosómicas y se ensamblan al ARN para formar las subunidades que salen formadas
del núcleo.
DIVISIÓN CELULAR
Introducción
La capacidad de reproducirse es una propiedad fundamental de la célula. Puede
tenerse una idea de la magnitud de la reproducción celular, si se tiene en cuenta que un
individuo adulto está formado por 1014 células, todas ellas derivadas de una sola, el
huevo fecundado. Aún en un ser adulto, que ha dejado de crecer, la multiplicación
celular es notable, por ejemplo, en el hombre hay 2.5 x 10 13 eritrocitos y la vida media
de estos es de 120 días, por lo tanto, para mantener constante este número se deben
producir 2.5 millones de células por segundo. La reproducción celular debe ser regulada
29
muy exactamente, de manera que la formación de nuevas células compense la perdida y
se mantenga el equilibrio.
Ciclo celular
El ciclo celular comprende dos grandes períodos divididos a su vez en varias partes
para su estudio; la interfase en la que la célula se prepara para la división y crece y la
división celular.
La interfase fue considerada como una fase de reposo, pues aparentemente no
cambia nada de forma visible, las células pasan la mayor parte de su vida en interfase,
durante este período las células duplican su material genético.
La interfase comprende tres períodos: G1, S, G2.
El período G1 dura aproximadamente en una célula de mamífero cultivada unas 5
horas, el S 7 horas y el G2 3 horas mientras que la mitosis o división celular solo dura
una hora. Cuando una célula deja de dividirse para diferenciarse, como en el caso de
las neuronas, se detiene en un momento determinado del período G 1.
En el período G1 la célula sintetiza proteínas y acumula reservas energéticas, cuando
ha crecido lo suficiente se induce la duplicación del ADN y la célula entra en período S;
una vez acabada la duplicación del ADN y de los centriolos se entra en el período G 2
donde se producen los mecanismos necesarios para que la cromatina se condense
formando cromosomas, se producen las proteínas que van a necesitarse en la mitosis ya
que una vez condensada la cromatina dejará de transcribir ARN.
El momento principal de la interfase está en el período G 1, en el que la célula "decide"
si tiene que dividirse o no. La proporción entre el volumen nuclear y el volumen celular
está relacionada con la inducción a la división, el glicocáliz informa de la posición de la
célula con respecto a otras y puede inhibir la división, no se saben aún los mecanismos
químicos que inducen a la división.
Los cromosomas
Los cromosomas son el resultado de la condensación de la cromatina, induciendo la
condensación en distintos puntos de la interfase, uniendo células en interfase con
células en mitosis, se ha visto que los cromosomas en G1 tienen una sola cromátida y
en G2 tienen dos cromátidas, en el período S aparecen núcleos dispersos de
condensación.
Los cromosomas están formados por ADN asociado a histonas. Las cadenas de
nucleosomas se enrollan sobre si mismas, unas 40 veces para formar las fibras de
heterocromatina interfásica, y unas 100 veces más para formar los cromosomas
metafásicos plenamente condensados, la densidad de los cromosomas es de 5000 a
10.000 veces mayor que la cromatina.
En el interior de los cromosomas existe un núcleo de proteínas no histónicas que le
sirven de armazón.
La forma de los cromosomas viene determinada por la posición del centrómero, lugar
más estrecho del cromosoma donde se unen las cromátidas, pueden ser:
Metacéntricos, cuando el centrómero se encuentra en mitad del cromosoma.
Submetacéntricos cuando se encuentra desplazado del centro y los brazos de las
30
cromátidas son desiguales.
Acrocéntricos cuando está casi en un extremo
de las cromátidas, habiendo un brazo muy largo y otro muy corto.
Telocéntricos cuando el centrómero está en un extremo de las cromátidas.
Al centrómero se le conoce con el nombre de constricción primaria, en los extremos
de las cromátidas, los cromosomas pueden adelgazarse un poco quedando es extremo
como un pequeño cuerpo esférico unido al resto por esta zona, a esta zona delgada se
le llama constricción secundaria y a la esfera de cromatina que sujeta se le llama
satélite. Las constricciones secundarias se originan con el ADN del nucleolo que tarda
más en condensarse para poder formar ribosomas hasta el último momento de la
interfase.
Unido al centrómero hay dos discos que se llaman cinetocoros y que es el punto de
unión de las fibras del huso acromático (microtúbulos) que tiran de los cromosomas al
dividirse.
Los extremos de los cromosomas son donde se encuentran los extremos de las fibras
de ADN y se llaman telómeros, estos telómeros confieren estabilidad al cromosoma.
Con distintos colorantes se puede teñir de manera diferencial, dependiendo de la
composición del colorante y de la de distintas zonas del cromosoma se unirá más o
menos colorante y se producirá un bandeado característico que identifica a los
cromosomas de cada individuo, pudiendo por este método establecer diferencias o
anomalías entre dos cromosomas semejantes de individuos diferentes. Hay varios
colorantes, pero los más utilizados en los estudios clásicos son la mostaza de quinacrina
que proporciona el bandeado Q y el giemsa que nos da el bandeado G.
Con la identificación morfológica y el bandeado se consigue poder ordenar los
cromosomas y formar el cariotipo; conjunto de cromosomas de la especie.
MITOSIS
Como ya hemos visto, no es más que la separación efectiva de las moléculas de ADN
que se duplicaron en la fase S de la interfase. El proceso es un proceso continuo en el
que se pueden hacer varias subdivisiones para su estudio.
Profase: Durante esta fase los cromosomas se hacen visibles al condensarse la
cromatina, lo último que se condensa es el ADN del nucleolo, formando las
constricciones secundarias, como ya hemos visto; al final de esta fase los cromosomas
se aproximan a la membrana nuclear. Se observan los cromosomas formados por dos
cromátidas unidas por el centrómero, mientras esto ocurre en el núcleo, en el
citoplasma, próximo a la membrana nuclear se divide el áster, formado pro cuatro
centriolos en las células animales, producto de la división de los dos centriolos originales
en la fase S de la interfase; durante la profase uno de los dos pares de centriolos queda
donde está y el otro migra 180o alrededor del núcleo hasta colocarse en el polo opuesto,
los dos ásteres están unidos por microtúbulos que crecen entre ellos y los empujan hacia
los polos. Al final de la profase desaparece la membrana nuclear y las fibras del áster
crecen hasta unirse con los cinetocoros de los centrómeros.
El conjunto de fibras continuas que se forman para separarse los ásteres y las fibras
cinetocóricas o cromosómicas formadas entre los ásteres y los cinetocoros forman el
llamado huso mitótico o huso acromático.
Las fibras del huso mitótico son microtúbulos formados por tubulina.
31
Hay que destacar que las células vegetales no tienen centriolos y el huso se produce
desde un áster poco denso.
Metafase: Una vez acabada la profase los microtúbulos se tensan y colocan a los
cromosomas en el ecuador de las células formando la llamada placa ecuatorial.
Anafase: Durante la anafase se dividen los centrómeros y los cromosomas empiezan
a migrar a los polos, se cree que debido en parte a la tensión que provocan las fibras
cinetocóricas al despolimerizarse en la zona del áster. El centrómero siempre precede al
resto del cromosoma.
Durante la anafase las fibras cromosómicas se acortan 1/3 de su longitud, mientras
que las continuas crecen el doble de su longitud original. Tanto la tensión de
estiramiento que producen las fibras cinetocóricas al acortarse, como el empuje de los
ásteres al separarse por crecimiento de fibras continuas, provoca la separación de los
cromosomas hijos (cromátidas). Se forman también microtúbulos entre las dos
cromátidas al separarse, llamándose estos fibras interzonales.
Telofase: Al final de la anafase los cromosomas se descondensan y se rodean de
masas discontinuas de membrana nuclear que al final se fusionan para formar la
membrana nuclear doble. los nucléolos aparecen al final de la telofase.
Citocinesis: Durante la anafase y la telofase se desarrollan los mecanismos de
división del citoplasma.
En animales en el ecuador de la célula se forma un anillo de actina pegado a la
membrana que se va contrayendo hasta estrangular la membrana, quedando en el
último momento un haz de fibras interzonales uniendo las dos células hijas hasta que se
separan.
En vegetales, el aparato de Golgi segrega vesículas cargadas de polisacáridos que
emigran a la placa ecuatorial fundiéndose allí unas con otras formando el fragmoplasto,
el interior de las vesículas formará la lámina media, siempre quedan algunas conexiones
más estrechas entre las dos células que son los plasmodesmos.
MEIOSIS
La meiosis es un tipo de división celular utilizada solamente en la producción de
gametos.
El cariotipo es el conjunto de cromosomas de una especie, si este número fijo de
cromosomas no se redujera a la mitad a la hora de formar los gametos, en cada
generación, tras la fecundación se duplicaría el número de cromosomas, al cabo de
pocas generaciones una célula tendría repetida muchas veces la información para un
determinado carácter.
El cariotipo siempre tiene un número par de cromosomas, estos cromosomas son
iguales dos a dos ya que uno de cada par ha sido heredado de cada uno de los
progenitores, a los dos cromosomas semejantes se les llama cromosomas homólogos.
32
Cuando una célula tiene un número par de cromosomas se la llama diploide. Cuando
una célula presenta un solo juego de cromosomas se llama haploide. En un juego de
cromosomas, todos diferentes, de un célula haploide se encuentra contenida toda la
información genética necesaria para formar un individuo, las células haploides esta
información la tienen por partida doble ya que heredan la información completa tanto de
su padre como de su madre. En el hombre las únicas células haploides existentes son
los gametos que se producen por meiosis al reducirse el número de cromosomas a la
mitad. Tras la meiosis los cromosomas homólogos de cada par quedan separados,
formándose cuatro células con un solo juego de cromosomas cada una (haploides).
Después de la fecundación el nuevo individuo vuelve a tener el número de cromosomas
de su especie.
Una meiosis completa se consigue con dos divisiones consecutivas sin la duplicación
del material genético entre ellas. Se puede dividir por tanto en dos grandes procesos;
primera división meiótica y segunda división meiótica, cada una de estas se divide a su
vez en distintas fases. Es un proceso largo que dura 24 horas en el hombre y años en la
mujer.
Primera división meiótica:
Comienza con una larga profase subdividida en varias subfases:
Leptotene: Los cromosomas se condensan con las dos cromátidas muy unidas dando
la apariencia de ser una sola y se unen todos a una misma región de la membrana
nuclear formando una figura característica llamada "bouquet" (ramo de flores)
Cigotene: En esta fase se produce un proceso esencial, los cromosomas homólogos
se aparean formando entre las cuatro cromátidas el llamado complejo sinaptonémico,
este apareamiento es muy exacto entre las cromátidas homólogas, está formado por
fibras transversales que salen de las cromátidas y que contienen ADN y una estructura
longitudinal media formada por proteínas.
Paquitene: Se completa el apareamiento de los cromosomas y estos se contraen
longitudinalmente. La unidad formada por los dos cromosomas homólogos se llama
bivalente, contiene cuatro cromátidas (Tétrada).
Durante esta fase se produce el entrecruzamiento (o sobrecruzamiento) de unas
cromátidas con otras, produciéndose un intercambio de información genética entre los
dos cromosomas homólogos. Desde este momento un cromosoma no será enteramente
ni del padre ni de la madre, sino que un mismo cromosoma puede llevar un gen de cada
uno para el mismo carácter.
Diplotene: En esta fase los cromosomas comienzan a separarse entre si, quedando
unidos por los puntos donde ha habido intercambio de cromátidas, desaparece el
complejo sinaptonémico formándose los quiasmas, por lo menos se forma un quiasma
por bivalente, con pocas excepciones. En esta fase se detiene el ovocito humano que se
forma en el 5ª mes de desarrollo embrionario y no completa la meiosis hasta que se
ovula de uno en uno durante la vida fértil de la mujer.
Diacinesis: Los cromosomas se contraen nuevamente y los quiasmas van
desapareciendo hasta que los cromosomas quedan unidos por los extremos
(Telómeros). La condensación de los cromosomas alcanza el máximo y la envoltura
nuclear desaparece al finalizar la larga profase. Las fibras cinetocóricas se unen a los
cromosomas, comportándose los cinetocoros de cada cromosoma como una unidad ya
que se colocan en el mismo plano.
33
Metafase I: Los homólogos se encuentran unidos por los extremos en la placa
ecuatorial.
Anafase I: Cada cromosoma homólogo viaja a un polo. Presenta dos cromátidas que
tras el sobrecruzamiento no poseen idéntica información genética.
Telofase I: Se genera una membrana nuclear cuando los cromosomas llegan a los
polos. Después de dividirse el citoplasma comienza una interfase donde no hay
duplicación del material genético ya que hay dos cadenas de ADN por cromosoma,
aunque hay la mitad de cromosomas.
En esta primera división meiótica se produce variabilidad genética a dos niveles, por
un lado las cromátidas , tras el sobrecruzamiento ya no son exactamente idénticas, en
un mismo cromosoma hay información de los dos progenitores; un cromosoma heredado
del padre tendrá mayoritariamente genes del padre, pero también los tendrá de la madre
en una parte de la cromátida. Por otro lado la migración de los cromosomas en la
anafase es al azar, pudiendo ir a un polo cromosomas que se heredaron del padre con
cromosomas que se heredaron de la madre. En el hombre aún sin sobrecruzamiento, al
tener 23 pares de cromosomas las distintas posibilidades de combinarse serían 2 23=
8.388.608 posibles gametos diferentes, este número aumenta mucho al producirse
recombinaciones.
Segunda división meiótica
Después de la interfase comienza otra división semejante a la mitosis (profase II,
metafase II, anafase II, telofase II) en la que se separan las cromátidas de cada
cromosoma quedando al final cuatro células haploides con una sola cadena de ADN
para cada cromosoma.
CICLOS VITALES
La meiosis no se produce en todos los organismos en el mismo momento del ciclo
vital.
En la mayoría de los animales la meiosis se produce al producirse los gametos, tras la
meiosis se produce la fecundación y se regenera la dotación diploide de la especie. Solo
los gametos son haploides y se dice que es un ciclo diplonte.
En algunas algas primitivas y algunos hongos la meiosis se produce justo después de
la fecundación y lo que se desarrolla es un individuo haploide que produce sus gametos
por mitosis, la única célula diploide es el cigoto, se llama ciclo haplonte.
En la mayoría de las plantas terrestres se produce un ciclo haplodiplonte; después de
la fecundación se desarrolla un individuo diploide llamado esporofito, este el final del
desarrollo produce esporas por meiosis, estas esporas se dividen por mitosis y forman
un individuo haploide llamado gametofito que producirá gametos por mitosis. La meiosis
y la fecundación están separadas en las plantas.
En los musgos (Briofitas) el gametofito haploide es el individuo más importante en el
ciclo vital, en él se producen los gametos y se fecunda el óvulo dentro del arquegonio
donde se forma. El embrión desarrolla es esporofito encima del gametofito, es
hemiparásito de este.
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En los helechos (Pteridofitos), más evolucionados que los musgos, el esporofito es el
individuo más importante en el ciclo vital, es el helecho visible, en las hojas se
encuentran los esporángios donde se producen las esporas por meiosis, estas esporas
caen al suelo y desarrollan un individuo haploide pequeño llamado prótalo, con forma de
corazón, sobre el que se forman los gametangios (Anteridio y arquegonio), tras la
fecundación el prótalo muere y se desarrolla un embrión diploide libre formando el
esporofito.
En las plantas con semilla (Espermatofitas ) el esporofito alcanza el mayor desarrollo y
el gametofito está muy reducido y vive en el interior del esporofito, los gametofitos son
los granos de polen (3 núcleos solamente ) y el saco embrionario (8 células) alojadas en
la semilla.
En la evolución vegetal el gametofito va ganando importancia al esporofito aunque la
meiosis en ningún caso va seguida de la fecundación.
Las ventajas de la reproducción sexual es el aumento de la variabilidad genética
dentro de las poblaciones, eliminándose los individuos con genes mutantes perjudiciales
y facilitándose la reunión de los genes que favorecen la adaptación al medio en un
mismo individuo, procedentes de sus progenitores. Para que se produzca reproducción
sexual es necesaria la división reduccional o meiosis.
Las ventajas de la reproducción asexual, por mitosis o por escisión de un individuo es
el aumento del tamaño de la población muy rápidamente, aunque la variabilidad genética
es muy reducida entre todos los individuos y solo puede ser debida a las mutaciones.
Los ciclos haplodiplontes combinan estas dos ventajas.
Ya hablaremos más sobre este asunto en los temas de Genética, evolución y
ecología.
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