BIOLOGÍA MOLECULAR

Proteínas:

Macromoléculas más abundantes en la célula, con un 15 a 20 % del peso neto de ella. Formadas por unidades monoméricas, unidas por enlace peptídico. Para cualquier célula, existen 20 aminoácidos básicos, que se distribuyen en cada proteína, en base a la información entregada, en primera instancia, por el ADN. Esta es la formación de proteínas o síntesis de proteínas.
Casi todo lo que ocurre en la célula, involucra proteínas. Las proteínas determina la forma y estructura celular y son el principal instrumento de reconocimiento molecular y de catálisis. Las proteínas constituyen más de la mitad del peso seco de las células.

Sus funciones son:

•         Enzima

•         Transporte de sustancias

•         Nutriente

•          Proteínas contráctiles y mótiles (tubulina)

•         Estructural (colágeno)

•         Defensa (inmunoglobulinas)

•         Reguladoras (hormonas)

Carbohidratos

Biomoléculas de valor energético y estructural, las más abundantes. Tienen varias funciones, desde energéticas a señales de localización intracelular (Glicocálix). Son principalmente, polihidroxialdehidos y polihidroxicetonas. Solo algunos azúcares estan formados por N, P o S. Su fórmula empírica es (CH2O)n.

Se dividen en:
Monosacáridos, Oligosacáridos y Polisacáridos.

Lípidos

Grupo de compuestos insolubles en agua, de unidad monoméricas ácidos grasos, con funciones diversas como:

·        almacenamiento de energía

·        estructural (membrana plasmática)

·        pigmentos

·        agentes formadores de emulsiones

·        hormonas

·        mensajeros intracelulares

ADN

•         Las células eucarióntes poseen una estructura subcelular redondeada denominada núcleo, donde se aloja el material genético o ADN. Este ADN se encuentra asociado a proteínas básicas llamadas histonas, con las que forman la cromatina, que se encuentra condensada en el núcleo.

•         Existen regiones de la cromatina que siempre están condensadas (heterocromatina), estas son zonas altamente activas y se ubican en la membrana nuclear.

•         Las otras regiones de la cromatina que pueden condensarse y descondensarse se denominan eucromatina.

•         La cromatina debe condensarse 10 veces más para poder formar los cromosomas. Al formarse, el ADN tiene un grado de compactación de 10.080 veces.

•         El ADN está formado por una base nitrogenada, un grupo fosfato y una pentosa. Entre sus bases nitrogenadas, solo existen la adenina, la guanina, la citosina y la timina.

La célula

Membrana Celular

Membrana Plasmática:

•         La membrana plasmática es una delgada lámina de 75 Å que envuelve a la célula y la separa del medio externo. Puede variar su forma permitiendo movimientos y desplazamientos de la célula.
Su estructura es igual en todas las células y en todos los orgánulos citoplasmáticos, por lo que se llama membrana unitaria. Según Singer y Nicholson (1972) es una bicapa lipídica, asociada con moléculas de proteínas, formando la estructura de mosaico fluido.
Posee una composición química de 52% de proteínas, 40% de lípidos y 8% de azúcares.
La función es fundamentalmente mantener estable el medio intracelular, regulando el paso de agua, moléculas y elementos, mantener la diferencia de potencial iónico, haciendo que el medio interno esté cargado negativamente y realizar los procesos de endocitosis y exocitosis.

  

•         El citoplasma es la parte del protoplasma que, en una célula eucariota, se encuentra entre el núcleo celular y la membrana plasmática Consiste en una emulsión coloidal muy fina de aspecto granuloso, el citosol o hialoplasma, y en una diversidad de orgánulos celulares que desempeñan diferentes funciones.

•         Su función es albergar los orgánulos celulares y contribuir al movimiento de los mismos. El citosol es la sede de muchos de los procesos metabólicos que se dan en las células.

•         El citoplasma se divide en ocasiones en una región externa gelatinosa, cercana a la membrana, e implicada en el movimiento celular, que se denomina ectoplasma; y una parte interna más fluida que recibe el nombre de endoplasma y donde se encuentran la mayoría de los orgánulos.

•         El citoplasma de las células eucariotas está subdividido por una red de membranas conocidas como retículo endoplasmático (liso y rugoso) que sirven como superficie de trabajo para muchas de sus actividades bioquímicas

Citoesqueleto

•         El citoesqueleto tiene por función estabilizar la estructura de la celula, organizar el citoplasma con todos sus organelos y producir movimiento.

•         Formado por tres tipos de filamentos proteícos principalmente:

•         Filamentos de Actina

•         Microtúbulos

•         Filamentos intermedios

Filamentos de Actina

•         La actina es una proteína que se asocia espontáneamente entre si para formar un polímero lineal y helicoidal en presencia de ATP.
Estos filamentos tienen importancia en el movimiento de la célula y en la forma celular. Se agrupan en el Cortex celular, que es una zona que rodea, por dentro, la membrana plasmática.

Microtúbulos

•         Formados por tubulina, en sus dos formas   y  , que al unirse, forman un heterodímero, unidad básica de los microtúbulos.

•         Su forma principal esta dada por la agrupación de 13 protofilamentos, que es una larga fila hecha de heterodímeros, que se unen mediante GTP, sin consumirlo. Por un proceso lento, a cargo de la tubulina   que tiene actividad enzimatica de GTP-asa, se consume el GTP, produciendose un proceso que desestabiliza el microtúbulo, rompiendose. Esto sucede siempre y cuando, en el extremo positivo del microtúbulo no haya GTP, porque este funciona como encapsulador del microtúbulo. Cuando es necesario mantener a los microtúbulos por más tiempo de lo que son capaces de soportar, se les agrega, en el extremo positivo, una proteína CAP-GTP, que hace la función de encapsulamiento cuando existe todavia GTP en el extremo positivo.

•         En el espermatozoide existe una formación microtubular que le permite el movimiento. Esta estructura esta formada por 9 semipares de microtúbulos, ordenados por dos microtúbulos desapareados en el centro. Los pares del exterior, estan unidos entre si por dineinas, y por su tipo de movimiento, producen un fenómeno parecido a un latigazo en toda la estructura, generando movimiento. A esta forma se le denomina 9 + 2

Microtúbulo

•         Subunidad alfa de la tubulina, componente de los microtúbulos.

•         Los microtúbulos son estructuras tubulares de 25 nm de diámetro exterior y unos 12 nm de diámetro interior, con longitudes que varían entre unos pocos nanómetros a micrómetros, que se originan en los centros organizadores de microtúbulos y que se extienden a lo largo de todo el citoplasma. Se hallan en las células eucariotas y están formadas por la polimerización de un dímero de dos proteínas globulares, la alfa y la beta tubulina.

•         Los microtúbulos intervienen en diversos procesos celulares que involucran desplazamiento de vesículas de secreción, movimiento de orgánulos, transporte intracelular de sustancias, así como en la división celular (mitosis y meiosis) y que, junto con los microfilamentos y los filamentos intermedios, forman el citoesqueleto. Además, constituyen la estructura interna de los cilios y los flagelos.

•         Los microtúbulos se nuclean y organizan en los:

•          centros organizadores de microtúbulos (COMTs),:

•          centrosoma, cuerpos basales de los cilios y flagelos.

•         Estos COMTs pueden poseer centríolos o no.

Además de colaborar en el citoesqueleto, los microtúbulos intervienen en el tránsito de vesículas (véase la dineína o la kinesina), en la formación del huso mitótico mediante el cual las células eucariotas segregan sus cromátidas durante la división celular, y en el movimiento de cilios y flagelos.

Técnica de inmunofluorescencia para mostrar los microtúbulos mediante anticuerpos marcados contra β-tubulina

Proteínas motoras

•         Existen proteínas que aprovechan la hidrólisis de ATP para generar energía mecánica y desplazar sustancias sobre microtúbulos. Éstas son la dineína, transportador retrógrado, y la kinesina, transportador anterógrado.

•         La dineína es una molécula de estructura similar a la kinesina: consta de dos cadenas pesadas idénticas que conforman dos cabezas globulares y de un número variable de cadenas intermedias y de cadenas ligeras. Transportan desde el extremo (+) hacia el (-) del canal intramicrotubular. Se sugiere que la actividad de hidrólisis de ATP, fuente de energía de la célula, se encuentra en las cabezas globulares. La dineína transporta vesículas y orgánulos, por lo que debe interaccionar con sus membranas, y, para interactuar con ellas, requiere de un complejo proteico, de cuyos elementos cabe destacar la dinactina. 

•         Una kinesina unida a un microtúbulo

•         La mayoría de las kinesinas intervienen en el transporte anterógrado de vesículas, es decir, que implican un movimiento hacia la parte más distal de la célula o la neurita, desde el extremo (-) hacia el (+) de los microtúbulos, sobre los que se desplazan. Por el contrario, otra familia de proteínas motoras, las dineínas, emplean los mismos raíles pero dirigen las vesículas a la parte más proximal de la célula, por lo que su transporte es retrógrado.

Patrones de batido de flagelos y cilios

•         Aunque flagelos y cilios eucariotas son idénticos en ultraestructura, estos dos tipos de apéndices tienen patrones de batido diferentes. Los flagelos, que impulsan a los espermatozoides y a muchos protistas, están diseñados para que uno sólo de ellos (o unos pocos) pueda impulsar a la célula completa a través de un fluido. El batido del flagelo genera un movimiento helicoidal sin que el eje rote sobre sí mismo

•         .En contraste, los cilios están diseñados para actuar coordinadamente con otros muchos sobre la superficie celular. Su batido consiste en movimientos cíclicos, primero hacia atrás (propulsado rígido) y luego hacia adelante (recuperación flexible), como ocurre en el batido de un remo.

Forma en que se realiza el movimiento de los cilios

 

Los cilios (derecha) son prolongaciones capaces de generar un movimiento sobre el medio extracelular líquido, para ello cuentan con un sistema de proteínas que forman parte del citoesqueleto.

   Filamento intermedio

 Los filamentos intermedios son componentes del citoesqueleto, formados por agrupaciones de proteínas fibrosas. Su nombre deriva de su diámetro, de 10 nm, menor que el de los microtúbulos, de 24 nm, pero mayor que el de los microfilamentos, de 7 nm. Función de los filamentos intermedios

Su función principal es darle rigidez a la célula. La función depende de la composición y la localización de los filamentos. Las laminas nucleares además de darle rigidez al núcleo participan en la regulación de transcripción. Otros miembros, las queratinas, participan en algunas uniones celulares (desmosomas).

Centrosoma

•         El centrosoma es un orgánulo celular que no está rodeado por una membrana; consiste de dos centríolos apareados, embebidos en un conjunto de agregados proteicos que los rodean y que se denomina “material pericentriolar” (PCM en inglés, por pericentriolar material).

•          Su función primaria consiste en la nucleación y el anclaje de los microtúbulos (MTs), por lo que de forma genérica estas estructuras (conjuntamente con los cuerpos polares del huso en levaduras) se denominan centros organizadores de MTs (COMTs, en inglés MTOCs por microtubule organizing center)

•         Los centrosomas tienen un papel fundamental en el establecimiento de la red de MTs en interfase y del huso mitótico. Durante la interfase del ciclo celular, los MTs determinan la forma celular, la polaridad y la motilidad, mientras que durante la mitosis, forman el huso mitótico, necesario para la segregación de los cromosomas entre las dos células hijas.

Centriolos

•         Otro tipo de estructura formada por microtúbulos son los centriolos, que se forman por la agrupación de 3 semimicrotúbulos en 9 paquetes distintos, sin microtúbulos en su interior, creando la forma 9 + 0

•         Son polares sin carga, ubicandose en base a eso:

•         lado negativo: se ubica en el centrosoma. (Zona viscosa que puede o no contener los centriolos, ya que esta presente tanto en plantas y animales, pero solo animales tienen centriolos. Encargada de coordinar a los microtúbulos durante la mitosis)

•         Lado positivo: se ubica hacia la membrana celular, es la zona por donde se origina el crecimiento del microtúbulo.

•         Los microtúbulos son los encargados del transporte dentro de la célula, la ubicación de los organelos y la generación de movimientos.

•         El transporte mediado por microtúbulos esta determinado por las proteínas dineinas y kinesinas.

•         Kinesinas: proteínas motoras que se desplazan desde el extremo negativo al extremo positivo, siendo capaces de acoplarse a un adaptador específico para cada elemento que deban transportar hacia la membrana celular.

•         Dineinas: Proteínas motoras que se mueven en dirección al centrosoma (de + a -). También se acoplan a un adaptador.

Aparato de Golgi

•         El aparato de Golgi es un orgánulo presente en todas las células eucariotas excepto los glóbulos rojos y las células epidérmicas. Pertenece al sistema de endomembranas del citoplasma celular. Está formado por unos 4-8 dictiosomas, que son sáculos aplanados rodeados de membrana y apilados unos encima de otros, cuya función es completar la fabricación de algunas proteínas.

•          Funciona como una planta empaquetadora, modificando vesículas del retículo endoplasmático rugoso. El material nuevo de las membranas se forma en varias cisternas del Golgi. Dentro de las funciones que posee el aparato de Golgi se encuentran la glicosilación de proteínas, selección, destinación, glicosilación de lípidos, almacenamiento y distribución de lisosomas y la síntesis de polisacáridos de la matriz extracelular. Debe su nombre a Camillo Golgi, Premio Nobel de Medicina en 1906 junto a Santiago Ramón y Cajal.

Lisosoma

•         Los lisosomas son orgánulos relativamente grandes, formados por el retícul endoplasmatico rugoso (RER) y luego empaquetadas por el complejo de Goli, que contienen enzimas hidrolíticas y proteolíticas que sirven para digerir los materiales de origen externo (heterofagia) o interno (autofagia) que llegan a ellos. Es decir, se encargan de la digestión celular.

•         El pH en el interior de los lisosomas es de 4,8 (bastante menor que el del citosol, que es neutro) debido a que las enzimas proteolíticas funcionan mejor con un pH ácido.

•         La membrana del lisosoma estabiliza el pH bajo bombeando protones (H+) desde el citosol, y asimismo, protege al citosol y al resto de la célula de las enzimas digestivas que hay en el interior del lisosoma.

•         Las enzimas lisosomales son capaces de digerir bacterias y otras sustancias que entran en la célula por fagocitosis, u otros procesos de endocitosis.

•         Los lisosomas utilizan sus enzimas para reciclar los diferentes orgánulos de la célula, englobándolos, digiriéndolos y liberando sus componentes en el citosol. De esta forma los orgánulos de la célula se están continuamente reponiendo. El proceso de digestión de los orgánulos se llama autofagia. Por ejemplo, las células hepáticas se reconstituyen por completo una vez cada dos semanas.

Peroxisoma

•         Los peroxisomas son orgánulos citoplasmáticos muy comunes en forma de vesículas que contienen oxidasas y catalasas.

•         Estas enzimas cumplen funciones de detoxificación celular.

Retículo endoplasmático rugoso

•         Es un orgánulo que se encarga de la síntesis y transporte de proteínas en general. Existen retículos sólo en las células eucariotas. En las células nerviosas es también conocido como cuerpos de Nissl.

•         El término rugoso se refiere a la apariencia de este orgánulo en las microfotografías electrónicas, la cual es resultado de la presencia de múltiples ribosomas en su superficie, sobre su membrana.

•         El RER está ubicado junto a la envoltura nuclear y se une a la misma de manera que puedan introducirse los ácidos ribonucleicos mensajeros que contienen la información para la síntesis de proteínas. Está constituido por una pila de membranas que en su pared exterior presentan adosados ribosomas.

•         El RER participa en la síntesis de todas las proteínas que deben empacarse o trasladarse a la membrana plasmática.

•         También lleva a cabo modificaciones postranscripcionales de estas proteínas, entre ellas sulfación, plegamiento y glucosilación.

•          Además, los lípidos y proteínas integrales de todas las membranas de la célula son elaboradas por RER.

Retículo endoplasmático liso

•         El retículo endoplasmático liso es un orgánulo celular formado por cisternas, tubos aplanados y sáculos membranosos forman un sistema de tuberías que participa en el transporte celular y en la síntesis de triglicéridos, fosfolípidos y esteroides. También dispone de enzimas destoxificantes, que metabolizan el alcohol y otras sustancias químicas.

•          A diferencia del retículo endoplasmático rugoso, carece de ribosomas adosados a su membrana. En realidad los retículos endoplasmáticos lisos tienen diferentes variantes funcionales que sólo tienen en común su aspecto y la ausencia de ribosomas.

Mitocondria

•         Las mitocondrias se describen en ocasiones como "generadoras de energía" de las células, debido a que producen la mayor parte del suministro de  (ATP), que se utiliza como fuente de energía química.

•          Además de proporcionar energía a la célula, las mitocondrias están implicadas en otros procesos, como la señalización celular, diferenciación celular, muerte celular programada, así como el control del ciclo celular y el crecimiento celular

Su número depende de las necesidades energéticas de la célula. Al conjunto de las mitocondrias de la célula se le denomina condrioma celular.

•         Las mitocondrias están rodeadas de dos membranas claramente diferentes en sus funciones y actividades enzimáticas, que separan tres espacios: el citosol, el espacio intermembrana y la matriz mitocondrial.

Membrana externa

•         Es una bicapa lipídica exterior permeable a iones, metabolitos y muchos polipéptidos. Eso es debido a que contiene proteínas que forman poros, llamadas porinas o VDAC (de canal aniónico dependiente de voltaje), que permiten el paso de grandes moléculas

•         . La membrana externa realiza relativamente pocas funciones enzimáticas o de transporte. Contiene entre un 60 y un 70% de proteínas.

Membrana interna

•         La membrana interna contiene más proteínas, carece de poros y es altamente selectiva; contiene muchos complejos enzimáticos y sistemas de transporte transmembrana, que están implicados en la translocación de moléculas. Esta membrana forma invaginaciones o pliegues llamadas crestas mitocondriales, que aumentan mucho la superficie para el asentamiento de dichas enzimas.

•         La cadena de transporte de electrones, compuesta por cuatro complejos enzimáticos fijos y dos transportadores de electrones móviles:

•         el complejo I o NADH deshidrogenasa que contiene flavina mononucleótido (FMN),

•          el complejo II o succinato deshidrogenasa; ambos ceden electrones al coenzima Q

•          el complejo III o citocromo bc1 que cede electrones al citocromo c

•          el complejo IV o citocromo c oxidasa que cede electrones al O2 para producir dos moléculas de agua.

•         Un complejo enzimático, el canal de H+ ATP-sintasa que cataliza la síntesis de ATP(fosforilación oxidativa).

Espacio intermembranoso

•         Entre ambas membranas queda delimitado un espacio intermembranoso está compuesto de un líquido similar al hialoplasma; tienen una alta concentración de protones como resultado del bombeo de los mismos por los complejos enzimáticos de la cadena respiratoria. En él se localizan diversos enzimas que intervienen en la transferencia del enlace de alta energía del ATP, como la adenilato quinasa o la creatina quinasa.

Matriz mitocondrial

•         La matriz mitocondrial o mitosol contiene menos moléculas que el citosol, aunque contiene iones, metabolitos a oxidar, ADN circular bicatenario muy parecido al de las bacterias, ribosomas similares a los de bacterias, llamados mitorribosomas, que realizan la síntesis de algunas proteínas mitocondriales, y contiene ARN mitocondrial; es decir, tienen los orgánulos que tendría una célula procariota de vida libre.

•          En la matriz mitocondrial tienen lugar diversas rutas metabólicas clave para la vida, como el ciclo de Krebs y la beta-oxidación de los ácidos grasos; también se oxidan los aminoácidos

Función

•         la principal función de las mitocondrias es la oxidación de metabolitos (ciclo de Krebs, beta-oxidación de ácidos grasos) y la obtención de ATP mediante la fosforilación oxidativa, que es dependiente de la cadena transportadora de electrones; el ATP producido en la mitocondria supone un porcentaje muy alto del ATP sintetizado por la célula. También sirve de almacén de sustancias como iones, agua y algunas partículas como restos de virus y proteínas.

Ribosoma

•         Los ribosomas son complejos supramoleculares encargados de sintetizar proteínas a partir de la información genética que les llega del ADN transcrita en forma de AR mensajero (ARNm)

En el RER, en la membrana nuclear y en el citosol.

Funciones

•         Los ribosomas son los orgánulos encargados de la síntesis de proteínas, en un proceso conocido como traducción.

•         La información necesaria para esa síntesis se encuentra en el ARN mensajero (ARNm), cuya secuencia de nucleótidos determina la secuencia de aminoácidos de la proteína; a su vez, la secuencia del ARNm proviene de la transcripción de un gen del ADN. El ARN de transferencia lleva los aminoácidos a los ribosomas donde se incorporan al polipéptido en crecimiento.

El núcleo

•         El núcleo es el orgánulo más conspicuo de la célula. La relación entre el volumen de este orgánulo y el volumen total celular es aproximadamente un 50%, en la gran mayoría de las células.
En los organismos eucariotas hay células con un solo núcleo (uninucleadas) o con varios (polinucleadas).

LA FORMA del NÚCLEO es VARIADA

•         Estas imágenes muestran el núcleo de 4 células distintas
Los núcleos pueden ser más o menos esféricos (1) u ovalados (2); pueden presentar identaciones (3), algunas muy profundas (4) que hacen que el núcleo de diferentes células tenga una apariencia irregular.

LA ENVUELTA NUCLEAR es una DOBLE MEMBRANA
El núcleo (N) está rodeado de una envuelta nuclear que lo separa de el citoplasma (C).Esta envuelta está formada por dos membranas (flecha roja) que se fusionan en una estructura llamada poros nucleares

LOS POROS NUCLEARES son un COMPLEJO de PROTEÍNAS en la MEMBRANA NUCLEAR

•         La envuelta nuclear no aísla al núcleo, sino que es un punto de regulación (una aduana) en el transporte de moléculas (proteínas y ácidos nucleicos, subunidades ribosomales, iones, etc) entre el núcleo y el citoplasma.
El componente de la envuelta nuclear que esta implicado en esta regulación es el poro nuclear.
Los poros observados por criofractura:
A la izquierda se muestra una imagen parcial de una célula mostrado la membrana (m), el citoplasma (c) y el núcleo (n), donde encontramos los poros nucleares (derecha).

•         Los poros están distribuidos irregularmente en la envuelta nuclear (n, arriba) y nunca aparecen asociados. El número de poros por núcleo en una neurona es aproximadamente 1100
El poro está formado por proteínas llamadas en conjunto nucleoporinas que forman una estructura de sección circular (arriba, derecha).
El componente de la envuelta nuclear que esta implicado en esta regulación es el poro nuclear

LA CROMATINA TIENE UN ASPECTO GRANULOSO

•         Dentro del núcleo hay una solución que llamamos nucleoplasma. Además hay láminas nucleares que son un tipo de filamento intermedio asociado a la membrana interna nuclear. Pero el componente más abundante del núcleo es la cromatina.

La cromatina está constituida por ADN e Histonas; por tanto, se trata de los cromosomas de la célula.
La cromatina tiene un aspecto granuloso y heterogéneo, con regiones claras (Eucromatina, E) y oscuras (Heterocromatina, H).
La heterocromatina está constituida por las regiones condensadas de los cromosomas mientras que la eucromatina está formada por las regiones relajadas de los cromosomas

•         El grado de condensación de la cromatina -o la cantidad de heterocromatina- depende del tipo celular.
Además, en una célula, la condensación de la cromatina es variable en el tiempo y está relacionada con el desarrollo de la célula y con la fase del ciclo celular. La heterocromatización también depende del sexo del organismo.
A nivel molecular los tipos de cromatina, están relacionados con el proceso de transcripción de genes. 

La imagen inferior izquierda muestra el aspecto de la cromatina de una célula en interfase en la que no se pueden observar los cromosomas individuales, mientras que la foto de la derecha muestra una célula que se encuentra en mitosis y en ella se observan los cromosomas individuales completamente heterocromatizados y no hay

Nucléolo

En biología célula, el nucléolo o nucleolo es una región del núcleo considerada como un orgánulo. La función principal del nucleolo es la producción y ensamblaje de los componentes ribosómicos