TERMODINÁMICA: Ciencia que estudia las transformaciones de energía. Primera Ley de la Termodinámica: La energía del Universo permanece constante. Se refiere a la conservación de una forma total de energía y parte de la energía involucrada se trasforma en energía útil en energía que no puede ser aprovechada de nuevo. Según la Primera Ley, la suma de la energía de los productos más la energía liberada durante la reacción es igual a la energía inicial contenida en las sustancias que reaccionan. Esto, representa el cambio global producido en la degradación de la glucosa. Entonces, en la oxidación de la glucosa, la energía liberada está compuesta por una fracción “útil”. Pero esta parte se disipa en forma de calor. Así, la energía total liberada se compone de: Energía total liberada= Energía útil + calor La energía total del Universo es siempre la misma y dado que la energía no se crea ni se destruye, resulta claro que el calor va en constante aumento. Segunda Ley de la Termodinámica: La entropía del Universo tiende a un máximo. Establece la noción de que existe una dirección hacia la cual cualquier sistema que esté fuera de equilibrio tiende a desplazarse. Al hacerlo se disipa energía. Cuando toda la energía útil se haya disipado, en el sistema no podrán ocurrir más procesos. La cantidad de energía útil será igual a la energía total puesta en juego durante el proceso, menos cierta cantidad de energía que inevitablemente se disipará: Energía útil = Energía total – Energía disipada En la década de 1850, el físico alemán Rudolf Clausius formalizó esta ecuación al estudiar el importante papel de esa energía inneviatablmente disipada. Expresó esta fracción energética como el producto de la temperatura (T) por un factor al que llamó entropía y lo simbolizó con la letra S: Energía disipada =T x S El estado de más probable es el mayor desorden o bien de mayor entropía. En los sistemas aislados, la entropía nos permite predecir la dirección de los procesos espontáneos. Las ideas de los físicos eran contrarios a las ideas de los biólogos, por lo que los físicos de la época restringieron la aplicación de las leyes de la termodinámica al comportamientos de los sistemas materiales inmateriales. Hasta que a mediados del S.XX, el físico austríaco Erwn Schrodinger aportó la solución a este problema. Este intentó agrupar conceptos fundamentales de la física, la química y la biología. Hizo notar que en los organismos vivos conviven dos procesos esenciales: la generación de orden a partir de orden y la generación de orden a partir de desorden. Con “orden a partir de orden”, intenta explicar la capacidad de los organismos de producir réplicas de sí mismos e incluso de generar variaciones heredables. Creía que el gran orden que reina en la materia prima estaba regido por información almacenada en un microcódigo. La otra idea “Orden a partir de desorden”, no fue bien comprendida. Schrodinger se basó en la observación para entonces irrefutable de que los sistemas vivos están alejados del equilibrio. Schrodinger reconoció que los sistemas vivos son atravesados constantemente por flujos de materia y energía. Po lo tanto, concluyó que para comprender los balances energéticos que eisten en estos sistemas abiertos s debe considerar a un sistema más amplio: el sistema biológico debe considerarse juntamente con su entorno. Los organismos vivos consiguen ganar orden interno a expensas de generar desorden en su ambiente. Entonces, la ecuación inicialmente planteada para predecir los procesos espontáneos en sistemas aislados: Sfinal – Sinicial > 0. Debe replantearse para los sistemas abiertos: (Sfinal sistema + Sfinal entorno) – (Sinicial sistema + Sfinal entorno) > 0. De esta forma, el segundo principio de la termodinámica también se cumple en el caso de los sistemas biológicos, dado que en la entropía del conjunto (organismo vivo + entorno) está en permanente aumento. Quienes intentaban estudiar los organismos vivos desde un punto de vista fisicoquímico adecuaron lo modelos biológicos a modelos de sistemas en estado estacionario. Mientras que un sistema, en equilibrio mantiene su constancia por la ausencia de procesos, un sistema estacionario se mantiene porque existen procesos balanceados. El físico ruso-belga Ilya Prigogine, quien desarrolló una termodinámica aplicable aprocesos que están ocurriendo lejos del equilibrio (conocida como termodinámica de procesos irreversibles). Demostró que lejos del equilibrio un sistema caótico puede autoorganizarse. Con la termodinámica de procesos irreversibles, Prigogine formalizó el concepto “orden a partir de desorden” y por sus trabajos obtuvo el Premio Nobel de química en 1977. Cuando representamos cualquier reacción química con una ecuación del tipo: R P. Se debe tener cuenta que estamos representando un proceso global y no significa necesariamente que en la transformación de R en P no existían etapas intermedias. Las etapas intermedias pueden representar la transformación de R en otras moléculas estables y entonces, tras sucesivas transformaciones químicas, aparecerá el producto P. En este caso, el proceso global descrito por la ecuación formulada será el resultado de la suma de varias reacciones químicas independientes: R A (reacción 1) A B (reacción 2) B P (reacción 3) R + A + B A + B + P (reacción global) R + A + B A + B + P (reacción global abreviada) R P Pero aun en la conversión química más directa de R en A pueden existir etapas intermedias. En estos casos, las formas químicas intermedias suelen ser inestables (alto contenido energético) y su tiempo de existencia es demasiado corto como para manifestarse como un producto neto de la reacción: R r1 r2 a1 A La cantidad de etapas que generan productos inestables definirán el mecanismo de la reacción. La característica más destacada de las reacciones químicas que ocurren en los seres vivos es que se encuentran catalizadas por enzimas. La presencia de enzimas tiene un profundo impacto en dos aspectos generales de las reacciones químicas: la velocidad y el rendimiento. Sin la presencia de estos catalizadores, una reacción química puede tardar mucho tiempo en ocurrir. En cambio, en un medio celular puede resultar casi instantánea: Las enzimas generan nuevos mecanismos de reacción que involucran estadios intermedios de menor energía. El rendimiento se refiere al hecho de que las enzimas aseguran que todo el reactivo se trasforme en producto y que no aparezcan productos secundarios. En contraste, cuando un químico realiza una síntesis orgánica en un laboratorio, las reacciones empleadas pueden generar uno o más subproductos, por lo que el rendimiento en general suele ser menor del 100%. En los casos en que las reacciones se producen en condiciones de presión constante, la cantidad de energía puesta en juego durante ellas puede medirse como una cantidad de calor ganada o perdida por el sistema que las contiene. La cantidad de energía puesta en juego por las reacciones químicas en estas condiciones recibe el nombre de entalpía. La entalpía se simboliza con la letra H. La cantidad total de energía intercambiada (medible en forma de calor) para una reacción que ocurre en condiciones de presión constante de 1 atmósfera es: Qp = H Qp significa el calor cedido o ganado en una reacción a presión constante. Si al producirse la reacción se libera energía, la entalpía de los productos disminuye. Este tipo de reacción se denomina exotérmica. Si ocurre lo contrario, se denomina endotérmica. La entalpía es una manera de medir los cambios energéticos globales sufridos por los átomos o moléculas durante las transformaciones químicas. La transformación de una molécula R en una P en los organismos vivos pueden ocurrir por diferentes caminos (o rutas metabólicas). Sin embargo, el cambio global de entalpía sufrido: H global = HP – HR será siempre el mismo. Si en el laboratorio se realiza la oxidación total de la glucosa en un calorímetro obtendremos el siguiente resultado: C6 H12 O6 + 6 O2= 6 CO2 + 6 H2O + Energía total liberada Energía total liberada =673 kcal/mol Esta es en realidad la magnitud del cambio entálpico. Dado que este valor no depende de la forma en que se ejecute la reacción, permite estima cuál es la cantidad de energía que puede ser liberada en la célula cuando se produce esta reacción. La función termodinámica más utilizada en bioquímica: energía libre de Gibbs. Cuando se enfrentan dos sustancias químicas capaces de reaccionar, se genera una situación de desequilibrio químico. La magnitud del desequilibrio dependerá de la diferencia de potencial establecía en el sistema en relación con las configuraciones y los arreglos de los núcleos y electrones de las especies químicas intervinientes. A oxidado + B reducido A reducido + B oxidado Inicialmente, al enfrentar A con B, se establece una diferencia de potencial redox; cuando los electrones asan del estado de mayor energía en A al de menor energía en B, el sistema logra un estado de mínima energía en el que se habrá logrado el equilibrio químico. La energía liberada por este proceso no se destruye, sino que se libera al medio como calor. Cuando este tipo de reacciones ocurre en un sistema biológico, parte de esta energía puede ser aprovechada para producir trabajo de algún tipo: Energía total intercambiada= Energía útil + Energía disipada O lo que es lo mismo Energía útil= Energía total intercambiada – Energía disipada En una célula viva, el término energía total intercambiada durante la reacción es igual al cambio de entalpía del sistema. Definimos además que el término que representa aquella cantidad de energía que no es posible aprovechar como trabajo útil (energía disipada) es igual a la magnitud TS. Entonces: Energía útil = H – TS La energía útil es una nueva función termodinámica presentada por primera vez por el temático americano J. W. Gibbs. Por ello, esta magnitud, a la que se denomina energía libre de Gibbs, se simboliza con la letra G. Para cualquier propiedad termodinámica, es común expresar sus variaciones o diferencias entre los estados final e inicial de un proceso con la letra griega delta ( ). Así, reescribiremos la expresión anterior como: G = H – T x S Esta magnitud permite estimar cuál es la máxima cantidad de energía liberada por una reacción, la cual podría ser transformada en trabajo por un organismo. Este parámetro permite estimar si una reacción química dada será espontánea o no. La dirección natural de todo proceso es la de disminuir su energía libre, es decir, que si el G de una reacción es negativo, esto ocurrirá espontáneamente (dado que la letra simboliza una diferencia entre los estados final e inicial). Esto explica el hecho de que aun las reacciones o transformaciones endotérmicas puedan ser espontáneas. El cambio en el contenido de energía total entre los reactivos y productos ( H) así como el cambio de entropía ( S) contribuye al cambio global de energía libre. Lo ocurrido en los dos ejemplos anteriores es que el valor absoluto del término T x S es mayor que el del término H, porque el término G será negativo, que es lo mismo que decir que los procesos sucedan espontáneamente. Las reacciones con G negativos se denominan exergónicas. Este tipo de reacciones son las que entregan energía útil para llevar a cabo toda la actividad celular. Cuando G es positivo, la reacción consume energía libre. Este tipo de reacciones se denominan endergónicas. Es de esperar que este tipo de reacciones no cursen espontáneamente. Sin embargo, en el metabolismo celular existen muchas reacciones de este tipo. CALORÍMETRO: Se usa para medir la cantidad de energía almacenada en un compuesto orgánico. Una cantidad conocida del compuesto se incinera eléctricamente. Cuando este compuesto se queme, se mide el aumento de temperatura del agua circundante. Usando el calor específico del agua y el peso conocido del agua del calorímetro, se puede calcular el número de calorías liberadas por la incineración de la muestra. Las enzimas son catalizadores biológicos. Un catalizador es una sustancia que modifica la velocidad de una reacción química participando en su mecanismo pero sin sufrir un cambio químico permanente en el proceso. En los ciclos catalíticos, las enzimas interactúan con los reactantes (llamados sustratos) con una altísima especifidad. Así, las enzimas pueden acelerar un solo tipo de reacción química en un sistema en el que están ocurriendo cientos de miles de reacciones diferentes. Emil Fischer postuló en 1894 la existencia de sitios activos, comparó la relación entre el sitio activo y el sustrato con la que existe entre una cerradura y su llave. Estudios posteriores sobre la estructura de las enzimas sugieren que el sitio activo es mucho más flexible e interactivo que el ojo de una cerradura. La unión entre la enzima y el sustrato parece alterar la conformación de la enzima, que induce un íntimo ajuste entre el sitio activo y el sustrato. Se cree que este ajuste inducido crea tensión en las moléculas reactivas, que facilita el curso de la reacción. En la naturaleza, en una misma reacción química pueden producir diferentes intermediarios antes de llegar al productor final. Estos estadios químicos intermedios son átomos o moléculas que están a mitad de camino entre el reactivo y el productor; sus configuraciones electrónicas se encuentran alteradas y sus estados energéticos son altos. Cuando su configuración alcanza un nivel crítico de distorsión, se desencadena el final de la transformación química en a que terminan por formarse los productos. La diferencia en energía libre entre los reactivos y sus estadios intermedios es lo que se conoce como energía de activación. En una mezcla de reactantes que se encuentran a una temperatura y una concentración dada siempre existirá una proporción de átomos o moléculas que alcance el estado crítico de distorsión electrónica (es decir, que alcancen la energía de activación). Esto es una consecuencia de las colisiones atómicas o moleculares y de la agitación térmica molecular. Por esta razón, a mayor temperatura y concentración de reactivos, mayor será la cantidad de reactantes que alcancen la energía de activación. Cuando esto sucede, se desencadenará la reacción. Así, la velocidad de una reacción química e proporcional a la cantidad de átomos o moléculas que estén alcanzando la energía de activación en un tiempo dado. Por este motivo, las velocidades de reacción dependen de la temperatura y de la concentración de los reactantes. Las enzimas actúan como catalizadores al crear mecanismos de reacción con compuestos intermediarios que poseen estados energéticos más bajos. Esto equivale a decir que las enzimas disminuyen la energía de activación de las reacciones. A través de la formación de asociaciones temporales transitorias, las enzimas acercan a las moléculas que reaccionan y debilitan los enlaces químicos existentes, lo cual facilita la formación de otros nuevos. Muchas enzimas requieren sustancias adicionales para que puedan funcionar. Estas sustancias no proteicas uy de bajo peso molecular se denominan cofactores. Ciertos iones actúan como cofactores. Ciertas moléculas orgánicas no proteicas (llamadas coenzimas) también funcionan como cofactores en reacciones catalizadas por enzimas. Estas moléculas se unen en forma temporaria o permanente a la enzima, bastante cerca del sitio activo. La suma de todas esas reacciones constituye el metabolismo. Los bioquímicos agrupan estas reacciones en una serie ordenada de pasos que se llaman vías metabólicas. Una vía puede tener una docena o más de reacciones o pasos secuenciales. Cada vía cumple una función en la vida global de la célula o del organismo. A través del metabolismo, la célula se construye a sí misma. El total de las reacciones químicas involucradas en la biosíntesis de sus partes estructurales y funcionales recibe el nombre de anabolismo. Para que las células puedan construir el edificio celular y ejecutar funciones células específicas y de mantenimiento, constantemente degradan moléculas de las que obtienen la energía y los materiales necesarios para impulsar las reacciones anabólicas. Esta actividad química se conoce como catabolismo. Así el metabolismo se puede describir como ciclos de retroalimentación entre las vías catabólicas y las anabólicas. VÍAS ENZIMÁTICAS: Las enzimas típicamente trabajan en serie, lo que constituye las vías a las que hicimos referencia Enzima 1 Enzimas 2 Enzima 3 Enzima 4 Reactivo inicial Producto 2 Producto 3 Producto 4 Producto 5 Las células obtienen varias ventajas de este tipo de arreglo. En primer lugar, los grupos de enzimas que intervienen en una vía común pueden estar agrupadas dentro de la célula. Una segunda ventaja es que se produce escasa acumulación de productos intermedios, pies cada producto tiende a ser usado en la próxima reacción de la vía. Esta optimización constituye el hecho de que pueden llevarse a cabo reacciones que fuera de ambiente celular son espontaneas. Este tipo de acoplamiento energético de reacciones químicas independientes es de gran importancia n sistemas químicos abiertos, ya que comúnmente se eliminan moléculas del producto final. Así, el equilibrio nunca se alcanzará y la conversión de moléculas a través de esta vía continuará, siempre que haya suficiente producto 1. Además, si cualquiera de las reacciones a lo largo de la vía tiene un alto valor de G negativo (Reacción muy exergónica), rápidamente utilizará los productos de las reacciones precedentes, impulsando a todas estas reacciones hacia adelante. En la actualidad, la ciencia concibe el metabolismo como una res de redes. Tal vez la más compleja de todas las redes conocidas. En los nodos de esa red se encuentran las enzimas y las proteínas relacionadas. Las conexiones son establecidas por los diversos metabolitos o productos intermediarios. Las enzimas alostéricas, funcionan como auténticos detectores e integradores de información química. INTERACIONES ALOSTÉRICAS: Un mecanismo ingenioso por el cual una enzima puede activarse o inactivarse temporalmente se conoce como interacción alostérica. Las interacciones alostéricas ocurren en aquellas enzimas que tienen al menos dos sitios de unión: el sitio activo y el sitio de regulación al cual se une una segunda molécula conocida como efector alostérico. La unión de un efector cambia la conformación de la molécula de enzima, modificando su sitio activo y, activa o inactiva a la enzima. Se pueden distinguir algunos tipos muy comunes de modo reguladores que involucran enzimas alostéricas: 1) Activación por el sustrato. Cuando un metabolismo alcanza cierta concentración, abre la puerta de nuevas vías. Este tipo de regulación es característica de enzimas que están en puntos de ramificación del metabolismo. 2) Activación reciproca: Este modo regulador permite coordinar en forma balanceada los niveles de metabolitos que se sintetizan por diferentes vías pero que participan en un mismo proceso. 3) Bucles de retroalimentación negativa: Una de las enzimas involucradas en alguna de los pasos que llevan a la síntesis de un metabolito importante es inhibida por un exceso de este metabolito. Asa, su concentración intracelular regula la velocidad de su propia síntesis. 4) Bucles de retroalimentación positiva: Este mecanismo produce la amplificación de las señales químicas. Dado que a medida que aumenta la concentración del metabolito se incrementa las velocidad con que este se sintetiza, su concentración puede aumentar de manera explosiva en muy poco tiempo. 5) Activación mediada por precursores: Este tipo de regulación asegura que la ruta metabólica esté activada cuando hay suficiente precursor. EFECTOR ALOSTÉRICOS: Un efector alostérico es una molécula pequeña que puede interactuar con enzimas en regiones diferentes de sitio activo. Esta unión tiene un impacto drástico sobre la estructura terciaria o cuaternaria de las enzimas. Los efectores alostericos pueden actuar como activadores o inhibidores. REGULACIÓN TRANCRIPCIONAL DE LOS NIVELES ENZIMÁTICOS: El primer paso en la producción de una proteína es la transcripción. Regulando este proceso, las células pueden poner en marcha y detener la producción de determinada enzima, acelerando o desacelerando en consecuencia la vía metabólica en la que esta participa. REGULACIÓN POSTRADUCCIONAL: La traducción es el último paso en el proceso de síntesis de proteínas. Cualquier modificación que ocurra en la estructura de las proteínas ya sintetizadas se conoce como modificación postraduccional. Algunas enzimas se producen en forma inactiva y solo se activan en el momento exacto en que se necesitan, habitualmente por acción de otra enzima. La quimotripsina, es controlada de esta manera. OTROS REGULADORES DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA: Efectos de la temperatura y del pH en la actividad enzimática: Un incremento en la temperatura aumenta la velocidad de las reacciones químicas no catalizadas. La velocidad de la mayoría de las reacciones enzimáticas se duplica aproximadamente por cada 10 °C de aumento en la temperatura y luego cae muy rápido por encima de los 40°C. El incremento en la velocidad de la reacción ocurre porque a temperaturas mayores, más moléculas de sustrato han adquirido suficiente energía para alcanzar la energía de activación. La disminución en la velocidad de la reacción ocurre cuando, por la alta temperatura, aumentan el movimiento y la vibración de la propia molécula de enzima, rompiendo fuerzas relativamente frágiles que mantienen su estructura terciaria o cuaternaria (entre estas fuerzas se encuentran los puentes de hidrógeno). Cuando una proteína pierde su estructura tridimensional característica, se dice que está desnaturalizado. La desnaturalización puede tomarse irreversible, en cuyo caso las cadenas polipeptidicas quedan permanentemente inactivadas. Inhibidores competitivos: Algunos compuestos inhiben la actividad enzimática ocupando temporalmente el sitio activo de la enzima; esta forma de regulación se conoce como inhibición competitiva, dado que el compuesto regulador y el sustrato compiten para unirse al sitio activo. La inhibición competitiva es completamente reversible, el resultado de la competencia en cualquier momento en particular depende de cuantas moléculas de cada tipo estén presentes. Inhibidores no competitivos: En la inhibición no competitiva, el compuesto químico inhibitorio, se une a la enzima en un sitio de la molécula distinto del sitio activo. La inhibición no competitiva a menudo es reversible, pero esta reversión no se cumple por un incremento en las concentraciones de sustrato. Inhibidores irreversibles: Algunas sustancias inhiben a las enzimas en forma irreversibles, porque se unen permanentemente con grupos funcionales claves del sitio activo o porque desnaturalizan por completo a la proteína de modo tal que su estructura terciaria no se puede restablecer. El antibiótico penicilina, son también inhibidores irreversibles de la actividad enzimática. ATP, moneda energética de la célula: En muchos puntos de la red metabólica se acoplan reacciones endergónicas y reacciones exergónicas. Estas últimas aportan la energía libre necesaria para que ocurran las primeras. Una gran porción de esta energía proviene de una sola molécula: el trifosfato de adenosina o ATP. Las células son capaces de almacenar energía en los enlaces de ciertas macromoléculas especiales. Las células pueden disponer de estos recursos en cualquier momento, pero el acceso no es inmediato. Es necesario que primero ciertas vías metabólicas sean activadas de modo que estas macromoléculas sean degradadas a compuestos de bajo peso molecular. Por su parte, el ATP es la moneda energética de la célula que puede gastarse de inmediato. Siempre que haya dinero en el banco, habrá mucho cambio disponible para la economía celular. El ATP está constituido por la base nitrogenada adenina, el azúcar de cinco carbonos ribosa y tres grupos fosfato. Estos tres grupos fosfatos están unidos en forma covalente entre sí y constituyen enlaces de alta energía debido, a la distribución de las cargas eléctricas negativas. Esto constituye una característica importante en la función del ATP. Estos enlaces covalentes de fósforo pueden romperse con facilidad y liberar una cantidad de energía adecuada que pone en marcha muchas reacciones importantes de la célula. Cuando un grupo fosfato se separa por hidrólisis, la molécula de ATP se convierte en ADP (difosfato de adenosina) y fosfato inorgánico. El ATP en acción: En las células, el ATP a veces se hidroliza directamente a ADP (difosfato de adenosina) y fosfato, y libera energía para distintas actividades. La hidrólisis de ATP constituye un medio para producir calor en animales, que en general mantienen una temperatura corporal alta y constante. Las enzimas que catalizan la hidrólisis de ATP se conocen como ATPasas y comprenden una gran familia de proteínas relacionadas involucradas en funciones celulares tan diversas como el movimiento de los cilios y los flagelos, el desplazamiento de los microtúbulos del huso mitótico y el transporte de moléculas e iones a través de membranas celulares en contra de un gradiente electroquímico. En todos los procesos, las ATPasas permiten acoplar energéticamente la hidrólisis del ATP para impulsar procesos endergónicos. El grupo fosfato terminal del ATP no solo se elimina, sino que se transfiere a otra molécula. Esta adicción de un grupo fosfato se conoce como fosforilación y la lleva a cabo una familia de enzimas llamadas cinasas. Las cinasas cumplen un papel importante en la regulación de muchas actividades de la célula, como el crecimiento, la diferenciación, la morfogénesis y el movimiento celular, la expresión de los genes y la acción de ciertas hormonas, entre tantas otras. Existe otro grupo de enzimas, denominadas fosfatasas, que se encargan de eliminar los grupos fosfatos de las moléculas que, fueron incorporados por cinasas. La interacción entre cinasas y fosfatasas regula una gran cantidad de vías metabólicas. Las reacciones de fosforilación transfieren parte de la energía del grupo fosfato de la molécula de ATP al compuesto que será fosforilado que, participa en una reacción posterior. El compuesto fosforilado activa la enzima y esto facilita la reacción. En el segundo caso, ocurre una transferencia directa de energía química de metabolito a metabolito. Por ejemplo: W + X Y + Z Si la suma de la energía libre de W y de la energía libre de X fuera menor que la suma de la Y y Z, la reacción no ocurriría en un grado significativo (reacción endergonica) Los químicos podrían impulsar esta reacción suministrado energía externa, probablemente en forma de calor. En cambio, la célula puede llevar a cabo el proceso en dos etapas. Primero: W + ATP W – P + ADP Aquí la energía libre de los productos es menor que las de las sustancias reactivas, de modo que esta reacción ocurriría. Sin embargo, gran parte de la energía de la que se dispuso cuando el grupo fosfato fue eliminado del ATP se conserva en el nuevo compuesto W-fosfato o W-P. El siguiente paso en el proceso es: W – P + X Y + Z + P Con la liberación del fosfato de W, esta segunda reacción también se transforma en exergonica y, puede ocurrir. La energía liberada en las reacciones catabólicas de la célula, como la degradación de la glucosa, se utiliza para “recargar” la molécula de ADP a ATP. Así, el sistema ATP/ADP actúa como un sistema universal de intercambio de energía. Oxidación de la glucosa: La oxidación consiste en la pérdida de electrones por parte de un átomo o molécula y la reducción, en la ganancia de electrones. Dado que en las reacciones de oxidorreduccion espontaneas los electrones van de niveles de energía mayores a niveles de energía menores, cuando una molécula se oxida, habitualmente libera energía. En la oxidación de la glucosa, los enlaces carbono-carbono (C-C), carbono-hidrógeno (C-H) y oxígeno-oxígeno (O-O) cambian por enlaces carbono-oxígeno (C-O) e hidrógeno-oxígeno (H-O) a medida que las moléculas de oxígeno atraen e incorporan electrones. La ecuación de este proceso es: C6H1206 + 6 O2 6 CO2 + 6 H20 + ENERGÍA (686 KCAL/MOL) Alrededor del 40% de la energía libre desprendida por la oxidación de la glucosa se conserva en la conversión de ADP en ATP. En los sistemas vivos aeróbicos, la oxidación de la glucosa se desarrolla en dos etapas principales. La primera se conoce como glucólisis. La segunda es la respiración que, consiste en dos etapas: el ciclo de Krebs y el transporte de electrones. La glucolisis se desarrolla en el citoplasma de la célula y, en los eucariontes, las dos etapas de la respiración ocurren dentro de la mitocondria. En la glucólisis y en el ciclo de Krebs, los átomos de hidrógeno se separan de la cadena carbonada de la molécula de glucosa y son cedidos a coenzimas que también son transportadoras de electrones. Una de ellas es el dinucleotido de nicotinamida y adenina (NAD+). El NAD+ puede captar un protón y dos electrones y queda reducido a NADH. Otra coenzima es el dinucleotido de flavina y adenina (FAD). El FAD puede aceptar dos átomos de hidrógeno y así, reducirse a FADH2. EN la glucólisis y en el ciclo de Krebs, el NAD+ y el FAD captan de electrones y protones de moléculas con mayor potencial de reducción y, se reducen. Posteriormente entregan esos electrones a moléculas de menor potencial de reducción. EN la etapa final de la respiración, el NADH y el FADH2 ceden sus electrones a la cadena respiratoria. Estos electrones “descienden la pendiente energética” a través de una serie de moléculas transportadoras de electrones que se encuentran en la membrana mitocondria interna. A medida que los electrones descienden a niveles energéticos inferiores, se libera energía libre, parte de la cual termina acoplada a la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato. ESQUEMA GLOBAL DE LA OXIDACIÓN DE LA GLUCOSA: Durante la glucólisis, la glucosa se transforma en ácido pirúvico. Se produce una pequeña cantidad de ATP a partir de ADP y fosfato y son transferidos algunos electrones y sus protones acompañantes a las enzimas aceptadoras de electrones. En presencia de oxígeno, el ácido pirúvico entra en el ciclo de Krebs, donde se sintetiza más ATP y se trasfiere más electrones y protones a las coenzimas, Estas coenzimas aceptoras de electrones transfieren su carga a la cadena transportadora de electrones a lo largo de la cual, los electrones caen a niveles inferiores de energía. A medida que esto ocurre, se fabrica más ATP. Al final de la cadena transportadora, los electrones se reúnen con los protones, se combinan con el oxígeno y se forma agua. En ausencia de oxígeno, el ácido pirúvico puede convertirse en ácido láctico o en etanol. Este proceso, llamado fermentación, no produce ATP pero regenera las moléculas de coenzima aceptadoras d electrones, necesarias para que la glucólisis continúe. LOS PASOS DE LA GLUCÓLISIS: 1) El grupo fosfato terminal se transfiere desde el ATP al carbono en la posición 6 de la glucosa y se forma glucosa 6-fosfato. 2) La molécula de glucosa 6-fosfato se reorganiza por acción de la enzima fosfohexosaisomerasa. La glucosa se transforma en fructosa. 3) La fructosa 6-fosfato gana un segundo fosfato que proviene de otro ATP y se produce fructosa 1,6 bifosfato o sea, fructosa con fosfatos en las posiciones 1 y 6. La enzima que cataliza este paso, la fosfofructocinasa, es una enzima alostérica, y el ATP es un efector alostérico que inhibe su actividad. La interacción alostérica entre ellos es el principal mecanismo regulador de la glucólisis. 4) La molécula de fructosa 1,6 difosfato de seis carbonos es escindida por la enzima aldolasa en dos moléculas de tres carbonos: la dihidroxiacetona fosfato y el gliceraldehído 3-fosfato. Los productos de todos los pasos siguientes deben contarse dos veces (multiplicarse por dos) para dar cuenta del destino de una molécula de glucosa. Al completarse el paso 4, se han completado las reacciones preparatorias. 5) Las moléculas de gliceraldehído fosfato se oxidan a 1,3-bifosfoglicerato por acción de la enzima triosa fosfato deshidrogenasa. O sea, pierden los átomos de hidrogeno con sus electrones, y el NAD+ se reduce a NADH y H+ (un total de dos moléculas de NADH y dos iones H+ por molécula de glucosa). 6) Este fosfato es liberado de la molécula de bifosfoglicerato y utilizado para recargar una molécula de ADP (un total de dos moléculas de ATP por molécula de glucosa). Esta reacción es catalizada por la enzima fosfoglicerato cinasa. 7) La enzima fosfogliceromutasa transfiere el grupo fosfato remanente desde la posición 3 a la posición 2. 8) La enzima enolasa elimina una molécula de agua del compuesto de tres carbonos. 9) El fosfato se transfiere a una molécula de ADP y se forma otra molécula de ATP. Para iniciar la secuencia glucolítica es necesaria la energía de los enlaces fosfatos de dos moléculas de ATP. Posteriormente se producen dos moléculas de NADH a partir de dos de NAD+ y cuatro de ATP a partir de cuatro de ADP: GLUCOSA + 2 ATP + 4 ADP + 2 PI + 2 NAD+ 2 ÁCIDO PIRÚVICO + 2 ADP + 4 ATP + 2 NADH + 2H+ + 2 H2O. De esta forma, una molécula de glucosa se convierte en dos moléculas de ácido pirúvico, y parte de la energía originalmente contenida en una molécula de glucosa queda conservada en los enlaces fosfato de dos moléculas de ATP y en electrones de alto potencial redox de dos moléculas de NADH. El ácido pirúvico puede seguir una de varias vías. Una vía es aeróbica (con oxígeno) y las otras son anaeróbicas (sin oxígeno). En ausencia de oxígeno: SI no hay O2 ene l medio, el ácido pirúvico puede convertirse en etanol (alcohol etílico). Esta vía, en la que el aceptor final de electrones es un compuesto diferente del oxígeno, se denomina anaeróbica. El producto se la reacción depende del tipo de la célula. La formación del alcohol a partir de azúcar se llama fermentación alcohólica. En la fermentación láctica se forma ácido láctico a partir del ácido pirúvico. Esta reacción se produce en carios tipos de microorganismos y en algunas células animales cuando el O2 es escaso o está ausente. En presencia de oxígeno: Cuando el aceptor final de electrones es el oxígeno molecular (O2), es el proceso se denomina respiración anaeróbica. Cuando hay O2 disponible, la siguiente etapa de la degradación de la glucosa implica la oxidación progresiva del ácido pirúvico a CO2 y agua, proceso conocido como respiración. La respiración celular tiene lugar en dos etapas: el ciclo de Krebs y el transporte terminal de electrones. UN PASO INTERMEDIO: LA OXIDACIÓN DEL ÁCIDO PIRÚVICO El ácido pirúvico citoplasmático producido por glucólisis, es transportado en forma selectiva hacia la matriz mitocondrial. Antes de ingresar en el ciclo de Krebs, la molécula de tres carbonos del ácido pirúvico se oxida. Los átomos de carbono y de oxígeno del grupo carboxilo se eliminan en forma de CO2 y queda un grupo acetilo de dos carbonos. La molécula de glucosa original ahora se ha oxidado a dos moléculas de CO2 y dos grupos acetilo y se han formado cuatro moléculas de NADH dos en la glucolisis y dos en la oxidación del ácido pirúvico). Cada grupo acetilo es aceptado por la coenzima A (CoA). La coenzima A es una molécula grande, parte de la cual es un nucleótido y la otra, una vitamina. La combinación del grupo acetilo y la CoA se denomina Acetil-CoA. La formación de acetil-CoA es el nexo entre la glucólisis y el ciclo de Krebs. La reacción global es: PIRUVATO + NAD+ + CoA ACETIL-CoA + NADH + H+ + CO2 SEGUNDA ETAPA: PASOS POR EL CICLO DE KREBS Al entrar en el ciclo de Krebs, el grupo acetilo de dos carbonos se combina con un compuesto de cuatro carbono (el ácido oxalacético) y produce un compuesto de seis carbonos (el ácido cítrico). Dos de los seis carbonos del ácido cítrico se oxidan a CO2 y se regenera al ácido oxalacético y se forma un ciclo. Parte de la energía liberada por la oxidación de los enlaces carbono-hidrógeno y carbono-carbono es utilizada en l conversión de ATP a partir e ADP (una molécula por ciclo), y otra parte es utilizada en la producción de NADH y H+ a partir de NAD (tres moléculas por ciclo). Otra parte de la energía e sutilizada en la reducción de un segundo transportador de electrones, la molécula de FAD. Por cada giro del ciclo, se forma FADH2 a partir de FAD. El ciclo de Krebs no requieren O2; los electrones y los protones eliminados en la oxidación del carbono son aceptados por el NAD+ y el FAD. ÁCIDO OXALACÉTICO + ACETIL-CoA + ADP + PI + 3 NAD+ + FAD ÁCIDO OXALACÉTICO + 2 CO2 + CoA + ATP + 3 NADH + FADH2 + 3 H+ + H2O. ETAPA FINAL: EL TRANSPORTE DE ELECTRONES La molécula de glucosa está ya completamente oxidada. Parte de su energía potencial se usó en la transformación de ADP y fosfato en ATP. Sin embargo, la mayor parte de la energía almacenada permanece en los electrones que se separaron de los átomos de carbono y fueron conducidos a los aceptores NAD+ y FAD, que se redujeron a NADH y FADH2. Durante el transporte terminal de electrones, los electrones del NADH y del FADH2, son conducidos, a un nivel energético inferior, a través de una secuencia de reacciones de oxidorreduccion que constituyen la cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria. Los componentes principales de la cadena transportadora de electrones son complejos multienzimáticos que poseen unidas moléculas de citocromos. Gracias a los citocromos, estas enzimas pueden catalizar las sucesivas reacciones de oxidorreducción. Cada una difiere o suficiente como para captar electrones con diferentes niveles energéticos. El átomo de hierro (Fe) de cada citocromo acepta y libera en forma alternada un electrón, y los transfiere al siguiente citocromo en un nivel de energía ligeramente inferior. Por último, los electrones son aceptados por el oxígeno que entonces se combina con protones (iones de H+) de la solución y se produce agua. Cuando los electrones se mueven por la cadena respiratoria, se libera energía. Esta energía es reconocida por la mitocondria y se utiliza para sintetizar ATP a partir de ADP, en un proceso denominado fosforilación oxidativa. Las medidas cuantitativas muestran que d cada dos electrones que pasan del NADH al oxígeno, se forman tres moléculas de ATP a partir de ADP y fosfato. Por cada dos electrones que pasan del FADH2, se forman dos moléculas de ATP. En la fosforilación oxidativa, el potencial de transferencia del NADH y del FADH2 se convierte en el potencial de transferencia del fosfato de la molécula de ATP. A través del acoplamiento quimiosmótico ocurre un proceso que abarca dos acontecimientos: el establecimiento de un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna y la síntesis de ATP usando la energía potencial almacenada en el gradiente. RENDIMIENTO ENERGÉTICO GLOBAL: A partir de la oxidación de una molécula de glucosa se producen a lo sumo 38 de ATP, repartidas de las siguiente manera: la glucólisis produce ocho ATP (seis provenientes de la oxidación de los NADH, los otros dos se forman directamente); la conversión del ácido pirúvico en acetil-CoA produce seis ATP (provenientes de dos NADH); el ciclo de Krebs produce 24 ATP (18 provienen de seis NADH; cuatro, de dos FADH2; los dos restantes se forman directamente). El 40% de la energía libre producida en la oxidación de la glucosa se retiene en la forma de moléculas de ART. En otras palabras, el proceso tiene una eficiencia del 40%. REGULACIÓN DE LA CLUCÓLISIS Y RESPIRACIÓN: Concentraciones altas de ATP inhiben la fosfofructocinasa, una de las enzimas de la glucólisis, mediante un mecanismo de retroalimentación. El ATP es también un inhibidor alostérico del primer paso del ciclo de Krebs. La reacción que produce acetil-CoA está regulada negativamente por la concentración de su producto. Por otra parte, cuando los requerimientos energéticos de la célula disminuyen, no consumen ATP; de esta manera no se regenera ADP y el flujo energético disminuye. OTRAS VÍAS CATABÓLICAS: Las grasas, las proteínas, los hidratos de carbono diferentes de la glucosa son transformados por diferentes vías que están conectadas con el ciclo de Krebs. VÍAS DE SINTESIS: Los distintos intermediarios de la glucolisis y el ciclo de Krebs pueden ser precursores para el proceso de biosíntesis. Las vías biosintéticas son diferentes de las catabólicas. MITOCONDRIAS Son cilíndricas. En promedio miden 3 micrómetros de largo y tienen un diámetro de 0,5 micrómetros. Están ubicadas en las regiones de las células donde la demanda de energía es mayor; así, se desplazan de un lado a otro del citoplasma hacia las zonas necesitadas de energía. Los microtúbulos y las proteínas motoras asociadas intervienen en tales desplazamientos. Las mitocondrias poseen dos membranas (una externa y otra interna), que dan lugar a dos compartimientos, el espacio intermembranoso y la matriz mitocondrial. La matriz mitocondrial contiene: 1) El complejo enzimático piruvato deshidrogenasa, responsable de la descarboxilación oxidativa. 2) Las enzimas involucradas en la B-oxidación de los ácidos grasos 3) Las enzimas responsables del ciclo de Krebs (excepto la succinato deshidrogenasa) 4) La coenzima A (CoA), la coenzima NAD+, ADO, fosfato, O2, etc. 5) Gránulos de distintos tamaños, compuestos principalmente por Ca2+ 6) Varias copias de un ADN circular 7) Trece tipos de ARNm, sintetizados a partir de otros tantos genes de ese ADN. 8) Dos tipos de ARNr, los cuales forman ribosomas parecidos a los citosólicos. 9) Veintidós tipos de ARNt para los veinte aminoácidos Membrana interna: Desarrolla plegamientos hacia la matriz que dan lugar a las llamadas crestas mitocondriales, formadas con el objeto de aumentar la superficie membranosa. El número y la forma de las crestas varían en los distintos tipos celulares. La membrana interna de las mitocondrias presentan un alto grado de especialización y las dos caras de su bicapa lipídica exhiben una marcada asimetría. En ellas se localizan: 1) Un conjunto de moléculas que componen la cadena transportadora de electrones (o cadena respiratoria). Existen innumerables copia de estos conjuntos en el plano de la bicapa lipídica. Cada uno se compone de cuatro complejos proteicos relativamente grandes, llamados NADH deshidrogenasa (I), succinato deshidrogenasa (II), b-c (III) y citocromo oxidasa (IV), entre los cuales se encuentran dos transportadores de electrones pequeños, denominados ubiquinona y citocromo c. La succinato deshidrogenasa es una de las enzimas del ciclo de Krebs y que funciona asociada a otra proteína de la membrana mitocondrial interna, la coenzima FAD. El citocromo C es una proteína periférica que apunta al espacio intermembranoso. La ubiquinona es una molécula no proteica que puede alojarse en la zona apolar de la bicapa lipídica merced a su cadena de 10 isoprenos, que es hidrofóbica. 2) La ATP sintasa, es un complejo ubicado en las inmediaciones de la cadena transportadora de electrones. Presenta dos sectores, uno transmembranoso (Porción F0), que tiene un túnel para el pasaje de H+, y otro orientado hacia la matriz mitocondrial (Porción F1). Este último, cataliza la formación de ATP a partir de ADP y fosfato, es el responsable de las fosforilaciones a que hace referencia el término “fosforilación oxidativa” 3) Un fosfolípido doble (el difosfatidilglicerol o cardiolipina) que impide el pasaje de cualquier soluto a través de la bicapa lipídica (excepto O2, CO2, H2O, NH3, y ácidos grasos). 4) Diversos canales iónicos y permeasas que permiten el pasaje selectivo de iones y moléculas desde el espacio intermembranoso a la matriz mitocondrial y en sentido inverso. Membrana externa: es permeable a todos los solutos existentes en el citosol, pero no a las macromoléculas. Ello se debe a que en su bicapa lipídica posee numerosas proteínas transmembranosas multipaso llamadas porinas, que forman canales acuosos por los que pasan libremente iones y moléculas. EN las porinas los tramos proteicos que cruzan la bicapa lipídica exhiben una estructura de hoja plegada B. Espacio intermembranoso: El contenido de solutos en el espacio intermembranoso es similar al del citosol, aunque posee algunos elementos propios u una elevada concentración de H+. La función principal de las mitocondrias es generar ATP mediante la descarboxilación oxidativa, el ciclo de Krebs y la fosforilación oxdativa, la mitocondria traslada ADP. La descarboxilación oxidativa del piruvato y la B-oxidación de los ácidos grasos ocurren en la matriz mitocondrial. Provenientes del citosol, el piruvato ingresa en la matriz mitocondrial, donde por acción de la piruvato deshidrogenasa pierde un carbono y se convierte en el grupo acetilo de la acetil CoA. En esa conversión, se genera energía suficiente para formar un NADH, de modo que por cada molécula de glucosa se originan dos de estos dinucleótidos. A los acetilos generados a partir de los piruvatos deben sumarse los derivados de la B-oxidación de los ácidos grasos y del metabolismo de algunos aminoácidos. Cualquiera sea su origen, el grupo acetilo de cada acetil CoA ingresa en el ciclo de Krebs. Lo hace al combinarse con una molécula de 4 carbonos (el ácido oxalacético), con la que forman una molécula de 6 carbonos llamada ácido cítrico. Reproducción de las mitocondrias: se reproducen para duplicar su número antes de cada división celular y para reemplazar a las que desaparecen. Las mitocondrias envejecen y son degradadas por fagolisosomas, su número se mantiene estable debido a que se forman otras mitocondrias. La reproducción de las mitocondrias se produce por la división de mitocondrias preexistentes, para lo cual previamente duplican su tamaño. Este proceso se denomina fisión binaria. La división de las mitocondrias tiene lugar durante todo el ciclo celular, tanto en la interfase como en la mitosis. Los fosfolípidos de las membranas mitocondriales son provistos por la membrana del RE, donde se gestan. Para tomarlos el RE, la mitocondria recurre a proteínas citosólicas llamadas intercambiadoras. Una parte de los fosfolípidos pasa a la monocapa opuesta gracias a los movimientos de “flip-flop”. Finalmente, el traspaso de fosfolípidos de la membrana externa a la membrana interna se produce a través de puntos de contacto que se crean entre ambas membranas para tal fin. Algunos glicerofosfolípidos que llegan a la membrana mitocondial interna experimentan modificaciones. Algunas proteínas mitocondriales se fabrican en la matriz. La mitocondria posee varias unidades idénticas de un ADN circular, a partir del cual se transcriben los genes de 13 ARNm, de 22 tipos de ARNt y de 2 clases de ARNr. Todas estas moléculas se encuentran en la matrix mitocondrial: las de los ADN circulares se hallan adosadas a la membrana interna del organoide. En los ribosomas mitocondriales se sintetizan las siguientes 13 proteínas: siete subunidades del complejo NADH deshidrogenasa, una del complejo b-c, tres del complejo citocromo oxidasa y dos subunidades de la ATP sintasa. El ADN mitocondrial es diferente al ADN nuclear. El ADN mitocondrial presenta las siguientes particularidades que lo diferencian del ADN nuclear: 1) Es circular y carece de histonas 2) Posee un solo origen de replicación, en el cual una de las cadenas hijas comienza a sintetizarse antes que la otra y lo hace a partir de un punto diferente del empleado por la segunda. 3) Es muy pequeño, pues posee 37 genes. 4) Posee muy pocas y a la vez muy cortas secuencia no génicas, no se transcriben. 5) Genera 22 tipos de ARNr (12S y 16S) que codifica dan lugar a ribosomas que poseen un coeficiente de sedimentación de 55S, inferior al de los ribosomas de los procariotas (70S) y del citosol (80S). 6) Genera 22 tipos de ARNt, en lugar de los 31 que transcriben el ADN el núcleo. 7) En su código genético existen 4 codones cuyas instrucciones difieren de las de sus pares del ADN nuclear. Se trata de los codones AGA, AGG, AUA y UGA. En el ADN nuclear el codón AUA determina a la isoleucina, y en el ADN mitocondrial a la metionina. En el ADN nuclear el codón UGA es un codón de terminación y en el ADN mitocondrial determina al triptófano. 8) Se transcriben sus dos cadenas. Los genes de los 2 ARNr, de 14 ARNt y de 12 ARNm se localizan en una de las cadenas el ADN mitocondrial, mientras que los genes restantes, correspondientes a 8 ARNr y a un ARN m, se localizan en la otra cadena. 9) Las moléculas de ARN que transcriben el AN se procesan mientras se sintetizan. El procesamiento comprende la remoción e partes de los ARN. 10) Las mitocondrias poseen varias copias de un mismo ADN y no dos como el ADN nuclear. La síntesis de las proteínas mitocondriales requiere de una adecuada coordinación. Las proteínas importadas son sintetizadas en ribosomas citosólicos libres (no asociados al RE). Entre las más importantes se encuentran las enzimas del complejo piruvato deshidrogenasa, las responsables del ciclo de Krebs y de la B-oxidación de los ácidos grasos, muchas de las proteínas que participan en la fosforilación oxidativa, los canales iónicos y las permeasas de la membrana mitocondrial interna, la ADN polimerasa, la ARN polimerasa, las proteínas de los ribosomas mitocondriales, etc. La incorporación de proteínas a las membranas y a los compartimientos mitocondriales es el resultado de un proceso complejo. Las proteínas mitocondriales producidas en el citosol se asocian con chaperonas de la familia hsp70. Estas mantienen desplegadas a las proteínas hasta que arriban a la mitocondria. El pasaje de las proteínas a través de las membranas externa e interna de la mitocondria es un proceso complejo. Cuando una de ellas se pone en contacto con la membrana mitocondrial externa, se desprende de las chaperonas hsp70 citosólicas, atraviesa ambas membranas y se asocia con chaperonas ligadas a la membrana mitocondrial interna. Estas chaperonas, atraen a las proteínas hacia el interior de la mitocondria por un mecanismo que consume ATP. Una vez en la matriz mitocondrial, la proteína se pliega sin ayuda o con la asistencia de una chaperona de la familia hsp60. Las proteínas se incorporan a la mitocondria a través de los translocones denominados con las siglas TOM y TIM, presentes en las membranas mitocondriales externa e interna. Para que la proteínas puedan ingresar es necesario que ambos translocones estén juntos y sus luces alineadas, lo que obliga a la membrana externa e interna a acercarse mutuamente. Toda las proteínas importadas desde el citosol incluyen en su extremo amino un péptido señal que as conduce hasta la mitocondria y que es reconocido por un receptor especifico asociado al translocon externo. Si el paradero de la proteína es la matriz mitocondrial, apenas atraviesa los translocones pierde el péptido señal y se libera en su interior (el péptido señal es escindido por una proteasa de la matriz). En cambio, las proteínas destinadas a las membranas externa e interna poseen señales adicionales, distintas entre sí, las cuales retienen a ambos de proteínas en la membrana que corresponde. Probablemente las mitocondrias deriven de bacterias aeróbicas. La mayor parte de la energía que usa la célula es provista por el ATP. La energía se halla depositada en las uniones químicas entre los fosfatos del ATP (uniones de alta energía), aunque suele utilizarse solamente la que involucra al fosfato terminal. Así, cuando el ATP se hidroliza, junto con la liberación de energía se genera ADP y un fosfato. Las usinas generadoras de moléculas de ATP son las mitocondrias, que toman la energía depositada en las uniones covalentes de las moléculas de los alimentos y la transfieren al ADP. Una vez formado, el ATP sale de la mitocondria y se difunde por la célula, de modo que su energía puede ser usada para las distintas actividades celulares. Al removerse la energía del ATP, se reconstituye el ADP, que reingresa en las mitocondrias para recibir una nueva “carga” de energía. La energía es tomada de los alimentos. No toda la energía depositada en las uniones químicas de las moléculas alimenticias es transferida al ATP, ya que durante las sucesivas reacciones que conducen a su formación parte de esa energía se convierte en calor. La energía de las moléculas alimenticias es extraída mediante oxidaciones, al cabo de las cuales el oxígeno atmosférico se une al hidrógeno y al carbono liberados por esas moléculas y se forma H2O y CO2. Si las oxidaciones no fueran graduales, la energía química se liberaría súbitamente y se disiparía como calor. Una molécula se oxida no solamente cuando gana oxígeno sino también cuando pierde hidrógeno. Debido a que este puede disiciarse en un electrón (e-) y un protón, toda remoción de e- de cualquier átomo o molécula cosntituye una reacción de oxidación. Si el e- removido proviene de un átomo de H, el protón resultante puede permanecer en la molécula oxidada o puede ser removido y pasar al medio acuoso. Ulteriormente los e- y los protones pueden volver a unirse (para componer nuevos átomos de H). Toda oxidación de un átomo o de una molécula está atada a la reducción de otro átomo o de otra molécula, que entonces ganan hidrógeno o e-, o pierden oxígeno. Durante el procesamiento de los alimentos, en algunas reacciones de oxidación y reducción intervienen dos moléculas intermediarias cardinales; las coenzimas nicotinamida adenina dinucleotido (NAD) y flavina adenina dinucleótido (FAD). En su forma oxidada la primera representa con las siglas FAD y FADH2. Los alimentos son degradados por enzimas. La escisión enzimática de los alimentos tiene lugar en tres escenarios orgánicos: el tubo digestivo, el citosol y la mitocondria. La degradación de los alimentos comienza en el sistema digestivo. Así, los hidratos de carbono se degradan a monosacáridos (especialmente glucosa), los lípidos se convierten en ácidos grasos y glicerol, y las proteínas son degradadas a aminoácidos. Para asegurarse un abastecimiento continuo de energía, las células guardan en el citosol partes de la glucosa y de los ácidos grasos bajo la forma de glucógeno y de triacilgliceroles. La glucolisis tiene lugar en el citosol. Cada molécula de glucosa, que posee 6 átomos de carbono, da lugar a dos moléculas de piruvato, que constan de 3 carbonos cada una. Al comienzo de este proceso se invierte la energía de dos ATP. Debido a que de inmediato se generan cuatro, se ganan dos ATP, uno por cada piruvato. Además, una parte de la energía liberada durante la glucolisis no es transferida directamente al ATP sino que promueve la reducción de dos NAD (uno por cada piruvato). Los piruvatos, dejan el citosol e ingresan en las mitocondrias. En las mitocondrias se producen la descarboxilación oxidativa, el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa. Por acción de un complejo multienzimático llamado piruvato deshidrogenasa, cada piruvato (3C) se convierte en un acetilo, que es una molécula que contiene 2 carbonos. El acetilo se liga a una coenzima, la coenzima A (CoA), con la que compone la acetil CoA. El carbono del piruvato es removido junto con dos oxígenos, lo que produce CO2. El piruvato cede también un hidruro (H-), En conjunto estas reacciones reciben el nombre de descarboxilación oxidativa, que es la tercera etapa de la degradación de los hidratos de carbono. Durante la descarboxilación oxidativa se genera energía suficiente para reducir un NAD +, lo cual se traduce en la formación de un NADH por cada acetilo producido. A continuación, los átomos de carbono e hidrógeno del acetilo son oxidados por lo que se generan CO2 y H2o. Las oxidaciones son graduales y en su transcurso se libera la energía depositada en las uniones covalente entre son átomos, que pasan al ATP. Ambos procesos (las oxidaciones y la formación de ATP) ocurren en dos tiempos: en el primero se genera CO2, y en el segundo H2O. El primero de esos tiempos (que representa la cuarta etapa de la degradación de glúcidos) abarca una sucesión de oxidaciones durante el llamado ciclo de Krebs. De la energía liberada en esta etapa, una pequeña fracción se aprovecha para generar un ATP en forma directa, pero la mayor parte es utilizada para reducir tres NAD+ y un FAD, que pasa a su estado reducido (FADH2). En el segundo tiempo, los NADH y los FADH2 son oxidados en sendos puntos al comienzo de una serie de complejos moleculares que se agrupan con el nombre de cadena transportadora de electrones ( o cadena respiratoria), de modo que los NADH y los FADH2 vuelven a convertirse en NAD+ y FAD. Cuando ambos dinucleotidos son oxidados, la energía depositada en sus moléculas se libera y es transferida al ADP que se halla en las mitocondrias, el cual, dado que se fosforila, se convierte en ATP. En esta etapa (la quinta y última en la degradación de glúcidos), porque da lugar a oxidaciones acopladas a fosforilaciones recibe el nombre de fosforilación oxidativa. Los ácidos grasos son degradados en las mitocondrias. A diferencia de la glucosa, los ácidos grasos no se degradan en el citosol. Pasan a las mitocondrias donde una serie de enzimas específicas los desdobla hasta generar entre ocho y nueve acetilos cada uno. El proceso degradativo se denomina B-oxidación y comprende varios ciclos sucesivos, siete cuando se trata de un ácido graso de 16 carbonos y ocho de los 18 carbonos. Es que el ácido graso cede un acetilo por ciclo. Además cada ciclo produce un NADH y un FADH2. La B-oxidación de los ácidos grasos es conducida por las enzimas acil CoA deshidrogenasa, enoil CoA hidratasa, hidrociacil CoA deshidrogenasa y B-cetoacil CoA tiolasa. Los acetilos surgidos de la B-oxidación de los ácidos grasos son cedidos a la CoA e ingresan en el ciclo de Krebs. Las cadenas metabólicas que degradan a los glúcidos y a las grasas dan lugar a la acetil CoA. Antes se dijo que en el ciclo de Krebs cada acetil CoA genera un ATP, tres NADH y un FADH2, y que la energía contenida en los NADH y FADH2 es transferida al ATP al cabo de la fosforilación oxidativa. Las grasas aportan más energía que los hidratos de carbono por la cantidad de NADH y FADH2 suplementarios que se generan durante la B-oxidación de los ácidos grasos, proporcionalmente mayor que los producidos por la glucosa durante la glucolisis y la descarboxilación oxidativa. Los primeros productos de la degradación de los aminoácidos son muy variados. Cuando no se utilizan para sintetizar proteínas u otras moléculas y son requerida para generar energía, se convierten (mediante enzimas específicas) algunos en piruvato, otros en acetilos y otros en moléculas intermediarias del ciclo de Krebs. Las reacciones del ciclo de Krebs se producen en la matriz mitocondrial. El ciclo de Krebs (también llamado ciclo del ácido cútrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos) comprende una serie de nueve reacciones químicas mediadas por otras tantas enzimas específicas. Estas actúan secuencialmente; lo hacen de forma tal que el último de sus productos vuelve a ser el ácido oxalacético, el cual, al combinarse con el grupo acetilo de otra acetil CoA, genera de nuevo ácido cítrico. Con esta molécula se inicia otro ciclo de Krebs, y así sucesivamente mientras haya O2 y acetilos disponibles. Al cumplirse cada vuelta del ciclo de Krebs, dos de los seis carbonos del ácido cítrico se liberan como CO2. Además se genera energía suficiente para formar un ATP, tres NADH y un FADH2. Puesto que se necesitan dos vueltas del ciclo de Krebs para procesar a los dos acetilos derivados de la glucólisis de una molécula de glucosa, cada uno de estos monosacáridos da lugar a dos ATP, seis NADH y dos FADH2. El ATP se forma a partir de GTP, que es el nucleósido trifosfato surgido del ciclo. La enzima del ciclo de Krebs encargada de transferir el H2 al FAD es la succinato deshidrogenasa. Junto al primer y al tercer NADH surgidos del ciclo de Krebs aparecen sendos de H+, pues los sustratos oxidados, a diferencia de los que acontece la glucólisis, en la descarboxilación oxidativa y en la formación del segundo NADH nacido del ciclo de Krebs, ceden un H2 en lugar de un H-. Las moléculas de CO2 formadas durante la descarboxilación oxidativa y el ciclo de Krebs pasan al citosol, de éste al espacio extracelular y finalmente a la sangre, que las transporta a los pulmones para su eliminación. Las oxidaciones de a forforilación oxidativa tiene lugar en la membrana interna de la mitocondria. La energía contenida en los NADH y en el FADH2 formados durante el ciclo de Krebs se transfiere al ATP después de una serie de procesos que comienzan con la oxidación de ambos dinucleótidos. Los átomos de hidrógeno liberados de los NADH y del FADH2 como consecuencia de ambas oxidaciones se disocian en H+ y en e-. Los e- surgidos de estos procesos poseen una gran cantidad de energía. Así ingresan en la cadena transportadora de electrones. Dado que cada componente de la cadena posee por los e- una afinidad mayor que su predecesor, los e- fluyen por ella en el siguiente orden: Para los e- cedidos por el NADH, el punto de entrada es la NADH deshidrogenasa (complejo I). Desde esta pasan a la ubiquinona, que los transfiere al complejo b-c1 (complejo II). Los e- dejan este complejo e ingresan en el citocromo c, desde el cual pasan al último eslabón de la cadena, la citocromo oxidasa (complejo IV). Durante este recorrido los e- consumen la mayor parte de su energía y al concluirlo retornan a la matriz mitocondrial. Los e- cedidos por el FADH2 tienen como punto de entrada la succinato deshidrogenasa (complejo II), que los transfiere a la ubiquinona, a partir de la cual fluyen por los restantes eslabones de la cadena del mismo orden en que lo hacen los e- cedidos por el NADH. El potencial de transferencia de los e- va disminuyendo en las sucesivas reacciones de oxidorreducción que se producen a lo largo de la cadena respiratoria, de modo que en cada etapa los e- pasan a un estado de menor energía. La energía cedida por los e- es utilizada para transportar a los H+ (procedentes de los NADH y los FADH2 oxidados) desde la matriz mitocondrial hasta el espacio intramembranoso. La energía es requerida a causa de ese transporte es activo, ya que los H+ son transferidos desde un medio en que se hallan menos concentrados a otro en que su concentración es mayor. El mecanismo que hace posible el pasaje de los H+ no ha sido determinado. La existencia de un gradiente de concentración de H+ (o gradiente de PH) entre ambos las de la membrana mitocondrial interna es acompañada por un gradiente de voltaje potencial eléctrico, bastante más positivo en la cara de la membrana que da al espacio intramemebranoso. El gradiente electroquímico derivado de la suma de ambas fuerzas se traduce en la energía (llamada protonicomotora) que impulsa a los H+ a regresar a la matriz mitocondrial, ahora por transporte pasivo. Los H+ retornan por el túnel de la ATP sintasa. En síntesis, a medida que la energía suministrada por los e- es utilizada para transferir los H+ hacia el espacio intramemebranoso, es absorbida por los propios H+, que la retienen como energía protonicomotora. La fosforilación es mediada por la ATP sintasa. La ATP sintasa está integrada por dos unidades que poseen localizaciones y funciones diferentes. Una atraviesa la bicapa lipídica (porción intramembranosa o F0) y la otra da hacia la matriz mitocondrial (porción F1). La porción F0 forma un túnel que permite el regreso de los H+ a la matriz mitocondrial, mientras que la porción de F1 es responsable de la fosforilación, cataliza la síntesis de ATP, se cumplen en dos lugares diferentes de la ATP sintasa. La energía necesaria para la síntesis del ATP proviene de la energía protonicomotora contenida en los H+, que la van perdiendo a medida que regresan pasivamente a la matriz mitocondrial. La ATP sintasa se comporta como una turbina que convierte una clase de energía (la protonicomotora, derivada del gradiente electroquímico de los H+) en otra más provechosa para la célula, la energía química depositada entre el segundo y tercer fosfato del ATP. Se generan aprox. 2,5 ATP por cada NADH procesado y un 1,5 por cada FADH2. El ATP sale al citosol por un contratransporte pasivo localizado en la membrana mitocondrial interna, la ATP- ADP translocasa. Por cada ATP que la atraviesa entra un ADP en la matriz mitocondrial. La ATP sintasa puede también llamarse ATPasa, pues es capaz de hidrolizar ATP (a ADP y P) y con la energía liberada bombear H+ al espacio intramembranoso a través de la porción F0, pero recibe el nombre de ATP sintasa porque en la matriz mitocondrial el cociente ATP/ADP normalmente es inferior a la unidad, lo cual lleva a la síntesis y no a la hidrólisis del ATP. Los H+ y los e- se combinan con el oxígeno atmosférico para formar agua. Se necesitan 4 e- y 4 H+ por cada O2 para que se produzcan 2 moléculas de H2O, que es uno de los productos finales del metabolismo (el otro es CO2). El H2O pasa de la mitocondrial al citosol, donde puede quedar retenida o salir al espacio extracelular. Los NADH generados durante la glucólisis no ingresan en las mitocondrias. A diferencia de los NADH formados en las mitocondrias, que rinden 2,5 ATP cada uno, os de la glucólisis a veces generan 1,5 ATP y a veces 2,5. El menor rendimiento energético se debe a que el NADH citosólico no puede ingresar en la mitocondria, puesto que su membrana interna le es impermeable. Para que el NADH citosólico pueda ceder su energía al ATP, ingresan en la mitocondria solo sus e- y H+, ya que no el propio NADH. Ello es posible gracias a ciertas moléculas citosólicas que actúan como “lanzaderas”. Así, una lanzadera, los conduce a la mitocondria, donde los transfiere a otra molécula; luego retorna sin ellos al citosol, por lo que queda disponible para una nueva operación. Una de las lanzaderas es el glicerol 3-fosfato, formado en el citosol al reducirse la dihidroxiacetona 3-fosfato. El glicerol 3-fosfato ingresa en el espacio intermembranoso y se pone en contacto con la membrana mitocondrial interna, al que le cede los dos e- y los dos H+, una molécula de hidrógeno (H2). Se forma por lo tanto un FADH2. Existen además lanzaderas de malato- aspartato. En este caso, los dos e- y el H+ del NADH citosólico reducen a un oxalacetato, que se convierte en malato. Este ingresa en la matriz mitocondrial y se reoxida a oxalacetato. El H2 salido del malato se usa para reducir un NAD+ a NADH, que produce tres ATP. El oxalacetato mitocondrial, dado que no puede atravesar la membrana interna de la mitocondria, para pasar al citosol se transforma en aspartato, que sí la atraviesa. En el citosol el aspartato se reconvierte en oxalacetato, lo cual cierra el ciclo. En presencia de O2, por cada molécula de glucosa se generan 30 o 32 ATP. Para realizar el cálculo de la energía ganada en unidades de ATP al cabo de la oxidación de una molécula de glucosa se debe sumar la energía producida en el citosol a la gestada en la mitocondria. La glucólisis genera 4 moléculas de ATP. Debido a que gasta 2, en esta etapa hay una ganancia neta de 2 ATP. Pero además genera 2 NADH, que por ser citosólicos producen 1,5 o 2,5 ATP cada uno, 3 o 5 en total. Así, el aporte de la glucólisis es de 5 o 7 ATP, 2 generados en el citosol y 3 o 5 en la mitocondria. Los dos piruvatos derivados de la glucólisis entran en la mitocondria, donde por descarboxilación oxidativa se convierten en dos acetilos. El proceso genera 2 NADH, uno por cada piruvato. Dado que por cada NADH la fosforilación oxidativa produce 2,5 ATP, esta etapa rinde 5 ATP. En el ciclo de Krebs cada acetilo genera 1 ATP, 3 NADH y 1 FADH2, por lo que al cabo de las dos vueltas que se necesitan para metabolizar a los dos acetilos surgen 2 ATP, 6 NADH y 2 FADH2. Dado que por cada NADH la fosforilación oxidativa genera 2,5 ATP, y por cada FADH2, 1,5 ATP, a los 2 ATP surgidos de las dos vueltas del ciclo de Krebs deben sumárseles los 15 ATP aportados por los 6 NADH más los 3 ATP aportados por los 2 FADH2, lo que hace un total de 20 ATP. Sumados a los 5 o 7 ATP de la glucólisis y a los 5 ATP de la descarboxilación oxidativa, la ganancia de energía por molécula de glucosa es de 30 o 32 ATP. Respecto de los ácidos grasos, si bien en su degradación no existen procesos equivalentes a la glucólisis y a la descarboxilación oxidativa, aportan más energía que la glucosa debido a los NADH y los FADH2 suplementarios producidos durante la B- oxidación de sus cadenas. En las células musculares el piruvato puede convertirse en lactato. Las células musculares, agotan el O2 atmosférico que les llega mediante los glóbulos rojos, situación que es normal. Ante la falta de O2, el piruvato, en lugar de convertirse en el grupo acetilo de la acetil CoA, se transforma en lactato. Este proceso metabólico se conoce con el nombre de fermentación láctica. El lactato producido en las células musculares pasa a la sangre y llega al hígado. En los hepatocitos (vía piruvato) el lactato se convierte en glucosa, que utilizará la célula muscular si continua demandando energía. En las mitocondrias de las células de la grasa parda la energía generada por oxidaciones se disipa en forma de calor. Si la energía protonicomotora de los H+ situados en el espacio intermembranoso no se rescatara para formar ATP, los H+, al volver a la matriz mitocondrial, igual se uniría a los e- y al O2 para formar H2O, pero la energía protonicomotora, al cabo de la reacción, se convertiría en energía térmica. Esto es lo que ocurre en células adiposas de la denominada grasa parda, cuyas mitocondrias son incapaces de transferir la energía protonicomotora al ATP. Es que la membrana interna de estas mitocondrias existe un transportador H+ llamado termogenina, el cual, debido a que no posee la porción F1 (función enzimática de la ATP sintasa), permite el regreso de los H+ a la matriz mitocondrial sin que su energía sea aprovechada para formar ATP. En consecuencia, la energía protonicomotora, al reaccionar los H+ con los e- y el O2 atmosférico durante la formación de H2O se disipa como calor. Otras funciones de las mitocondrias: Remoción de Ca2+ del citosol: Normalmente esta función está a cargo del RE, pero cuando la concentración de Ca2+ aumenta en el citosol a niveles peligrosos para la célula, se pone en acción una Ca2+ - ATPasa localizada en la membrana interna de las mitocondrias, que al bombear el Ca2+ hacia la matriz mitocondrial lo retira del citosol. Síntesis de aminoácidos: a partir de determinadas moléculas intermediarias del ciclo de Krebs, en las mitocondrias de los hepatocitos tienen lugar algunas pasos metabólicos que llevan a la síntesis de varios aminoácidos. Síntesis de esteroides: En algunas células de la corteza suprarrenal, de los ovarios y de los testículos, la mitocondria participa en la síntesis de diversos esteroides (función esteroidogénica). En primer término, el colesterol captado por las células es transportado hacia la mitocondria, donde una enzima localizada en la membrana mitocondrial interna lo convierte en pregnenolona. Esta sale de la mitocondria e ingresa en el RE, donde continúa su metabolismo mediante diversas enzimas que actúan secuencialmente. En el caso de la corteza suprarrenal, dan lugar a desoxicorticosterona, desoxicortisol y al andrógeno androstenodiona. Los dos primeros esteroides, luego de abandonar el RE, regresan a la mitocondria, donde la 11B-hidroxilasa convierte a la desoxicorticosterona en corticosterona y al desoxicortisol en cortisol. Estos glucocorticoides son producidos en las células de la zona fasciculada de la corteza suprarrenal. Posteriormente, en el citoplasma de las células de la zona glomerulosa, por acción de la 18- hidroxilasa y la 18- hidroxiesteroide oxidasa, la corticosterona se convierte en el mineralocorticoide aldosterona. Todas estas son oxidaciones, y en su transcurso una familia de citocromos presentes en la mitocondria (los citocromos P450) actúa como receptores de e-. Muerte celular. FOTOSINTESIS: En las fotosíntesis la energía lumínica se convierte en energía química. La fotosíntesis es una de las funciones biológicas fundamentales de las células vegetales. Por medio de la clorofila contenida en los cloroplastos, los vegetales verdes son capaces de absorber la energía que la luz solar emite como fotones y transformarla en energía química. Esta se acumula en las uniones químicas entre los átomos de las moléculas alimenticias que se forman con el concurso del CO2 atmosférico. La fotosíntesis es un proceso inverso, de modo que los cloroplastos y las mitocondrias poseen muchas semejanzas estructurales y funcionales. Reacción principal: nCO2 + nH2O luz-clorofila (CH2O)n + nO2 En esta reacción el H2O es el dador de H2 (e- y H+) y de O2, mientras que el CO2 actúa como aceptador de H2. Los hidratos de carbono formados por la fotosíntesis son sacáridos solubles que circulan por los distintos tejidos de la planta o se acumulan como granos de almidón en los cloroplastos o en los amiloplastos. Además el material surgido de la fotosíntesis puede convertirse en un polisacárido estructural o en lípidos o proteínas de la planta. La clorofila es un pigmento capaz de ser excitado por la luz. Los pigmentos como la clorofila están particularmente adaptados para ser excitados por la luz. Así, los fotones que absorbe la clorofila excitan a ciertos electrones, que al desplazarse de la órbita de sus átomos adquieren un nivel de energía mayor. Esta energía puede disiparse en forma de calor o de radiación lumínica, ser transferida de una molécula a la otra por resonancia o convertirse en energía química. En la fotosíntesis predominan los dos últimos procesos. La fotosíntesis comprende reacciones fotoquímicas y reacciones en la oscuridad. En la fosforilación oxidativa (en las mitocondrias) el flujo de electrones viaja desde el NADH (o el FADH2) hacia el O2 y se genera H2O. En la fotosíntesis ocurre el fenómeno opuesto, pues los electrones fluyen desde el H2O hasta el NADPH. Las reacciones en la oscuridad completan el ciclo fotosintético. En su transcurso la energía contenida en los ATP y en los NADPH es aprovechada por la célula vegetal para elaborar diversas moléculas alimenticias con el CO2 tomado de la atmosfera. Existen varias clases de clorofilas. Las reacciones fotoquímicas se producen en la membrana tilacoide, cuya bicapa lipídica contiene una serie de complejos proteicos transmembranosos, algunos asociados a pigmentos. Estos son los encargados de capturar la energía lumínica solar. Existen varios tipos, cada uno de ellos capaces de absorber una gama particular de longitudes de onda del espectro lumínico. Entre los pigmentos se destacan las clorofilas, moléculas asimétricas que contienen una cabeza hidrofílica integrada por cuatro anillos pirrólicos unidos por un átomo de magnesio, y una cola hidrofílica (fitol) ligada a uno de los anillos. Otros pigmentos presentes en la membrana tilacoide son los carotenoides (xantofilas y carotenos) que quedan ocultos por el color verde de la clorofila. Existen dos clases de clorofila, identificadas con las letras a y b. En la clorofila b, un grupo –CHO reemplaza a un –CH3 de la clorofila a. Por otra parte, hay varias clases de clorofila a, caracterizadas por sus composiciones químicas, sus espectros de absorción de la luz y sus funciones. Se destacan tres: una muy abundante, encargada de captar la energía lumínica, y otras dos especiales, llamadas P680 y P700 (P por pigmento; el número identifica la longitud de onda que cada pigmento absorbe más eficientemente) En la membrana de los tilacoides se encuentran cadenas de complejos moleculares responsables de las reacciones fotoquímicas. Cada una de las cadenas está integrada por los siguientes eslabones: Fotosistema II: es un complejo molecular que posee dos sectores claramente definidos, la antena, que da hacia la estroma y se encarga de capturar la luz, y el centro de reacción, que da hacia el espacio tilacoide. La antena ha sido comparada con un embudo y su pared se compone de agregados de proteínas y pigmentos, especialmente de clorofila a , clorofila b y carotenoides. Por su parte, el centro de reacción contiene varias proteínas asociadas a moléculas de clorofila de tipo P680. Complejo b-f: Este complejo contiene una proteína de 17kDa asociada a los citocromos b y f, y una proteína con un centro Fe-S. Fotosistema I: Es un complejo molecular que, posee una antena captadora de energía lumínica, integrada por proteínas, clorofila a, clorofila b y carotenoides, y un centro de reacción, compuesto por proteínas y moléculas de clorofila de tipo P700. NADP reductasa: Este complejo reduce al NADP+ tomado de la estroma y lo convierte en NADPH. Los H+ necesarios para la reducción pertenecen al estroma. Entre estos complejos se encuentran varias moléculas intermediarias: 1) la plastoquinona, entre el fotosistema II y el complejo b-f (equivale a la ubiquinona de las mitocondrias); 2)una pequeña proteína llamada plastocianina, entre e complejo b-f y el fotosistema I, y 3) la ferredoxina, entre el fotosistema I y la NADP reductasa. La membrana de los tilacoides posee ATP sintasa la cual posee una porción transmembranosa F0, por la que pasan protones, y una porción F1, que genera ATP a partir de ADP y fosfato. La porción F1 da hacia la estroma del cloroplasto. Los fotones excitan a las clorofilas de los fotosistemas II y I. Cuando un fotón excita a una molécula de clorofila, uno de los electrones de esta última es sacado de su órbita molecular para ser transferido a otra de mayor energía. En el caso de las clorofilas situadas en la antena de fotosistema II, la energía del electrón energizado es transferida por resonancia a uno de los electrones de la clorofila P680, localizada, en el centro de reacción. El nuevo electrón energizado abandona el fotosistema II y pasa al siguiente eslabón de la cadena de reacciones fotoquímicas, la plastoquinona. Mientras tanto, dos moléculas de H2O situadas en el espacio tilacoide son escindidas y generan 4H+, y 4 e- y una molécula de O2. Cada uno de estos electrones pasa al centro de reacción del fotosistema II y reemplaza al salido de la clorofila P680. A continuación, el e- pasa de la plastoquinona al complejo b-f, donde parte de su energía es utilizada para transportar un H+ hacia el espacio tilacoide en contra del gradiente electroquímico. El e-, pasa del complejo b-f a la plastocianina y de ésta al fotosistema I. Por acción de la luz ocurren procesos equivalentes a los registrados en el fotosistema II, con las siguientes particularidades: 1) el e- energizado en el centro de reacción corresponde a la clorofila P700 (no a la P680); 2) este e- es transferido a la ferredoxina (no a la plastiquinona) y es reemplazado por el electrón de bajo potencial energético proveniente de la plastocianina (no de la escisión del H2O). El e- transferido a la ferredoxina, deja a esa molécula transportadora e ingresa en la NADP reductasa, donde parte de su energía es utilizada para reducir un NADP+ a NADPH en la cara de la membrana tilacoide que da a la estroma. En este proceso se utiliza un H+ tomado del estroma. El último paso de las reacciones fotoquímicas corresponde a la formación de ATP a partir de ADP y fosfato, a la fotofosforilación. Esta tiene lugar en la ATP sintasa, que por su porción F0 permite el traslado pasivo de los H+ desde el espacio tilacoide hacia el estroma. Durante ese pasaje la energía protonicomotora contenida en los H+ es cedida a la porción F1 de la ATP sintasa. Finalmente, la ATP sintasa utiliza la energía para sintetizar ATP. Mediante la fotofosforilación los vegetales verdes pueden producir una cantidad de ATP 30 veces mayor que la obtenida en sus mitocondrias. Por otra parte, las células vegetales poseen muchos más cloroplastos que mitocondrias. Se requieren 8 fotones para liberar 2 moléculas de O2 del H2O. La energía de esos fotones, transferida a los e-, al alcanzar éstos la NADP reductasa genera 2 NADPH, mientras que el gradiente de H+ (consecuencia también de la energía cedida por los electrones) posibilita la síntesis de 3 ATP. Las reacciones en la oscuridad tiene lugar en la estroma del cloroplasto. En las reacciones fotosintéticas que tiene lugar en la oscuridad, las moléculas de ATP y NADPH proporcionan a energía necesaria para sintetizar hidratos de carbono a partir de CO2 y H2O. Tal síntesis se produce en la estroma del cloroplasto mediante una serie de reacciones químicas agrupadas bajo el nombre de ciclo de Calvin o ciclo C3, en las que intervienen varias enzimas localizadas en la estroma. La reacción inicial por la cual ingresan el CO2 y el H2O al ciclo de Calvin es catalizada por la enzima ribulosa 1,5-difosfato carboxilasa. Se trata de una gran enzima de gran tamaño. Por la acción de esta enzima, 6 ribulosas 1,5-difosfato se combinan con 6 CO2 y se producen 12 moléculas de 1,3-difosfoglicerato. Cada una de estas moléculas, de tres carbonos, pierde un fosfato y tiene la capacidad de aceptar H+ y e- del NADPH, por lo que se convierte en 3-fosfogliceraldehído. Dos de esas 12 moléculas de 3- fosfogliceraldehido abandonan el ciclo y se convierten en la materia prima a partir de la cual se sintetizan los monosacáridos, los ácidos grasos y los aminoácidos que forman las moléculas estructurales y alimenticias de la célula vegetal. La restantes 10 moléculas de 3- fosfogliceraldehido son reducidas a 6 moléculas de ribulosa 1,5-difosfato. Estas son fosforiladas a 6 ribulosas 1,5-difosfato, con las cuales se inicia otra vuelta del ciclo de Calvin. La fotosíntesis genera agua, oxígeno y hexosas. El balance químico de la fotosíntesis es: 6 CO2 + 12 H2O C6H12O6 + 6 H2O. Los fotones absorbidos por la clorofila y otros pigmentos primero son convertidos en energía química bajo la forma de ATP y NADPH. Durante esta fase fotoquímica el H2O pierde su O2, el cual se libera hacia la atmosfera como un producto secundario. La reducción del CO2 se produce en la oscuridad, siempre que haya ATP y NADPH. Los productos de esta fase son hexosas, a partir de las cuales, en otros lugares de la célula, se generan diversas clases de hidratos de carbono, lípidos y proteínas. En las plantas tropicales tiene lugar un ciclo de C4. El producto no es el 3-fosfoglicerato sino una molécula de 4 carbonos, el oxalacetato. Una de las primeras reacciones de este ciclo consiste en la unión del CO2 con una molécula de tres carbonos, el fosfoenolpiruvato. La enzima actuante es la fosfoenolpiruvato carboxilasa y el producto es el citado oxalacetato. Este se convierte en malato, que se dirige a las células de la planta que cuentan con el ciclo de Calvin. En ellas el malato pierde un CO2 y se transforma en piruvato. Este compuesto de tres carbonos retorna a las primeras células, donde se convierte en fosfoenolpiruvato y da inicio a un nuevo ciclo de C4. CLOROPLASTOS Los plástidos son los organoides más característicos de la célula vegetal. Los plástidos son organoides especiales de las células vegetales. Los más comunes y de mayor importancia biológica son los cloroplastos que junto con las mitocondrias constituyen las maquinarias bioquímicas que se encargan de producir las transformaciones energéticas necesarias para mantener las funciones de las células. En el caso de los cloroplastos, atrapan la energía electromagnética derivada de la luz solar y la convierten en energía química mediante un proceso llamado fotosíntesis. Los cloroplastos se caracterizan por poseer pigmentos (clorofilas, carotenoides) y, en ellos tiene lugar la fotosíntesis. Por este proceso producen oxígeno y la mayor parte de la energía química utilizada por los organismos vivos. La vida se mantiene gracias a los cloroplastos. Además de los cloroplastos, existen otros plástidos con pigmentos, agrupados bajo la denominación genérica de cromoplastos. En los pétalos, frutos y raíces de ciertas plantas superiores hay cromoplastos amarillos o anaranjados. Estos tienen menor contenido de clorofila y por lo tanto menor actividad fotosintética. El pigmento rojo se llama licopeno. Otros plástidos son incoloros. Se denominan leucoplastos y se encuentran tanto en las células embrionarias como en las células de los órganos de las plantas que no reciben luz. Algunos leucoplastos (a los que se les da el nombre de amiloplastos) producen y acumulan gránulos de almidón. Carecen de ribosomas, tilacoides y pigmentos y son muy abundantes en las células de las raíces y de los tubérculos. Las características de los cloroplastos varían según los tipos celulares. Los cloroplastos se localizan principalmente en las células del mesófilo, tejido que se encuentra en las hojas de las plantas superiores y en las algas. Cada célula contiene un número considerable de cloroplastos, de forma esférica, ovoide o discoidal. Su tamaño varía considerablemente, pero en promedio tienen un diámetro de 4 a 6 micrómetros. La estructura de los cloroplastos incluyen la envoltura, la estroma y los tilacoides La envoltura de los cloroplastos presenta dos membranas (una externa y otra interna), a través de las cuales se producen los intercambios moleculares con el citosol. En el cloroplasto maduro, no se observa continuidad entre la membrana interna y los tilacoides. Ambas membranas carecen de clorofila, pero tienen color amarillo por la presencia de pigmentos carotenoides. La estroma representa la mayor parte del cloroplasto y en ella se encuentran inmersos los tilacoides. Está compuesta principalmente por proteínas. Contiene ADN y también ARN, que intervienen en la síntesis de algunas de las proteínas estructurales y enzimáticas del cloroplasto. Es en el estroma donde se produce la fijación del CO2, la producción de hidratos de carbono, así como la síntesis de algunos ácidos grasos y proteínas. Los tilacoides constituyen sacos aplanados agrupados como pilas de monedas. Cada pila de tilacoides recibe el nombre de granum y a los elementos individuales que forman las pilas se los llama tilacoides de los grana o intergrana. Además hay tilacoides que atraviesan la estroma y que conectan entre sí a dos grana; se los denomina tilacoides de la estroma. Existen tilacoides pequeños (que poseen un diámetro de 1 micrómetro los cuales la mayoría de os tilacoides de los grana). En estos se distinguen tres sectores: dos extremos que aparentan ser tilacoides de los granas, y un segmento intermedio que corresponde al tilacoide de la estroma. La membrana tilacoide (Pared de los tilacoides) es una bicapa lipídica poblada de proteínas y de otras moléculas, casi todas involucradas en las reacciones químicas de la fotosíntesis. Esta pared separa el compartimiento de los tilacoides(el espacio tilacoide) de la estroma. Por lo tanto, el cloroplasto tendría tres compartimientos: el intermembranoso (entre la membrana externa y la membrana interna), la estroma (entre la membrana interna y la membrana tilacoide) y el espacio tilacoide. Fotosíntesis: La energía lumínica se convierte en energía química. BIOGENESIS DE LOS CLOROPLASTOS: Los plástidos se desarrollan a partir de proplástidos, que se encuentran en las células vegetales no diferenciadas. Según el tipo, los proplastidos se convierten en leucoplastos o en cromoplastos. La primera estructura que aparece citada en el proplastido, de forma discoidal, con un diámetro de alrededor de 1 micrómetro y una pared integrada por dos membranas. En presencia de luz, la membrana interna del proplástido crece y emite vesículas (en dirección de la estroma), que luego se transforman en sacos aplanados. Si se coloca una planta en un medio poco iluminado se produce un fenómeno denominado etiolación, en el cual las hojas pierden su color verde y las membranas de los tilacoides se desorganizan. El agregado de estas da lugar a los cuerpos prolamelares, en los que las membranas adquieren una disposición en forma de enrejado. El cloroplasto, tras esta conversión de los tilacoides, cambia su nombre por el de etioplasto. Una vez que las platas etioladas son expuestas a la luz, los tilacoides reaparecen y las membranas del material prolamelar son utilizadas para su organización. El cloroplasto se comporta como un organoide semiautónomo. Los plástidos y los cloroplastos se multiplican por fisión binaria, proceso que exige el crecimiento de proplástidos y cloroplastos preexistentes, los cuales deben duplicar su tamaño. Los cloroplastos poseen un ADN circular de alrededor de 45 micrómetros de largo y cerca de 135.000 pares de bases. Además contienen ribosomas pequeños, que representan hasta un 50% de los ribosomas totales de las células fotosintéticas. Una de las enzimas que participa en la elaboración de sacáridos a partir del CO2 (la ribulosa 1,5- difosfato carboxilasa) representa cerca del 50% de las proteínas solubles totales que se encuentran en los cloroplastos, por lo que podría ser la proteína más abundante de la naturaleza. Posee dos subunidades, una de alto peso molecular y otra más pequeña. La subunidad mayor es codificada por genes del ADN cloroplástico, mientras que la menor es codificada por genes nucleares. Esta última es sintetizada en el citosol (en ribosomas libres) bajo la forma de una molécula precursora, la cual ingresa en la estroma del cloroplasto y allí es clivada hasta alcanzar su tamaño definitivo. La envoltura del cloroplasto posee receptores que reconocen a los péptidos señal de las proteínas que deben ser incorporadas al organoide. En el caso de la subunidad menor de la ribulosa 1,5- difosfato carboxilosa, luego de ingresar en el cloroplasto se péptido señal es escindido por una proteasa presente en la envoltura del organoide y la subunidad es liberada en la estroma. El cloroplasto derivaría de una simbiosis. El cloroplasto sería el resultado de una simbiosis entre un microorganismo autótrofo (una bacteria) susceptible de capturar energía lumínica y una célula huésped heterótrofa (eucariota) HIPOTESIS SIMBIÓTICA. LA COMUNICACIÓN INTERCELULAR Y LA TRANSMISIÓN INTRACELULAR DE SEÑALES: En los organismos pluricelulares las células son interdependientes: En los organismos multicelulares complejos tanto la supervivencia de las células como la actividades que estas realizan dependen de estímulos externos provenientes de otras células. De acuerdo con la clase de estímulo emitido y el tipo de célula que lo recibe, ésta responde, con alguno de los siguientes cambios: 1) Se mantiene viva o muere 2) Se diferencia 3) Se multiplica 4) Degrada o sintetiza sustancias. 5) Las secreta 6) Incorpora solutos o macromoléculas 7) Se contrae 8) Se moviliza 9) Conduce estímulos eléctricos Las células afectan las actividades de otras células mediante sustancias inductoras: La acción de estimular a la célula desde el exterior se llama inducción; es mediada por una sustancia inductora, conocida también como ligando. La célula produce el ligando se denomina célula inductora; la que lo recibe, célula inducida o célula blanco. La sustancia inductora interactúa con la célula inducida a través de un receptor, que es una proteína o un complejo proteico localizado en el citosol o en la membrana plasmática de la célula blanco. Si el receptor se halla en el citosol , la sustancia inductora debe ser pequeña e hidrofóbica. En cambio, si le receptor es membranoso no interesa el tamaño de la sustancia inductora ni que sea hidrofóbica. Existen distintas clases de inducciones, dependientes de las distancias entre las células inductoras y las células inducidas: Cuando la célula inductora y la célula blanco se hallan distantes entre sí, la sustancia inductora, ingresa en la sangre y a través de ella alcanza a la célula inducida. Las inducciones de este tipo se llaman endocrinas. A esta categoría pertenecen también las secreciones neuroendocrinas, ya que la sustancia inductora que sale del terminal axónico de la neurona debe volcarse en la sangre para poder llegar a la célula inducida. Las sustancias inductoras vehiculizadas por la sangre se denominan hormonas y son producidas por las células de las glándulas de secreción interna que integran el sistema endocrino. Cuando la célula inductora se halla cerca de la célula inducida se dice que la inducción es paracrina. Aquí la sustancia inductora debe recorrer un corto trecho de la matriz extracelular para alcanzar a la célula blanco. Un caso especial de cercanía entre la célula inductora y la célula inducida se da en las sinapsis nerviosas. En éstas el terminal axónico de una neurona (célula inductora) se halla junto a la membrana plasmática de otra neurona o de una célula muscular o de una célula secretoria (células inducidas). La sustancia liberada por el terminal axónico de la neurona inductora se llama neurotransmisor. Las sinapsis permiten establecer una comunicación casi instantánea entre la neurona inductora y la célula inducida aun cuando esta se halla muy lejos del cuerpo de la primera. Existe una clase de inducción en la que la sustancia inductora es secretada y recibida por la propia célula, de modo que ésta se induce a sí misma. Se llama autocrina y ocurre durante algunas respuestas inmunológicas. En otros casos la sustancia inductora es retenida en la membrana plasmática de la célula inductora y no se secreta. Por lo tanto, para que la sustancia inductora pueda entrar en contacto con el receptor se necesita que la célula inductora se traslade hasta el lugar de la célula inducida. Pese a las diferencias entre las distintas clases de inducciones, todas actúan en forma similar: una célula produce un intermediario químico que interactúa como el receptor de otra célula, en la cual se desencadena una respuesta. El carácter y naturaleza de la respuesta depende de la identidad de la célula inducida. A veces una misma sustancia inductora produce respuestas diferentes por parte de dos o más tipos de células blancos. Las sustancias inductoras se unen a los receptores con una gran especificidad: Una de las propiedades más notables de las sustancias inductoras es su especificidad. Así, cada sustancia inductora actúa sólo sobre ciertas células, que constituyen su objetivo o blanco. La especificidad de las sustancias inductoras se corresponde con la especificidad de los receptores, que son moléculas o asociaciones moleculares (generalmente glicoproteínas) a las que las sustanciáis inductoras se unen selectivamente en virtud de una mutua adaptación conformacional. Más aún, la sustancia inductora y el receptor integran un complejo que posee las siguientes características: 1) Adaptación inducida: La fijación de la sustancia inductora al receptor requiere una adaptación estructural recíproca entre ambas moléculas. Se cree que se produce la adaptación conocida como enclaje inducido. 2) Saturabilidad: El número de receptores existente en cada célula es limitado, de modo que si en un sistema de coordenadas se representa la cantidad de sustancia inductora unida a los receptores se obtiene una curva hiperbólica que delata la saturabilidad del sistema. 3) Reversibilidad: La unión sustancia inductora-receptor es reversible, ya que el complejo se disocia tiempo después de su formación. La interacción sustancia inductora-receptor es la primera de una cadena de reacciones: La respuesta celular puede producirse segundo u horas después de la llegada de la sustancia inductora. En el primer caso, tiene lugar al cabo de reacciones que ocurren exclusivamente en el citoplasma. En el segundo, cuando un producto químico de la cadena de reacciones ingresa en el núcleo induce la activación de un gen. Ello origina una serie de sucesos al cabo de los cuales se elabora una proteína cuya presencia provoca la respuesta celular. INDUCCIONES CELULARES MEDIADAS POR RECEPTORES CITOSOLICOS: Las hormonas esteroides se unen a receptores citosólicos: Las hormonas esteroideas, las hormonas tiroideas, la vitamina D y el ácido retinoico son sustancias inductoras que se unen con receptores de las células inducidas situados en el citosol. Las tres primeras generan inducciones endrocrinas. En cambio, el ácido retinoico da lugar a inducciones paracrinas. Una vez en el citosol, la sustancia inductora se una a su receptor específico y ambos forman un complejo que ingresa en el núcleo. Allí el complejo se combina con la secuencia reguladora de un gen particular, el cual se activa. Su transcripción conduce a la síntesis de una proteína cuya presencia provoca la respuesta celular. Los receptores citosólicos son proteínas que poseen cuatro dominios: 1) Uno diseñado para unirse al inductor. 2) Otro flexible, que se dobla como una bisagra 3) Otro que se une a la secuencia reguladora del gen 4) Otro que activa el gen Cuando la sustancia inductora se une al receptor, éste adquiere una forma característica que le permite ingresar en el núcleo y unirse a la secuencia reguladora del gen. En ausencia de la sustancia inductora, el receptor permanece en el citosol unido a la chaperona hsp90. En cambio, cuando la sustancia inductora se une al receptor, éste se libera de la chaperona y adquiere una configuración extendida debido a que su dominio flexible se endereza. Como consecuencia, el receptor puede ingresar en el núcleo y unirse a la secuencia reguladora del gen. El óxido nítrico interactúa con una enzima citosólica: Cuando es secretado por macrófagos por las células endotiales de los vasos sanguíneos o por algunos tipos de neuronas, el óxido nítrico (NO) se comporta como una sustancia inductora. En la célula inducida el NO interactúa con una enzima citosólica (más específicamente con el grupo hem de la enzima guanilato ciclasa), cuya activación convierte al nucleótido guanosina trifosfato (GTP) en guanosina monofosfato cíclico (GMPc), que es el desencadenante de la respuesta celular. La acción del NO es muy breve, pues se convierte en nitrato o in nitrito en menos de 10 segundos. El NO secretado por las células endoteliales de los vasos sanguíneos tiene como blanco a las células musculares lisas de los propios vasos (secreción paracrina), que se relajan y producen vasodilatación. Debido a ello las células endoteliales producen óxido nítrico sintasa, una enzima que genera NO a partir del aminoácido arginina. Finalmente, el NO secretado por las células endoteliales induce la relajación de las células musculares lisas de los vasos. INDUCCIONES CELULARES MEDIADAS POR RECEPTORES LOCALIZADOS EN LA MEMBRANA PLASMÁTICA: En las inducciones mediadas por receptores membranosos las señales fluyen por el interior de la célula a través de distintas clases de moléculas: La llegada de la sustancia inductora (considerada el primer mensajero de la vía de señales) produce cambios en el receptor, que se transmite a la segunda molécula del sistema. A su vez, ésta actúa sobre la tercera molécula del sistema, y así sucesivamente hasta arribarse a la respuesta celular. Algunas de esas moléculas (llamadas segundos mensajeros) son de tamaño pequeño, por lo que difunden con rapidez y son muy efectivas para propagar las señales dentro de la célula. Entre las moléculas que intervienen en la mayoría de las vías de señales abundan las quinasas. Existen distintas clases de receptores membranosos que generan señales intracelulares: Los receptores de la membrana plasmática dan origen a vías de señales intracelulares se componen de una o más proteínas. Cada receptor posee un dominio externo, un dominio tranmembranoso y un dominio citosólico. Cuando la sustancia inductora se une al primero, el receptor se activa y su dominio citosólico experimenta uno de los siguientes cambios: 1) Adquiere actividad enzimática o activa a una enzima independiente del receptor. 2) Activa a una proteína localizada en la membrana plasmática, llamada proteína G, la cual activa una enzima. RECEPTORES MEMBRANOSOS QUE ADQUIEREN ACTIVIDAD ENZIMATICA O QUE ACTIVAN ENZIMAS: Existen receptores membranosos que al ser inducidos adquieren actividad enzimática independiente. La actividad enzimática que se revela en los primeros puede ser de guanilato ciclasa, de serina-treonina quinasa o de tirosina quinasa, mientras que la enzima que activan los segundos es siempre una tirosina quinasa. Existen receptores membranosos que al ser inducidos adquieren actividad de guanilato quinasa: Cuando la presión arterial se eleva, las células musculares de las auriculares cardiacas secretan una hormona llamada péptido natriurético auricular (ANP), cuyos blancos son las células renales que absorben Na+ y las células musculares lisas de los vasos arteriales. El ANP se une a un receptor específico de la membrana plasmática de esas células, cuyo dominio citosólico adquiere actividad de guanilato ciclasa, ya que interactúa con moléculas de guanosina trifosfato (GTP) presentes en el citosol y las convierte en guanosina monofosfato cíclico (GMPc). Los GMPc activan a la enzima quinasa G (por GMPc), que a su vez fosforila a una proteína citosólica específica. Con ella pone en marcha una cadena de reacciones químicas citoplasmáticas hasta que se produce la respuesta celular. Existen receptores membranosos que al ser inducidos adquieren actividad de serina-treonina quinasa: Las sustancias inductoras que interactúan con los receptores que poseen actividad de serina-treonina quinasa pertenecen una familia de moléculas llamadas TGF-b, cuyos miembros regulan diversas actividades celulares. La llegada de la sustancia inductora a la membrana plasmática de la célula inducida reúne a las cuatro subunidades proteicas que integran el receptor, las cuales se hallan agrupadas de a dos y serían diferentes entre sí. A continuación, mediante fosfatos tomados de moléculas de ATP, los dominios citosólicos de dos de las cuatro subunidades fosforilan a serinas y treoninas de los dominios citosólicos de las otras dos subunidades, que se activan y fosforilan a serinas específicas de la proteína citosólica Smad. Luego la Smad se une a otra proteína de su misma familia y ambas ingresan en el núcleo, donde se combinan con factores de transcripción que activan a genes cuyos productos inhiben el crecimiento celular, controlan la diferenciación o funcionan como sustancias inductoras durante el desarrollo embrionario temprano. Existen receptores membranosos que al ser inducidos adquieren actividad de tirosina quinasa: Las sustancias inductoras que interactúan con los receptores que poseen propiedades de tirosina quinasa pertenecen a una familia de moléculas llamadas factores de crecimiento. Estos factores, suelen ser secretados por las células inductoras cercanas a las células inducidas (secreción paracrina). Los factores de crecimiento más conocidos son el EGF, el FGF, el PDGF, el HGF, el NGF, el VEGH, y la insulina. Esta última estimula el crecimiento de varios tipos celulares. Ej: los fibroblastos. La llegada de las sustancias inductoras reúne a dos subunidades que integran el receptor, lo cual posibilita la fosforilación cruzada de dominios citosólicos mediante la incorporación de fosfatos procedentes de moléculas de ATP. Esta autofosforilación activa el dominio citosólico del receptor, que origina tres tipos de vías de transmisión de señales: uno en el que interviene la proteína Ras, otro en el que participa la enzima fosfolipasa C-y y otro en el que lo hace la fosfatidilinositol 3-quinasa. Proteína Ras: La proteína Ras está anclada en el lado citosólico de la membrana plasmática mediante dos ácidos grasos. Cuando se activa se relaciona con el dominio citosólico del receptor a través de una proteína adaptadora y de la proteína GEF. Ello es porque la Ras es miembro de la familia de GTPasas que actúan asociadas a las proteínas reguladoras GEF y GAP. Al igual que sus análogas, cuando es influida por el GEF, la Ras reemplaza el GDP presente en su molécula por un GTP. En cambio, cuando es influida por la GAP, la Ras hidroliza el GTP a GDP y P. El GTP activa las Ras y el GDP la inactiva. La Ras-GTP activa a la quinasa Raf, la cual fosforila a la quinasa MEK y ésta a la quinasa ERK. Finalmente, la ERK fosforila y activa a otras quinasas citosólicas o ingresa en el núcleo y fosforila a proteínas que activan a genes cuyos productos regulan el crecimiento y la diferenciación celular. Las proteínas Raf, MEK y ERK pertenecen a la familia de quinasas llamadas MAP, las cuales fosforilan a serinas y treoninas de un grupo amplio de proteínas. La Ras-GTP desencadena una serie de reacciones químicas cuyo último sustrato da lugar a la respuesta celular. Cuando ésta concluye, una fosfatasa específica remueve los fosfatos del receptor y la GAP induce a la Ras a que hidrolice su GTP a GDP y P. Fosfolipasa C-y (PLC-y): En la célula existen varias clases de fosfolipasas, una de las cuales es la fosfolipasa C-y (PLAC-y), que es la que se une a receptores con actividad tirosina quinasa. Otra es la fosfolipasa C-b (PLC-b), se activa por medio de receptores acoplados a la proteína G. Fosfatidilinositol 3-quinasa (PI 3-K): En la célula existen varias clases de células fosfatidilinositol 3-quinasa, entre ellas una que se activa mediante receptores con actividad de tirosina quinasa y otras que lo hacen por medio de receptores acoplados a proteína G. Existen receptores membranosos que al ser inducidos activan a una enzima ajena a sus moléculas: Existen receptores que cuando son inducidos activan a una tirosina quinasa independiente de sus moléculas, localizada en el citosol. Las sustancias inductoras más conocidas que se unen a estos receptores son la hormona del crecimiento, la prolactina, la eritropoyetina, algunas citoquinas y los antígenos cuando se unen a los linfocitos B o T. La vía de señales que nace en estos receptores comienza cuando la sustancia inductora interactúa con las 2 o 3 subunidades que integran el receptor. En algunos receptores esas subunidades son iguales entre sí y en otros son diferentes. La llegada de la sustancia inductora reúne a las subunidades, lo cual activa al receptor y origina una vía de señales que llega al núcleo muy rápidamente, pues se vale de un escaso número de moléculas intermediarias. Una de las primeras moléculas de esta vía de señales es la tirosina quinasa. Entre las enzimas más difundidas de este tipo se encuentra la tirosina quinasa JAK. RECEPTORES MEMBRANOSOS ACOPLADOS A PROTEÍNAS G: Existen receptores membranosos que al ser inducidos activan a proteínas G y, a través de ellas, a distintos tipos de enzimas: Los receptores que se acoplan a la proteína G son proteínas integrales multipaso que cruzan siete veces la bicapa lipídica de la membrana plasmática. Las proteínas G también pertenecen a la membrana plasmática, pero son heterotriméricas y se hallan adosadas a la cara citosólica de la membrana. Sus tres subunidades se identifican con las letras griegas A (alfa), B (beta) e Y (gamma). Las subunidades alfa y gamma se unen a la membrana por medio de sendos ácidos grasos. En cambio, la subunidad beta se une a la membrana por medio de la subunidades gamma, con la que conforma un complejo. La subunidad alfa se comporta como una GTPasa que posee un GDP o un GTP, lo que la asemeja a la proteína Ras. Cuando la subunidad alfa posee un GDP, tanto ella como el complejo BY (es decir, la proteína G completa) se inactivan. En cambio, la proteína G se activa cuando el GDP es reemplazado por un GTP. La activación de la proteína G se produce cuando la sustancia inductora se une al receptor, pues este se pone en contacto con la subunidad alfa y hace que su GDP sea reemplazado po un GTP. Opuestamente, cuando la sustancia inductora se desliga del receptor y la transmisión de la señal concluye, la proteína G se inactiva debido a que la GTPasa de la subunidad alfa hidroliza el GTP a GDP y P. Existen varias clases de proteína G, las cuales dan origen a distintas vías de señales intracelulares después de interactuar con las siguientes enzimas: 1) Adenilato ciclasa (AC): Que a partir de adenosina trifosfato (ATP) genera adenosina monofosfato cíclico (AMPc). 2) Fosfolipasa C-b (PLC-b): que al igual que la PLC-y cataliza la escisión del fosfatidilinositol 4,5-difosfato (PIP2) localizado en la monocapa citosólica de la membrana plasmática y forma inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) y diacilglicerol (DAG). 3) Fosfatidilinositol 3-quinasa (PI 3-K): que le añade un fosfato al PIP2 y lo convierte en fofatidilinositol 3,4,5-trifosfato (PIP3). Cuando el receptor activa la proteína G y el GDP de la subunidad alfa es intercambiado por un GTP, la subunidad alfa y el complejo By se separan. Luego la subunidad alfa o el complejo By entran en contacto con la adenilato ciclasa, con la fosfolipasa C-b o con la fosfatidilinositol 3-quinasa, las cuales en algunos casos se activan y en otros se inhiben. El retiro de la sustancia inductora induce a la GTPasa de la subunidad alfa a hidrolizar el GTP a GDP y P, al cabo de lo cual la proteína G se inactiva y la subunidad alfa se reúne con el complejo By. Las proteínas G amplifican las señales. Lo logran porque una sola suele activar muchas unidades de la enzima, cada una de las cuales, a su vez, da lugar a numerosos segundos mensajeros. Por otra parte, cuando por alguna circunstancia los receptores acoplados a las proteínas G son estimulados en forma ininterrumpida, intervienen dos tipos de proteínas citosólicas desensibilizantes: unas quinasas específicas que fosforilan a os receptores y los inhiben, y las proteínas denominadas arrestinas, que los bloquean. La adelinato ciclasa genera AMP cíclico, que activa a la quinasa A: El nucleótido adenosina monofosfato cíclico (AMPc) debe su nombre a que su fosfato compone un anillo al unirse simultáneamente con el C3´y el C5´de la ribosa. El AMPc se forma a partir de ATP mediante la adelinato ciclasa, una enzima situada en la membrana plasmática que requiere Mg2+ para funcionar. La adenilato ciclasa es activada por la subunidad alfa de una proteína G específica, llamada Gs. A su vez, el aumento del AMPc en el citosol activa a la quinasa A, que en su estado inactivo es un tetrámero compuesto por dos subunidades reguladoras y dos subunidades catalíticas unidas entre sí. Para que la quinasa A se active deben conectarse dos AMPc con casa subunidad reguladora, de modo que se le unen cuatro AMPc. La unión de los AMPc separa a las subunidades reguladoras de las catalíticas, las cuales se activan, es decir, manifiestan sus propiedades enzimáticas. A continuación, parte de las subunidades catalíticas activadas transfieren fosfatos tomados de las moléculas de ATP a serinas y treoninas de diversas proteínas citosólicas, que se activan y dan lugar a respuestas celulares casi inmediatas. Simultáneamente, otras subunidades catalíticas ingresan en el núcleo y generan respuestas celulares tardías. Debido a que el AMPc es un segundo mensajero muy potente, las células poseen dos mecanismos alternativos para regular su concentración. El más importante depende de la enzima fosfodiesterasa , que hidroliza la unión entre fosfato y el hidroxilo del carbono 3´en la ribosa del AMPc. Ellos convierten al AMPc en AMP, que es un nucleótido inactivo. Varias metilxantinas, como la cafeína, la teofilina y la aminofilina, inhiben la actividad de la fosfodiesterasa y, la caída del AMPc. El segundo mecanismo que regula la concentración del AMPc es más lento que el anterior ya que depende de la unión de una sustancia inductora a su receptor y de una proteína G que produce efectos contrarios a los de la proteína Gs. Se trata de la proteína G1, cuya subunidad alfa inhiben a la adenilatociclassa y hace hacer la concentración del AMPc. A su vez, la caída del AMPc inactiva a la quinasa A (y sus subunidades catalíticas y reguladoras se reúnen) y la respuesta celular se detiene. El AMPc es un segundo mensajero plurivalente que provoca respuestas muy distintas según la case de célula en que actúa, la sustancia que induce a esta última y el receptor que se activa. La degradación del glucógeno y de la detención de su síntesis que se producen en las células musculares entriadas en situaciones de estrés son dos ejemplos de respuestas inmediatas mediadas por las subunidades catalíticas de la quinasa A. El proceso comienza en las glándulas suprarrenales, que a consecuencia del estrés liberan adrenalina, una sustancia inductora que se vuelca en la sangre y llega a las células musculares estriadas, a cuyas membranas plasmáticas se une. Se conecta con un receptor membranoso llamado B2-andrenérgico, que activa a la proteína Gs. Dado que ésta activa a la enzima adenilato ciclasa, se genera AMPc y se activa la quinasa A, cuyas subunidades catalíticas fosforilan a dos enzimas citosólicas: la glucógeno fosforilasa quinasa y la glucógeno sintasa. La glucógeno fosforilasa quinasa se activa y fosforila a otra enzima, la glucógeno fosforilasa, que degrada al glucógeno mediante la liberación progresiva de sus monómeros, representados por moléculas de glucosa 1-fosfato (estimulación de la glucogenólisis) En cambio, la glucógeno sintasa se inhibe y deja de sintetizar glucógeno partir de moléculas de glucosa (detención de glucogenogénesis). En las células musculares estriadas la activación del receptor B2-adrenérgico eleva la concentración de glucosa 1-fosfato y de glucosa. Cabe agregar que posteriormente estas dos hexosas se convierten en glucosa 6-fosfato por acción e las enzimas fosfoglucomutasa y hexoquinasa. Dado que para agregar ATP el organismo consume glucosa 6-fosfato, en situaciones de estrés recurre a ella en grandes cantidades a fin de sostener la contracción muscular. Tal demanda hace que parte de la glucosa 6-fosfato requerida por los musculo sea provista por el hígado. Para ello, a través también del receptor B2-adrenergico. La adrenalina introduce al hepatocito a producir glucosa 6-fosfato mediante las mismas reacciones de las células musculares estriadas. Lugo, una enzima situada en la membrana del REL, la glucosa 6-fosfatasa, transforma a la glucosa 6-fosfato en glucosa, que sale del hepatocito, pasa a la circulación sanguínea y llega a las células musculares, donde la hexoquinasa la convierte en glucosa 6-fosfato con el fin de generar ATP. A continuación se analizará la actuación de las subunidades catalíticas de la quinasa A que entran en el núcleo y generan respuestas tardías. En el nucleoplasma, mediante un fosfato tomado de un ATP, cada subunidad catalítica fosforila a una serina de una proteína llamada CREB, que se activa y se une a otra proteína nuclear, denominada CBP. Luego del complejo CREB-CBP se une a la secuencia reguladora de algunos genes, más precisamente a un segmento llamada CRE. Dado que ello estimula la expresión de esos genes, puede decirse que la CREB y la CBP son factores de trascripción activadores. La secuencia CRE se halla en genes relacionados con la proliferación y la diferenciación celular. En la tos ferina y en el cólera se afecta el funcionamiento de proteínas G: La tos ferina es una enfermedad producida por la toxina del bacilo Bordetella pertussis. La toxina actúa en las células musculares lisas de los bronquios, donde impide que el GTP se acople a la subunidad alfa de la proteína Gi, hecho que conserva a la subunidad alfa unida al dímero By en forma permanente. Ello imposibilita a acción inhibitoria de la proteína Gi sobre la adenilato ciclasa, por lo que los niveles de AMPc se mantienen altos y la quinasa A permanece activa. Como consecuencia, los canales de K+ mencionados se cierran y la excitabilidad del músculo liso bronquial aumenta, por lo que el músculo se contrae en forma sostenida y causa la tos que caracteriza a la enfermedad. El cólera es una enfermedad producida por la toxina del bacilo Vibrio cholerae, caracterizada por diarreas profusas, desequilibrios iónicos y deshidratación. Estos trastornos deben al aumento de los niveles de AMPc en las células de la mucosa intestinal. Es que la toxina bloquea a la GTPasa de la subunidad alfa de la proteína Gs, lo cual impide que el GTP se hidrolice a GDP y P. Por consecuencia, la proteína G y la adenilato ciclasa se mantienen activas y la enzima produce AMPc en forma sostenida. La fosfolipasa C-b genera IP3 y DAG a partir de PIP2: En la membrana plasmática de diversos tipos de células la unión de algunas sustancias inductoras con sus receptores activa a la subunidad alfa de la Proteína Gq, que debido a ello reemplaza su GDP por un GTP. A su vez, la proteína Gq activa a la fosfolipasa C-b (PC-b), una enzima que se halla en el citosol cerca de la membrana. En ejemplo de esta clase de inducciones corresponde a la adrenalina cuando se une a un receptor distinto de los nombrados hasta aquí, llamado a1-adrenérgico. Uno de los fosfolípidos de la bicapa lipídica de las membranas celulares es el fosfatidilinositol (PI). En la membrana plasmática se localiza en la monocapa citosólica, y aunque es el más escaso, tiene un enorme significado funciona debido a que interviene en importantes vías de señales intracelulares. Para ello se fosforila en el C4´y en el C5´del inositol mediante la transferencia de fosfatos tomados de moléculas de ATP, lo cual lo convierte primero en fosfatidilinositol 4-fosfato (PIP) y luego en fosfatidilinositol 4,5-difosfato (PIP2). La fosfolipasa C-b, una vez activada cataliza la hidrólisis del PIP2, se fracciona en dos moléculas, el inositol 1,4,5.trifosfato (IIP3) y el diacilglicerol (DAG). Ambas moléculas actúan como segundos mensajeros en vías de señales de gran importancia para el funcionamiento celular. Estas vías cesan cuando interviene dos fosfatasas específicas que catalizan la remoción de dos de ellos tres fosfatos del PIP2, lo cual lo convierte nuevamente en PI. La célula posee varias clases de fosfolipasas. Entre las más comunes se halla la fosfolipasa C-y (PLC-y), que al igual que la PLC-b hidroliza el PIP2 y lo fracciona en IP3 y DAG. A esos efectos deben sumarse los de la proteína Ras, ya que las vías de señales nacidas en las dos fosfolipasas pasan por la proteína Raf. Otras dos fosfolipasas comunes en diversas clases de células son la fosfolipasa A (PLA) y la fosfolipasa D (PLD). El IP3 abre los canales de Ca2+ situados en la membrana del RE, y parte del Ca2+ citosólicos se una a la calmodulina, que activa a la quinasa CaM: Apenas el PIP2 es fraccionado en DAG e Ip3 por la PLC-b o la PLC-y, el IP3 abandona la membrana plasmática y pasa al citosol. Pronto se une a un canal de Ca2+ dependiente de ligando situado en la membrana del REL, cuya apertura permite que parte del Ca2+ que se halla en ese organoide se transfiera al citosol. Normalmente la concentración citosólica de Ca2+ es muy baja. Estímulos de distinta naturaleza elevan el Ca2+ en el citosol, que puede proceder por fuera de la célula o depósitos citoplasmáticos, como lo son el REL y las mitocondrias. Así, en respuesta requieren un incremento rápido de la concentración de Ca2+ en el citosol, el ion se moviliza desde el exterior o desde los organoides mencionados (normalmente lo hace desde el REL) debido a la apertura transitoria de canales de Ca2+ situados en la membrana plasmática o en la membrana de esos organoides. Los canales iónicos se abren por medio de un ligando (IP3) o por un cambio en el potencial eléctrico de la membrana. En ejemplo de este último mecanismo se da en las células musculares estriadas, en las cuales el Ca2+ sale del retículo sarcoplasmático a través de un canal iónico dependiente de voltaje. En el citosol el Ca2+ actúa como un segundo mensajero en distintas vías de señales intracelulares. Para ello se liga a una proteína llamada calmodulina, aunque en otras ocasiones permanece como un ion libre. La parte media de la calmodulina es alargada y cada uno de sus dos extremos, que son globulares, posee dos lugares de unión para el Ca2+. La calmodulina se activa sólo si se le unen cuatro Ca2+ que su molécula es capaz de albergar Una vez formado, el complejo Ca2+-calmodulina activa a la quinasa CaM, que luego de autofosforilarse fosforila a serinas y treoninas de otras quinasas citosólicas. La quinasa CaM da origen a carias vías de señales intracelualres. Así, en distintos tipos celulares inicia una cadena particular de activaciones deriva la fosforilación de sucesivas quinasas, hasta que la última produce la respuesta celular. La calmodulina de la célula muscular estriada recibe el nombre de troponina C. Respecto del Ca2+ libre, se presencia en el citosol da lugar a una extensa variedad de respuestas celulares. Por ejemplo, participa en el desarrollo de los microtúbulos, activa la enzima glucógeno fosforilasa quinasa en las células musculares estriadas y de las células hepáticas, estimula la exocitosis de insulina en las células B de los islotes de Langerhans, etc. Las señales intracelulares mediadas por el Ca2+ concluyen cuando el ion retorna del interior del REL o es extraído hacia la matriz extracelular por medio de bombas de Ca2+. El DAG activa a la quinasa C: Una vez que el PIP2 es fraccionado en DAG e IP3 por la PLC-b o por la PLC-y, y el DAG permanece en la monocapa citosólica de la membrana plasmática, como o estaba el PIP2. Simultaneamente, parte del Ca2+ que se libera del REL por acción del IP3 se une a una enzima citosólica llamada quinasa C. Luego el complejo Ca2+-quinasa C se dirige a la membrana plasmática y se coloca junto al DAG a fin de éste active a la quinasa C. El ca2+ citosólico liberado por el IP3 hace posible la activación de la quinasa C por medio del DAG, lo que demuestra que el IP3 y el DAG se relacionan no sólo por su origen (el PIP2) sino también por la asistencia que el primero le presta al segundo. Apenas se activa, la quinasa C fosforila a serinas o a treoninas de proteínas citosólicas y nucleares, las cuales varían en los distintos tipos de células. Una de las proteínas citosólicas es la glucógeno sintasa, que en la célula hepática es fosforilada n solo por la quinasa A sino también por la quinasa C. El fosfato impide a la glucógeno sintasa sintetizar glucógeno a partir de moléculas de glucosa. Otra proteína citosólica que fosforila la quinasa C es la Raf, en cuyo caso la vía de señales deriva de la activación de genes que inducen el crecimiento y la diferenciación celular. Otros dos ejemplos en los que la enzima quinasa C fosforila a proteínas citosólicas se dan durante la fecundación. Por su parte, las proteínas nucleares que se fosforilan mediante la quinasa C son factores de transcripción que activan o reprimen a un grupo de genes relacionados con la proliferación celular. La importancia de la quinasa C en el control de la proliferación de las células se demostró al estudiarse la acción tumorígena de los esteres de forbol, los cuales poseen estructuras similares a las del DAG y al igual que éste activan a la quinasa C. No obstante, debido a que se degradan ( y por lo tanto, no se interrumpe la actividad de la quinasa C), promueven una proliferación celular sostenida, con la consiguiente formación de tumores. En algunas neuronas del cerebro la quinasa C no fosforila a proteínas del citosol ni del núcleo sino a canales iónicos de la membrana plasmática, lo cual los abre, con la consiguiente alteración de la excitabilidad de la membrana. La quinasa C interrumpe se actividad cuando el DAG se hidroliza. No de los productores de esa hidrólisis es el ácido araquidónico, que es un precursor de diversos eicosanoides, entre los que se hallan prostaglandinas. La vía de transmisión de señales que origina la enzima PI-3-K se relaciona con la supervivencia celular: Existen varias clases de fosfatidilinositol 3-quinasas (PI 3-K), entre ellas una que se activa mediante receptores con actividad de tirosina quinasa y otras que lo hacen mediante receptores acoplados a proteína G. La segunda se activa a través de la subunidad alfa de la proteína G13 o del complejo By de la Proteína Gi. Las P 3-K se hallan en el citosol y todas producen los mismos efectos: le añaden un fosfato al fosfatidilinositol 4,5-difosfato (PIP2) de la membrana plasmática y lo convierten en fosfatidilinositol 3,4,5-trifosfato (PIP3). Así, el PIP2 no sólo es fuente de IP3 y DAG sino también de PIP3. El PIP2 se localiza en la monocapa citosólica de la membrana plasmática y es fosforilado en el sitio 3 del inositol. MUERTE CELULAR: La muerte celular programada es un fenómeno común en el organismo: La muerte de las células es un fenómeno común durante el desarrollo embrionario, necesario para remover tejidos provisorios, eliminar células superfluas, generar conductos, formar orificios, etc. También se producen muertes celulares durante la vida posnatal, cuando el organismo necesita remodelar tejidos o remover células dañadas innecesarias, redundantes, envejecidas o peligrosas para su salud como lo son las células infectadas, las tumorales o las autorreactivas. Puesto que las células destinadas a morir suelen perecer para que sobrevivan las restantes del cuerpo, puede decirse que protagonizan una suerte e inmolación biológica. Estas muertes celulares fisiológicas o programadas ocurren al cabo de una serie de cambios morfológicos que reciben el nombre de apoptosis, término que se usa para diferenciarlas de las muertes celulares accidentales (producidas por traumatismos, sustancias tóxicas, obstrucciones vasculares, etc.), que se denominan necrosis. La apoptosis genera cambios celulares característicos: Los cambios que experimentan las células cuando mueren por apoptosis con característicos. Se deben a que se activan unas proteínas citosólicas especiales llamadas caspasas y ocurren en el siguiente orden: 1) El citoesqueleto se desarma debido a la ruptura de sus filamentos. Como consecuencia, la célula pierde contacto con sus vecinas (o con la matriz extracelular) y se vuelve esférica. 2) La célula se encoge porque el citosol y los organoides se condensan ser afectadas sus estructuras. La condensación se debe a que se altera la permeabilidad de las membranas celulares. 3) Lo laminofilamentos se disocian, con la consiguiente desintegración de la envoltura nuclear. 4) La cromatina se compacta y las moléculas de ADN se seccionan por acción de una endonucleasa, lo cual divida al núcleo en pequeños fragmentos que se distribuyen en el citoplasma. 5) De la superficie de la célula emergen numerosos protrusiones, casi todas con fragmentos nucleares en su interior. 6) Luego las protrusiones se desprenden, convertidas en fracciones celulares llamadas cuerpos apopticos 7) La fosfatidilserinas de las membranas que se envuelven el los cuerpos apopticos se trasladan a la moncapa externa. 8) Finalmente, atraídos por estas fosfatidilserinas, numeroso macrófagos acuden al lar de la apoptosis y fagocitan a los cuerpos apoptóticos. A diferencia de la necrosis, la remoción de las células muertas por apoptosis preserva la arquitectura original de los tejidos, pesto que no da lugar a reacciones inflamatorias ni produce cicatrices. La apoptosis se activa por distintas causas: La mayor parte de las muertes celulares por apoptosis se producen cuando: 1) Se suprimen los factores tróficos que mantienen vivas a las células. 2) Sustancias que inducen la muerte celular se unen a receptores específicos. 3) El ADN nuclear es afectado por mutaciones capaces de poner en peligro al organismo. Causas que desencadenan vías de señales intracelulares diferentes entre sí, las cuales convergen en un tramo final común: La apoptosis que se activa cuando se suprime los factores tróficos es la más generalizada: Cada clase de célula es mantenida viva por una sustancia inductora específica llamada factor trófico o factor de supervivencia, que le llega desde células vecinas. La mayoría de las muertes celulares por apoptosis tiene lugar cuando se suprimen estas sustancias. Los factores tróficos más estudiados son las glicoproteínas CSF y el grupo de sustancias llamadas neurotrofinas. Las CSF estimulan la supervivencia, el crecimiento y la diferenciación d las células sanguíneas. En cambio, las neurotrofinas tienen por función mantener vivas a las neuronas y estimular el crecimiento de sus axones. El modo en que los factores tróficos interactúan con los receptores de las células inducidas, situados en la membrana plasmática. Existen factores que interactúan con receptores acoplados a las proteínas G13 o Gi Cuando son activados, esos receptores se unen y activan a distintas fosfatidilinositol 3-quinasas (PI 3-K). También se vio que con fosfatos de moléculas de ATP, las PI 3-K activadas fosforilan el inositol del fosfatidilinositol 4,5-difosfato (PIP2) de la membrana plasmática y lo convierten en fosfatidilinositol 3,4,5-trifosfato (PIP3) A continuación, sin abandonar la membrana plasmática, un PIP3, se une a la quinasa PDK1 y otro a la serina-treonina quinasa B, lo que hace que ambas enzimas queden próximas entre sí. La PDK1 fosforila a la quinasa B, que se activa y se separa del PIP3. Luego la quinasa B activada fosforila a una proteína llamada Bad, que se inactiva y se une a la proteína citosólica denominada 14-3-3. En la condición descrita la Bad se halla separada de la Bcl-2, una proteína perteneciente a la membrana mitocondrial externa que deriva del protooncogén bcl-2. Debe agregarse que cuando está separada de la Bad, la Bcl-2 se encuentra activa e impide que la célula muera por apoptosis. Previene la muerte celular porque mantiene cerrado un canal de la membrana mitocondrial interna llamado PTPC. Como se desencadena la apoptosis: en ausencia del facto trófico, la Bad (que carece de fosfato) se activa, se desvincula de la proteína 14-3-3 y se une a la Bcl-2 en el lado citosólico de la membrana mitocondrial externa. Debido que la Bad inactiva a la Bcl-2, el PTPC se abre y se descontrola el pasaje de moléculas entre los compartimientos de las mitocondrias, lo cual distorsiona la estructura de la membrana mitocondrial externa y permite que dos componentes presentes normalmente en el espacio intermembranoso de ese organoide (la proteína AIF y el citocromo c) se escapen hacia el citosol. Una vez en el citosol, la AIF se dirige a la membrana plasmática e invierte la posición de las fosfatidilserinas, que se trasladan a la monocapa externa de la membrana y atraen a más macrófagos. Además la AIF ingresa en el núcleo, induce la condensación de la cromatina y activa a la endonucleasa que degrada a las moléculas de ADN. Respecto al citocromo c, se combina con la proteína integradora Apaf-1. Ello la une a la procaspasa 9, que se escinde y convierte en caspasa 9. Luego esta escinde a la procaspasa 3, la cual se transforma en caspasa 3 y activa a las enzimas que producen los cambios apoptóticos. En las células moribundas el Ca2+ citosólico aumente considerablemente. Cuando se trata de células epiteliales, el Ca2+ cierra los comezones y evita el paso de elementos de pueden dañar a las células vecinas. La apoptosis debida a la activación de receptores específicos es más rápida que la otra: Durante respuestas inmunológicas, en la membrana plasmática de ciertas células infectadas y cancerosas aparecen recetores especiales cuya activación conduce a la apoptosis de una manera mucho más rápida que la otra. Algo simias ocurre en la membrana plasmática de los linfocitos T específicos que sobran al término de las respuestas inmunológicas. Los receptores que se analizan se llaman TNF-R y Fas. Se componen de tres subunidades proteicas iguales entre si y pertenecen a una categoría diferente de las otras, ya que sus dominios citosolicos (que contienen una secuencia de aminoácidos conocida como dominio de muerte) activan a caspasas, es decir, a enzimas proteolíticas. Las sustancias inductoras que interactúan con esos receptores se llaman TNF y FasL. Son también homotriméricas y, se combinan con los receptores TNF-R y Fas. El TNF es secretado desde células situadas en la vecindad (principalmente macrófagos y linfocitos T) a causa de diversas afecciones. El punto de partida de la vía de señales inducida por el TNF es la unión de sus tres subunidades con los dominios externos de las tres unidades del receptor TNF-R. Ellos reúne a estas últimas (el receptor se trimeriza) y hace que sus dominios citosólicos se conecten con la proteína adaptadora TRADD, la que a su vez se una a otras tres proteínas adaptadoras, denominadas FADD, RIP y TRAFF. Las dos últimas proteínas se relacionan parcialmente con la apoptosis a diferencia de la FADD que se une a la procaspasa 8, la escinde y transforma en caspasa 8. Luego esta enzima activa la procaspasa 9 y la convierte en caspasa 9, que escinde a la proscaspasa 3 y la transforma en caspasa 3. El FasL es elaborado por linfocitos T citotóxicos y linfocitos asesinos naturales a causa de algunos canceres e infecciones. Debido a que el Fasl no se secreta sino que se sitúa en la membrana plasmática, para que pueda interactuar con el receptor Fas es necesario que los linfocitos mencionados entablen contacto con las células cancerosas o infectadas. La vía de señales inducidas por el FasL se diferencia de la impulsada por el TNF porque es más corta, ya que los dominios citosólicos del receptor Fas se conectan con la proteína FADD no por intermedio de la TRADD sino directamente. La apoptosis debida a mutaciones en el ADN evita la aparición de distintos tipos de canceres: Otra condición biológica que lleva a la apoptosis se produce cuando el ADN presenta alteraciones debidas al envejecimiento celular, a la replicación a la acción de agentes ambientales o a la acumulación en la célula del peróxido de hidrógeno o de aniones superóxido. Ante la presencia de esas alteraciones suele intervenir la proteína P53, derivada de gen supresor de tumores p53. La proteína P53 estabiliza el ciclo celular en la fase G1 y controla la presencia de alteraciones en el ADN para procurar su reparación. Cuando no logra repararlas y son peligrosas para el organismo, la propia proteína P53 induce la muerte de la célula a fin de impedir el traspaso del ADN dañado a las células hijas. Para ello la P53 inactiva a la Bcl-2, lo cual pone en marcha el mecanismo que conduce a la apoptosis. A menudo se halla alterado el mismo gen P53, por lo que genera una proteína P53 defectuosa, incapaz de controlar el estado del ADN y de conducir a la célula “al suicidio”. Por consecuencia, si se trata de un tipo de célula que se divide, las células que descienden de ella cumulan alteraciones a lo largo de las sucesivas divisiones. Este hecho es gracia cuando se afecta n genes implicados en la regulación de la proliferación celular, y que pueden dar lugar a distintas clases de canceres. EL NÚCLEO: El núcleo es uno de los compartimientos esenciales de la célula eucariota: La presencia del núcleo es la principal característica que distingue a las células eucariotas. El núcleo ocupa un 10% del volumen total de la célula y en él se halla confinado el ADN, excepto el de las mitocondrias. Lo delimita la carioteca o envoltura nuclear, compuesta por dos membranas concéntricas que se continúa con la membrana del RE. La carioteca posee numerosas perforaciones (llamadas poros), que comunican el interior del núcleo con el citosol. Además se encuentra reforzada por dos mallas de filamentos intermedios, una que se apoya sobre la superficie interna de la envoltura (la lámina nuclear) y otra que lo hace sobre la superficie externa En el compartimiento nuclear se localizan: 1) Cuarenta y seis cromosomas, cada uno formado por una sola molécula de ADN combinada con numerosas proteínas. 2) Varias clases de ARN (mensajero, ribosómicos, de transferencia, pequeños), que se sintetizan en el núcleo al ser transcriptos sus genes. Estos ARN salen del núcleo por los poros de la envoltura nuclear después de su procesamiento 3) El nucléolo, donde se localizan los genes de los ARNr y los ARNr recién sintetizados 4) Diversas proteínas, como las que regulan la actividad de los genes, las que promueven el procesamiento de los ARN, las que se combinan con los ARNr en el nucléolo, las ADN polimerasas, las ARN polimerasas, etc. Estas proteína son fabricadas en el citosol e ingresan en el núcleo por los poros de la envoltura nuclear 5) Los elementos mencionados se hallan dispersos en la matriz nuclear o nucleoplasma, cuya comparación es escasamente conocía. ENVOLTURA NUCLEAR: La envoltura nuclear está compuesta por dos membranas concéntricas atravesadas por poros: La envoltura nuclear o carioteca está compuesta por dos membranas concéntricas. Estas se unen a nivel de los poros, los cuales se hallan distribuidos más o menos regularmente por toda la envoltura. El espacio entre la membrana externa y la membrana interna (o espacio perinuclear) se comunica con la cavidad del RE. La membrana externa se continúa con la membrana del RE y es común que aparezca tachonada de ribosomas. Las proteínas que se sintetizan en estos ribosomas se incorporan a las membranas de la envoltura o se vuelcan en el espacio perinuclear. La membrana nuclear interna está sostenida por la lámina nuclear, que es una delgada malla de laminofilamentos entrecruzados. La lámina nuclear se interrumpe sólo a la altura de los poros. Algunas proteínas integrales de la membrana nuclear interna sirven como puntos de anclaje para los laminofilamentos. La lámina nuclear le otorga resistencia a la carioteca y establece su forma, generalmente esférica. Los poros de la envoltura nuclear son estructuras complejas: Los 3000 a 4000 poros que posee la envoltura nuclear son mucho más que simples canales entre el nucleoplasma y el citosol. En ellos existe un conjunto de proteínas llamadas nucleoporinas, las cuales componen una estructura denominada complejo del poro que consta de los siguientes elementos: 1) Ocho columnas proteicas: que forman una pared cilíndrica en torno a la cual la membrana externa de la carioteca se continúa con la membrana interna. En el lado citosólico los extremos de las columnas proteicas componen un anillo o boca interna del poro nuclear. En el lado externo ocurre algo similar. 2) Proteínas de anclaje: Que amarran las columnas proteicas a la envoltura nuclear. Cada proteínas se liga a una de las columnas, atraviesa la membrana de la envoltura y su extremo sobresale en el espacio perinuclear. 3) Proteínas radiales: que surgen de las columnas y se orienta hacia el centro del poro. Dado que se acortan y se alargan, convierten al complejo del poro en un diafragma. 4) Fibrillas proteicas: que nacen de las bocas interna y externa del complejo y se proyectan hacia el nucleoplasma y el citosol. El complejo del poro mide alrededor de 30 nm de altura y 100nm de diámetro. Las proteínas radiales reducen su orificio, cuyo diámetro fluctúa entre 9 y 25 nm. A través de él pasan iones y moléculas pequeñas y ambas grandes en ambas direcciones. Generalmente los iones y las moléculas pequeñas se transfieren en forma pasiva, sin gasto de energía. En cambio, las macromoléculas antes de pasar fuerzan el acortamiento de las proteínas radiales, por lo que el complejo del poro se comporta como un diafragma que adapta su abertura a las dimensiones de las moléculas que deben atravesarlo. El pasaje de macromoléculas a través del complejo del poro es regulado: Las macromoléculas que salen del núcleo son proteínas envejecidas o que dejaron de funcionar y diversos tipos de ARN combinados con proteínas. Entrada de proteínas en el núcleo: A diferencia de las proteínas destinadas a las mitocondrias y a los peroxisomas, las destinadas al núcleo ingresan estando plegadas, ya que adquieren sus estructuras terciarias y cuaternarias en el citosol, apenas terminan de sintetizarse. La entrada de las proteínas en el núcleo se realiza mediante un mecanismo selectivo que permite el ingreso sólo de las apropiadas, las cuales poseen un péptido señal específico que abre el camino para que puedan pasar por el complejo del poro. Los péptidos señal más estudiados se llaman NSL, no interactúan directamente con el complejo del poro sino mediante una proteína heterodimérica denominada importina. Debido a que existen distintos tipos de NSL para diferentes grupos de proteínas destinadas al núcleo, cada tipo de NSL para diferentes grupos de proteínas destinadas al núcleo, cada tipo de NSL requiere una importina especial. Por otra parte, existen NSL que se unen a proteínas distintas de las importinas, llamadas transportinas. El pasaje de una proteína desde el citosol al núcleo a través del complejo del poro se produce en varias etapas. Son las siguientes: 1) La proteína se une a la importina por medio del NSL y ambas moléculas se colocan cerca del complejo del poro. Lo atraviesan previo agrandamiento de si diafragma, cuyo diámetro puede alcanzar los 25 nm. 2) El pasaje requiere que la importina sea guiada por las fibrillas proteicas externas e internas del complejo del poro. 3) Durante el pasaje se gasta un GTP, cuya hidrólisis está a cargo de una proteína llamada Ran, se trata de un transporte activo. 4) La Ran pertenece a la familia de GTPasas que actúan asociadas a las proteínas reguladoras GEF y GAP. Cuando son influidas por la GEF, estas GTPasas intercambian el GDP incluido en sus moléculas por un GTP, mientras que cuando son influidas por la GAP hidrolizan el GTP a GDP y P. La GEF y la GAP que se asocian a la Ran se localizan en el núcleo y el citosol 5) Cuando el complejo importina-proteina ingresa en el núcleo lo hace también la Ran-GDP. 6) En el núcleo la GEF promueve el reemplazo del GDP de la Ran por un GTP, tras lo cual la Ran-GTP se une al complejo importina-proteína. 7) Esa unión hace que la importina se independice de la proteína, que queda retenida en el núcleo. 8) En cambio, la impportina y la Ran-GTP permanecen unidas, atraviesan el complejo del poro y retornan al citosol. 9) En el citosol la GAP induce a la Ran a que hidrolice el GTP a GDP y P, de lo que resulta auna Ran-GDP y su separación de la importina. 10) Finalmente, la Ran-GDP y la importina libres pueden ser reutilizadas para hacer ingresar nuevas proteínas ene l núcleo. Ciertas proteínas destinadas al núcleo, después de sintetizarse permanecen en el citosol hasta la llegada de esas hormonas, los receptores son retenidos porque se les unen chaperonas de la familia hsp90 y adquieren formas que les impiden ingresar en el núcleo. Cuando llegan las hormonas esteroideas se separan las chaperonas y cambian de forma los receptores, lo que les permite atravesar los poros de la envoltura nuclear. Salida de proteínas y de moléculas de ARN: Las proteínas que salen del núcleo dependen también de la Ran y de señales específicas para poder atravesar los poros de la envoltura nuclear. Los peptidos señal se denominan NES y son reconocidos por proteínas equivalentes a las importinas, llamadas exportinas. Además existen NES que son reconocidos por transortinas. El pasaje de una proteína desde el núcleo al citosol a través del complejo del pro se produce en varias etapas: 1) La proteína se una a la exportina por medio del NES. Simultáneamente, la GEF remueve el GDP de una Ran-GDP y lo reemplaza por un GTP, de modo que se forma una Ran-GTP. 2) La Ran-GTP se une a la proteína por medio de la exportina 3) Unidas entre sí, la Ran-GTP, la proteína y la exportina se acercan al poro nuclear y lo atraviesan previo agrandamiento de su diafragma, cuyo diámetro puede alcanzar los 25 nm. 4) Al igualque la importina, durante el pasaje la exportina es guiadaa por las fibrillas proteicas del complejo del poro. 5) AAl cabo del pasaje, inducida por la GAP, la Ran-GTP hidroliza el GTP a GDP y P, de lo que resulta una Ran-GDP. 6) Ello hace que la Ran-GDP se independice de la exportina, la cual, a su vez, se independiza de la proteína. 7) La proteína queda retenida en el citosol. En cambio, la Ran-GDP y la exportina retornan al núcleo separadamente. 8) Finalmente, la Ran-GDP y la exportina libres pueden ser reutilizadas para transferir nuevas proteínas hacia el citosol. Respecto de las moléculas de ARN, salen de núcleo combinadas con proteínas, aunque están impedidas de hacerlo si no completaron sus procesamientos. Su pasaje a través de los poros nucleares depende de la Ran y de transportinas que reconocen señales específicas en las proteínas. CROMOSOMAS: El material de que están formados los cromosomas es la cromatina: Cada cromosoma está constituido por una larguísima molécula de ADN asociada con diversas proteínas. Según el cromosoma, el ADN contiene entre 50 y 250 millones de pares de bases. Las proteínas asociadas se clasifican en dos grandes grupos: las histonas y un conjunto heterogéneo de proteínas no histónicas. El complejo formado por el ADN, las histonas y las proteínas no histónicas se llama cromatina. Así, la cromatina es el material de que están compuestos los cromosomas. El cromosoma posee un centrómero, dos telómeros y numerosos orígenes de replicación: En los cromosomas existen estructuras que son imprescindibles para la replicación, es decir, para la duplicación que experimenta el ADN y sus proteínas asociadas antes de la división celular. Con las siguientes: 1) El centrómero o constricción primaria, que participa en el reparto a las células hijas de las dos copias cromosómicas que se generan a consecuencia de la replicación del ADN. 2) Los telómeros, que corresponden a los extremo de los cromosomas, cuyo ADN se replica de un modo distinto al resto del ADN. Además, debido a su ubicación está expuesto a los siguientes riesgos: puede fusionarse con el ADN de otros telómeros o puede ser degradado por una nucleasa. Normalmente estas contingencias no ocurren porque el ADN telomérico se dobla sobre sí mismo (adopta la forma de un lazo) y es protegido por un capuchón de proteínas llamadas TRF 3) La enorme longitud del ADN exige que su replicación se inicie en muchos puntos a la vez a fin de que su duración sea relativamente breve. Esos puntos se denominan orígenes de replicación y ello el ADN posee secuencias de nucleótidos especiales. Más aún, todos los orígenes de replicación tienen en común secuencias conservadas de alrededor de una docena de nucleótidos llamadas ARS. Los cromosomas poseen secuencias de ADN únicas y secuencias de ADN repetidas: En las moléculas de ADN se halla depositada la información genética de la célula y todas las células poseen conjuntos virtualmente idénticos de moléculas de ADN. La totalidad de la información genética depositada en el ADN lleva el nombre de genoma. Puede decirse que esa información rige la actividad del organismo desde el primer instante del desarrollo embrionario hasta la muerte del individuo. De ella también depende la inmunidad o la predisposición del organismo a determinadas enfermedades. La capacidad o incapacidad funcional de ADN, se basa en la secuencia de sus nucleótidos. Así, en algunos sectores el ADN exhibe secuencias de nucleótidos que se transcriben (llamadas genes) y en otros presenta secuencias de nucleótidos no repetidas o que se repiten unas pocas veces. En esta parte se localizan los sectores funcionales del ADN (los genes), los cuales abarcan alrededor del 10% del ADN. El 25% restante del ADN corresponde a secuencias de nucleótidos que se repiten muchas veces, llamado ADN repetitivo. Existen dos clases de ADN repetitivo: el dispuesto en tandas (en el cual el inicio de una repetición se halla inmediatamente después del final de la otra) y el disperso (cuyas copias no se encuentran agrupadas sino dispersas en distintos puntos de los cromosomas). ADN REPETITIVO DISPUESTO EN TANDAS: A esta categoría pertenecen los ADN satélites, los microsatélites y los minisatélites. En los ADN satélites el largo de la secuencia repetida, el número de veces que se repita en cada tanda y el número de tandas varias. El ADN satélite más destacado se localiza en los centrómeros, y por ello se encuentran en todos los cromosomas. Incluyen una secuencia repetida de 171 pares de bases a la que se le ha dado el nombre de secuencia alfoide, que varía muy poco en los distintos cromosomas. Otros ADN satélites se localizan en el brazo largo del cromosoma Y y en la cromatina aledaña a los centrómeros de los cromosomas 1, 3, 9, 16 y 19. Los microsatélites contiene secuencias de ADN repetidas muchos más cortas que las de los ADN satélites, e igual que éstos se hallan en todos los cromosomas. Los minisatélites también contienen secuencias de ADN cortas. A esta categoría pertenece al ADN repetitivo de los telómeros y el ADN hipervariable, llamado así porque es distinto en cada individuo. El ADN hipervariable se localiza principalmente en las proximidades de los centrómeros y la medicina forense recurre a él cuando necesita realizar estudios de paternidad o de identidad de personas. ADN repetitivo disperso: Existen dos clases de ADN repetitivo disperso, llamadas SINE y LINE. El SINE más estudiado corresponde a la familia Alu, de la que existen alrededor de 500000 copias repartidas en todos los cromosomas. Cada copia tiene cerca de 300 nucleótidos y un sitio que puede ser cortado por la enzima de restricción Alu 1. Debido a que la secuencia Alu posee una extensa homología con la secuencia del gen del ARNpc, durante mucho tiempo se creyó que las secuencias Alu correspondían a las copias de ese gen. El LINE más común se conoce con la sigla L1. Su secuencia repetida es relativamente larga y corresponde al gen de una transcriptasa inversa. La células somáticas humanas poseen 46 cromosomas: y por consiguiente, 46 moléculas de ADN, divididos en 22 pares de autosomas más un par de cromosomas sexuales. En la mujer los dos miembros del par sexual don iguales, pero no en el varón. Así, con excepción del par sexual en el varón puede decirse que encada célula existen dos juegos idénticos de 23 cromosomas, no aportado por el espermatozoide y el otro por el ovocito en el momento de la fecundación. Ellos es lo que defina a las células somáticas como células diploides y a los espermatozoides y los ovocitos como células haploides. Los ADN de los 46 cromosomas contiene en conjunto unos 3 x 10⁹ pares de nucleótidos. Por lo tanto, una molécula de ADN de un cromosoma humano, mediría unos 4 cm de largo. La célula enrolla la molécula de ADN sobre sí misma. El grado d enrollamiento varía según el momento del ciclo en que se halla la célula: es mínimo durante la interfase y máximo cuando la célula se apresta a dividirse. Existen cinco clases de histonas comprometidas en el enrollamiento de la cromatina: Las histonas desempeñan un papel fundamental en el enrolamiento de la cromatina. Se trata de proteínas básicas que poseen una alta proporción de lisinas y argininas, es decir, de aminoácidos cargados positivamente. Ello contribuye a la unión en las histonas con las moléculas de ADN, en las que predominan las cargas negativas. Existen cinco clases de histonas, llamadas H1, H2A, H2B, H3 Y H4. La H1, de la cual existen seis subclases, contiene unos 220 aminoácidos, mientras que las restantes poseen entre 103 y 135 aminoácidos cada una. Las cuatro últimas llevan el nombre de histonas nucleosómicas porque la molécula de ADN se enrolla en otro de ellas para formar los nucleosomas, que constituyen las unidades básicas de enrollamiento cromatínico. En cada nucleosoma, lals histonas nucleosómicas se asocian y forman una estructura octamérica (el núcleo del nucleosoma), compesta por dos H2A, dos H2B, dos H3 y dos H4. Los extremos aminos (colas) de las histonas se proyectan hacia afuera del nucleosoma. El octámero he histonas posee la forma de un cilindro bajo de 10 nm de diámetro y se halla envuelto por un pequeño tramo de ADN que recorre su circunferencia casi dos veces. Cada vuelta equivale a 81 pares de nucleótidos y en total el segmento de ADN asociado al nucleosoma contiene 146 pares de nucleótidos. Las dos vueltas del ADN se fijan al núcleo dos nucleosoma merced a la histona H1. El complejo formado por el nucleosoma más la histona H1 recibe el nombre de cromatosoma y el segmento de ADN que se le asocia es de 166 pres de nucleótidos, veinte más que el nucleosoma. En la cromatina existen dos proteínas accesorias que asisten a las histonas para que si liguen entre sí. Se denominan proteínN1 y nucleoplasmina. La primera asocia a la H3 con la H4; la segunda, a la H2A con la H2B. Los nucleosomas se hallan separados por tramos de ADN espaciadores de longitud variable, que contienen entre 20 y 60 pares de nucleótidos. La alternativa de los nucleosomas con los segmentos espaciadores le dan a la cromatina la apariencia de un collas cuentas. El tratamiento de la cromatina con enzimas que digieren el ADN (nucleasas) provoca cortes solo en los ADN espaciadores. Si el tratamiento es moderado, se independizan los cromatomsomas, los cuales permanecen íntegros, tanto sus histonas como el ADN asociados a ellas. Pero cuando la digestión enzimática es intensa se obtienen nucleosomas. Para que pueda ser contenida en el pequeño espacio que el núcleo le ofrece, la cromatina de cada cromosoma en el pequeño espacio que el núcleo le ofrece, la cromatina de cada cromosoma debe experimentar nuevos y sucesivos grados de enrollamiento, cada vez mayores. Esto nuevos enrollamientos son inducidos por un complejo de proteínas llamadas condensinas En primer término, los cromatosomas se enrollan sobre sí mismos y dan lugar a una estructura helicoidal llamada solenoide, de 30 nm de diámetro, este enrollamiento depende de las histonas H1 y cada vuelta del solenoide contiene seis nucleosomas. A intervalos más o menos regulares el enrollamiento de las fibras de 30 nm se interrumpe, de modo que se observan tramos de cromatina más delgada. En ellos el ADN se encuentra asociado a proteínas no histónicas, en su mayoría reguladoras de la actividad génica. La cromatina se compacta todavía más. Así, la fibra de 30 nm forma lazos de variada longitud, los cuales nacen de un cordón proteico constituido por proteínas no histónicas. Dado que el conjunto de cordones proteicos compone una suerte de andamiaje, en los extremos de cada lazo el ADN asociado al cordón proteico lleva el nombre de SAR. Los lazos se hallan firmemente unidos al cordón, pero se ignora cómo se sujetan a él las SAR. Se considera que cada lazo constituiría una unidad de replicación del ADN y, una unidad de transcripción (un gen). La cromatina puede ser eucromática o heterocromática: En algunos sectores la cromatina experimenta un grado de enrollamiento aún mayor. Durante la interfase, la cromatina así condensada recibe el nombre de heterocromatina, y se reserva el de eucromatina para la menos compactada. Existen una relación directa entre el grado de enrollamiento y la actividad transcripcional del ADN. La cromatina menos compactad es la que posee el ADN transcripcionalmente activo, es decir, el ADN que sintetiza moléculas de ARN. Este ADN abarca alrededor del 10% del genoma. En cambio, el ADN que corresponde a la cromatina más condensada es inactivo desde el punto de vista transcripcional. A esta categoría pertenece toda la heterocromatina y el sector de la eucromatina donde el enrollamiento se halla en un grado intermedio entre la eucromatina transcripcionalmente activa y la heterocromatina. La heterocromatina puede ser constitutiva o facultativa: Durante la interfase, recibe el nombre de heterocromatina constitutiva la cromatina altamente condensada que se encuentra de manera constante en todos los tipos celulares, es decir, un componente estable del genoma, no convertible en eucromatina. A esta categoría pertenece la cromatina de los sectores cromosómicos que poseen ADN repetitivo satélite y la mayor parte de la cromatina que forma los brazos cortos de los cromosomas acrocéntricos. En cambio, se denomina heterocromatina facultativa a la que se detecta en localizaciones que varían en los distintos tipos celulares o en las sucesivas diferenciaciones de una célula dada, de modo que sectores que aparecen como heterocromatina es un tipo celular o en una etapa de su diferenciación, en otros tipos celulares y en otras etapas se presentan como eucromatina. En el cariotipo los cromosomas se ordenan de acuerdo con sus tamaños y las posiciones de sus centrómeros: Durante el ciclo celular, según que la célula esté atravesando la interfase o se esté dividiendo, los cromosomas pasan de estados de menor a mayor compactación. El grado más alto de enrollamiento se alcanza en la etapa de división llamada metafase, en que la cromatina de los cromosomas muestra un estado de condensación similar al de la heterocromatina interfásica. Tal grado de compactación hace que los cromosomas lleguen a verse como estructuras individuales, las cuales, una vez fijadas y fotografiadas, pueden ser aisladas, clasificadas y ordenadas son relativa facilidad. El conjunto de cromosomas ordenados según un criterio preestablecido recibe el nombre de cariotipo. As 46 unidades normalmente presentes en las células humanas consisten en 23 pares de homólogos. 22 de ellos están presentes tanto en la mujer como en el varón y reciben el nombre de autosomas. El par restante (que se conoce como par sexual) en la mujer se halla integrado por dos cromosoma idénticos, los cromosomas X, y en el varón por dos cromosomas bastantes disímiles, pues uno de ellos es un cromosoma X y el otro es el pequeño cromosoma Y. Los cromosomas metafásicos presentan una morfología característica. Están integrados por dos componentes filamentos (las cromátidas) unidos por el centrómero (o constricción primaria). El centrómero desempeña una papel esencial en la separación de las cromátidas hermanas durante la anafase, que sigue a la metafase. A consecuencia de tal separación una vez segregadas en las respectivas células hijas, cada una de las cromátidas se convierte en un cromosoma. La presencia del centrómero divide a las cromátidas del cromosoma metafásico en dos brazos, por lo general uno más largo que el otro. El brazo corto se lo identifica con la letra p y al largo con la letra q. Los extremos de los brazos se denominan telómeros. De acuerdo con l posición del centrómero, los cromosomas se clasifican en tres grupos: 1) Los metacéntricos poseen el centrómero en una posición más o menos central, de modo que existe poca o ninguna diferencia en el largo de los brazos de las cromátidas. 2) En los submetacéntricos el centrómero se encuentra alejado del punto central, de modo que las cromátidas poseen un brazo corto y uno largo. 3) En los acrocéntricos el centrómero se halla cerca de uno de los extremos del cromosoma, de modo que los brazos cortos de las cromátidas son muy pequeños. Los cromosomas acrocéntricos corresponden a los números 13, 14, 15, 21 y 22. Poseen una pequeña masa de cromatina llamada satélite ubicada en el extremo libre del brazo corto. El satélite se halla ligado al resto del brazo corto por un delgado tallo de cromatina denominado constricción secundaria. A excepción de la cromatina correspondiente a la constricción secundaria, el brazo corto de los cromosomas acrocéntricos está compuesto por heterocromatina. LOS GENES: Los genes son los segmentos funcionales del ADN: Los genes para la biología celular, lo define como “la secuencia de ADN que contiene la información requerida para fabricar una molécula de ARN y si, esta corresponde a un ARN mensajero, a partir de él construir una proteína”. Existen unos 30000 genes distribuidos en los 46 cromosomas de las células humanas, Cada gen se localiza en un sitio partícula del cromosoma llamado locus. Los genes no solo dirigen la síntesis de las moléculas de ARN. Como el resto del ADN, antes q que las células somáticas s dividan ellos se replican, es decir, sintetizan moléculas de ADN complementarias que se reparten en las células hijas con el fin de autoperpetuarse. Complementariamente, los genes constituyen las entidades biológicas a través de la cuales se trasmiten los caracteres físicos de padre a hijos. Puesto que la información genética depositada en las moléculas de ADN se localiza en el núcleo y la síntesis proteica tiene lugar en el citoplasma, es necesario que esa información sea transferida desde el núcleo al citosol. Tal transferencia es un proceso complejo que requiere la intervención de una molécula intermediaria. Tratase del ARN mensajero (ARNm), que copia la información contenida en el ADN y sale al citosol, donde dirige la síntesis de la proteína. Así, en el núcleo DN termina la secuencia de nucleótidos del ARNm y en el citoplasma l ARN m establece el orden de los aminoácidos de la proteína. La síntesis del ADN, se denomina transcripción del ADN, mientras que la síntesis de la proteína, lleva el nombre de traducción del ARNm. Este flujo de información es conocido como “dogma central” de la biología celular. Las metáforas utilizadas para definir ambos pasos son bastantes justas, ya que transcripción significa “copia o reproducción literal de un original” y traducción indica “escritura o expresión en un lenguaje de aquello que anteriormente ha sido escrito o expresado en otro”. Respecto del termino replicación el ADN, significa “copia que reproduce con exactitud el original”, que él lo que hace el ADN cuando se duplica. Al definir gen como una región del ADN que genera un carácter físico heredable, se sugiere que cada gen da lugar a una sola clase de proteína. Si bien la mayoría de los genes que producen ARNm se conduce de esa manera, algunos dan origen a poliproteínas, productos transitorios que se escinden en varias proteínas, cada una determinante de un rasgo singular. La célula produce varias clases de ARN: Existen tres tipos de ARN principales: ARN mensajero o ARNm, que recogen la información de los genes y dirigen la síntesis de las proteínas; los ARN ribosómicos o ARNr que son fundamentalmente estructurales, y los ARN de transferencia o ARNt, que actúan como adaptadores. La síntesis proteica (o traducción del ARNm) tiene lugar en el interior de unas estructuras citosólicas pequeñas llamadas ribosomas, que constan de cuatro ARNr diferentes entre sí y numerosas proteínas, Bajo la dirección de un ARN m, en los ribosomas se producen las reacciones químicas que ligan a los aminoácidos a cada proteína. La traducción necesita de la participación de los ARNt, de los que existen varios tipos, todos de tamaño pequeño. Se encargan de trasladar a los aminoácidos hacia el ribsoma siguiendo el orden que marca la información genética del ARNm, Además de estos tres tipos de ARN, existen los siguientes, el primero y el último localizados en el citosol y los restantes en el núcleo: El ARN pequeño citosólico o ARNpc el cual pertenece a la partícula PRS Los ARN pequeños nucleares o ARNpn, que forman parte de una ribonucleoproteínas llamadas RNPpn, estas moléculas desempeña funciones salientes durante el procesamiento de los ARNm. Los ARN pequeños nucleolares o ARNpno, que forman parte de las ribonucleoproteínas llamadas RNPpno. El ARN de inactivación del cromosoma X o ARNxist El ARN de la telomerasa o ARNte Los microARN o miARN Los transcriptos primarios se procesan en el núcleo: Las moléculas de ARN surgidas de la transcripción del ADN se llaman transcriptos primarios. Se convierten en ARN funcionales antes de salir del núcleo, al cabo de varias modificaciones, conocidas con el nombre de procesamiento del ARN. El procesamiento más conocido es el de los transcriptos primarios de los ARNm, los cuales contienen segmentos no funcionales intercalados con los segmentos que contienen la información genética que codifica a la proteína. Los primeros se denominan intrones; los segundos, exones. El procesamiento remueve los intrones y empalma los exones entre sí, dando lugar a un ARNm con información genética continua, apto para dirigir la síntesis de la proteína. Cada aminoácido es codificado por un triplete de nucleótidos: Debido a que un gen es un tramo de ADN que contiene la información necesaria para generar un ARN o una proteína, se dice que codifica a etas dos moléculas. Se emplea el término “codifica” porque las instrucciones que se trasladan del ADN al ARN y de éste a la proteína sean transmitidas en forma de códigos. Los ácidos nucleicos como las proteínas con moléculas formadas por secuencias de monómeros dispuestos en línea. El sistema de códigos se basa en la disposición ordenada de los nucleótidos en el ADN, los cuales determinan el ordenamiento de los nucleótidos en el ARN. A su turno, los nucleótidos del ARNm determinan el ordenamiento de los aminoácidos de la proteína. Debido a que el proceso de transmisión de la información genética cada nucleótido está representado por una letra, el alfabeto contenido en las moléculas de ADN o de ARN no es suficiente para simbolizar a los 20 tipos de aminoácidos que pueden hallarse en una proteína. Las células resuelven el problema utilizando grupos de tres nucleótidos para codificar a cada aminoácido. Estos tripletes de nucleótidos se denominan codones. Dado que hay 4 tipos de nucleótidos, el número de tripletes posibles, es decir de codones, es de 64. El conjunto de 64 codones lleva el nombre de código genético. Existen 61 codones para codificar a los 20 tipos de aminoácidos: Dado que se utilizan 61 de los 64 codones para codifica a los 20 tipos de aminoácidos, la mayor parte de ellos pueden ser codificados por más de un codón, condición que ha llevado a decir que existe una “degeneración” en el código genético. Los codones que codifican a un mismo aminoácido se llaman “sinónimos”. Solamente la metionina y el triptófano, que son los aminoácidos menos comunes en las proteínas, son específicos por un solo codón. Los tres codones que no codifican aminoácidos tienen por mandato señala la conclusión de la síntesis de la molécula proteica; reciben el nombre de codones de terminación. En esencia, las instrucciones del código genético emanadas del ADN consisten en una retahíla de tripletes de nucleótidos, cuya secuencia determina la alineación e los codones ene l ARN, que son los que especifican el ordenamiento de los aminoácidos en la proteína. Debido a que en la mayor parte de los transcriptos primarios existen tramos de nucleótidos superfluos que se suprimen, estos no están representados en el ARN procesado ni en la molécula proteica. Se deduce que encada serie de ADN – ARN – Proteína las unidades que integran estas moléculas son colineales, ya que los codones del ADN se corresponden con los del ARN y éstos con los aminoácidos de la proteína. El gen posee varias partes funcionales: Al hablar del gen solo en esta parte nos referimos a su segmento codificador. Sin embargo posee otros componentes ajenos a ese segmento. Ellos son: 1) El promotor: que inicia la transcripción y señala a partir de que nucleótido debe transcribir el gen. Suele localizarse cerca del extremo 5´del segmento codificador, donde comienza la síntesis de ARN. 2) Secuencias reguladoras: que determinan cundo debe transcribirse el gen y cuantas veces debe hacerlo. En la mayoría de los genes estos segmentos se localizan lejos del codificador. Existen dos tipos de reguladores, los amplificadores y los inhibidores. Lo primeros son más numerosos y, por ello, los más estudiados. Cada gen posee una combinación particular de varios amplificadores y varios inhibidores. Algunas secuencias amplificadoras e inhibidoras se repiten en genes diferentes, pero nunca dos genes distintos poseen una misma combinación de esas secuencias reguladoras. Se ha comprobado que cuando se elimina una secuencia amplificadora de un gen, la velocidad de transcripción disminuye. Opuestamente, cuando se elimina una secuencia inhibidora, la velocidad aumenta. 3) Finalmente, en las cercanías del extremo 3¨del segmento codificador, el gen posee un tramo de ADN denominado secuencia de terminación que marca la conclusión de la síntesis del ARN. COMPOSICION DE LOS GENES: Estructuras de los genes que codifican a los ARN mensajeros: El promotor suele poseer dos elementos. La combinación más común incluye las secuencias llamadas TAATA y CAAT situadas cerca del codificador. La caja TATA se localiza unos 25 nucleótidos “corriente arriba” del primer nucleótido del codificador. La caja CAAT se localiza en el mismo lado pero un poco más lejos, a unos 75 nucleótidos, es decir, a 50 nucleótidos de la secuencia TATA. La secuencia de nucleótidos más común que se encuentra en la caja TATA es la TATAAAA. La secuencia de la caja CAAT suele ser GGCCAATCT. Muchos promotores contienen la secuencia TATA pero no la CAAT. A veces están ausentes con una concentración inusualmente alta de citosinas y guaninas llamadas, regiones CG. Los reguladores (amplificadores e inhibidores) también suelen hallarse “corriente arriba” respecto del extremo 5¨del segmento codificador, aunque muy lejos, frecuentemente a miles de nucleótidos. A diferencia del promotor, en los reguladores la secuencia de nucleótidos es específica, caría en los distintos genes. En el segmento codificador se alterna tramos de AD utilizables con tramos no funcionales. Se llaman exones e intrones. La mayoría de los genes que codifican ARNm contienen entre uno y 60 intrones y son muy pocos los genes que carecen d esta clase de secuencias. La secuencia de terminación no ha podido ser identificada. La inmensa mayoría de los genes que codifican ARNm esta representados por copias únicas. Una de las excepciones corresponde a los genes que codifican a las cinco histonas. Los cinco genes se encuentran en el cromosoma alineados uno tras otro, separados entre sí por tramos de ADN que no se transcriben, llamados espaciadores. De este juego de cinco genes existen entre 20 y 50 copias dispuestas en tándem, separadas entre sí por nuevos ADN espaciadores. Estructura del gen que codifica al ARN ribosómico 45S: Los ribosomas están formados por dos subunidades, cada una compuesta por ARN ribosómicos combinados con proteínas. Lo ARNr se identifican teniendo en cuenta sus tamaños, expresados como coeficientes de sedimentación. Así, existen cuatro tipos de ARNr, llamados 28S, 18S, 5,8S y 5S. Los tres primeros derivan de un transcripto primario común denominado ARNr 45S. Existen, dos genes codificadores de ARNr, el correspondiente al ARNr 45S y el que codifica al ARNr 5S. La célula posee alrededor de 200 copias del gen del ARNr 45S. Se localizan en las contriciones secundarias de los cromosomas 13, 14,15, 21 y 22, situadas en el nucléolo. En promedio, cada constricción secundaria posee unas 20 copias del gen. Las 20 copias del gen se hallan alineadas en tándem, separadas entre sí por segmentos de ADN espaciadores que no se transcriben. En cada uno de estos espaciadores se localizan el regulador y la mayor parte del promotor. Igual que los genes de los ARNm, el promotor del gen del ARNr 45S se encuentra “corriente arriba” respecto del extremo 5¨del segmento codificador. Se trata de una secuencia de alrededor de 70 nucleótidos, 20 de los cuales son además los 20 primeros nucleótidos del sector codificador. Por lo tanto, la última parte del promotor es la parte inicial del segmento codificador. El regulador, que actúa como amplificador, es una secuencia de alrededor de 100 nucleótidos. Está ubicado a unos 50 nucleótidos “corriente arriba” del promotor, a unos 100 nucleótidos del extremo 5¨del segmento codificador. En el segmento codificador, las secuencias de ADN correspondientes a los ARNr 18S, 5,8S y 28 se hallan separadas entre sí por espaciadores. Estas a diferencia de los espaciadores intercalado entre las copias, se transcriben, de modo que aparecen en el transcripto primario o ARNr 45S. La secuencia de terminación, en el extremo 3¨de cada copia, aparece después del sector que codifica al ARNR 28S. Se caracteriza por contener varias T seguidas. LA REPLICACION DEL ADN: La replicación del ADN se produce en la interfase: Al cabo de la división celular las células hijas heredan la misma información genética contenida en la célula progenitora. Como esa información se halla en el ADN, cada una de las moléculas de ADN debe generar otra moléculas de ADN idéntica a la originaria para que ambas sean repartidas en las dos células hijas. Esta duplicación, se denomina replicación. La vida de las células que se dividen transita por dos etapas que se alternan cíclicamente, conocidas con los nombres de interfase y mitosis. La interfase se subdivide en tres períodos, llamados G1, S y G2. En la fase G1 tiene lugar en las distintas actividades de la célula (secreción, conducción, contracción, endocitosis, etc.). Le sigue la fase S, en cuyo transcurso se produce, la replicación del ADN. Luego tiene lugar la fase G2, transición que se extiende hasta el inicio de la fase M, al cabo de la cual las moléculas de ADN duplicadas se segregan en las células hijas. Desde la terminación de la fase SS hasta que se segregan en la mitosis, los ADN hijos derivados de un mismo ADN progenitor permanecen juntos, unidos a la altura del centrómero mediante un complejo de proteínas llamadas cohesinas. Mientras están unidos, esos ADN llevan el nombre de cromatidas hermanas. El cetrómero se evidencia durante la mitosis, cuando la cromatina de ambas cromátidas alcanza el máximo grado de compactación; desempeña una función crucial en las separación de las cromatinas hermanas, pues gracias a él, cada célula hija recibe una sola cromatina, que pasa a llamarse cromosoma después en las separación. Para que puedan formarse dos moléculas de ADN a partir de una, primero tienen que separarse las dos cadenas de la doble hélice del ADN progenitor, pues se utilizan como moldes para la construcción de sendas cadenas complementarias. Dado que las cadenas recién sintetizadas que no se separan de las respectivas cadenas molde, se forman dos nuevas dobles hélices de ADN idénticas a la anterior. El ADN no está solo sino combinado con proteínas y que la integración de ambas moléculas lleva el nombre de cromatina. La replicación tiene algunas similitudes con la transcripción: La síntesis del ADN presenta algunas similitudes con la síntesis del ARN. Igual que el ARN, el ADN se sintetiza en dirección 5¨- 3¨y utiliza como molde una cadena de ADN preexistente. Además, enzimas equivalentes a las ARN polimerasas, llamadas ADN polimerasas, agregas los sucesivos nucleótidos en el extremo 3¨de la cadena en crecimiento. Las ADN polimerasas catalizan las uniones fosfodiester que se producen entre el OH del C3¨de la desoxirribosa de un nucleótido y el fosfato ligando al C5¨del nucleótido recién arribado. Las diferencias entre la replicación y la transcripción se deben en parte a que el ADN es una molécula doble y no simple como el ARN. En la síntesis del ARN, el ADN se transcribe solo en los sectores que corresponden los genes activos, mientras que en la replicación no queda ningún sector del ADN sin duplicar. Para la síntesis del ARN las dos cadenas del ADN se separan transitoriamente en la zona donde se produce la transcripción, por lo cual se forma una especie de “burbuja” que se desplaza en dirección 5¨- 3¨. El ARN copia una sola de las dos cadenas del ADN y, se despega dela cadena que le sirve de molde. Contrariamente, en la replicación las dos cadenas del ADN se utilizan como moldes y una vez separadas no vuelven a juntarse. Finalmente, la replicación exige un numero considerablemente mayor de enzimas que la transcripción. EN síntesis, a partir de una molécula doble de ADN se originan dos moléculas dobles de ADDN, cada una compuesta por una cadena heredada del ADN progenitor y una cadena recién sintetizada. Dado que las moléculas de ADN recibidas por las células hijas contienen una cadena original y una cadena nueva, se dice que el mecanismo de replicación del ADN es semiconservador. La replicación se produce sectorialmente: El ADN integra los nuecleosomas de 10 nm y se enrolla hasta generar una estructura helicoidal de 30 nm de diámetro (solenoide), que al volver a enrollarse forma lazos de diferente longitud las cuales emanan de un eje que está constituido por proteínas no histónicas. Los dos extremos de cada lazo se sujetan a ese eje por consecuencias de ADN llamadas SAR. Además de proteger a ADN de eventuales enredos, nudos y roturas, esta disposición de la cromatina lo organiza sectorialmente, ya que cada lazo representa una unidad de replicación. Al hablarse de unidades de replicación se quiere significar que el ADN no se sintetiza globalmente sino a partir de múltiples sectores a lo largo de su molécula, cada uno de los cuales corresponde a un lazo. Por consiguiente, cada unidad abarca al ADN comprendido entre los puntos de origen y de llegada del lazo a su base, es decir entre as SAR. La sectorización no supone la existencia de algún tipo de interrupción en la continuidad del ADN, ya que la condición unitaria de su molécula no se pierde. La duplicación del ADN se genera a partir de múltiples orígenes de replicación: La duración de la fase S es de 7 horas aproximadamente, lo cual se debe a que a lo largo de cada cromosomas aparecen en el ADN múltiples orígenes de replicación, entre 20 y 80 por cada lazo de cromatina, es decir, por cada unidad de replicación. Los orígenes de replicación se gestan al separase localmente las dos cadenas del AD. No surgen todos simultáneamente y su aparición más temprana o más tardía depende del grado de enrollamiento y de otras características de la cromatina en los lugares donde se forman. Los orígenes d replicación contienen tramo de ADN especiales, compuestos por cientos de nucleótidos. Aunque son diferentes entre sí, todos poseen una secuencia común denominado ARS, de alrededor de once nucleótidos. El ADN de los orígenes de replicación se halla asociado a un complejo de seis proteínas llamado ORC. Este se une al origen porque invade los surcos del ADN y reconoce ciertas singularidades químicas en sus superficies externas. El ORC es requerido durante la activación de los orígenes de replicación. Al comienzo de la fase S recluta a otras proteínas, con las cuales integran un complejo mayor llamado pre-RC. Este cataliza el inicio de la replicación después de ser inducido por el factor SPF, aparece en la célula al comienzo de la fase S. Además de participar en la activación de los orígenes de replicación, el ORC impide que el ADN se reduplique durante la fase G2, por lo que evita que la célula comience l mitosis teniendo un número de moléculas de ADN mayor que el normal. La replicación del ADN es un proceso bidireccional: Cuando en un origen de replicación se abre la doble hélice del ADN se forma la llamada burbuja de replicación, cuyo tamaño aumenta a medida que avanza la separación de las cadenas en los dos extremos de la burbuja. Ello da lugar (en cada extremo) a una estructura con forma de Y denominada horquilla de replicación. Sus ramas representan a las cadenas del ADN separadas y, el tronco, a la doble hélice en vías de separación Las dos horquillas que nacen en cada origen avanzan en direcciones opuestas. Desaparecen cuando colisionan con sus similares de las burbujas contiguas, al culminar el acercamiento progresivo entre ellas, esto no ocurre con la horquilla que recorre el tramo distal del telómero. El segmento de ADN que se sintetiza a partir d un origen de replicación recibe el nombre de replicón. La replicación concluye cuando se conectan todos entre sí todos los replicones. La acción cooperativa de miles de ellos es lo que permite al ADN se sintetice en un tiempo relativamente breve para el ciclo vital de la célula. Existen diferencias en el modo como se sintetizan las dos cadenas nuevas de ADN: La síntesis necesita un molde de ADN preexistente y enzimas llamadas ADN polimerasas, y que tiene lugar por el agregado de nucleótidos en el extremo 3¨de las cadenas hijas. Esta última condición, crea durante la síntesis del ADN una primera dificultad. En efecto, dado que encada horquilla los nucleótidos de una de las cadenas corren en dirección 5¨- 3¨y los de la otra lo hacen en dirección 3¨- 5¨, la primera, al copiarse, tendría que gestar una cadena hija en dirección 3¨- 5¨, algo que ninguna ADN polimerasa puede realizar. Así, el tramo de cadenas hijas que crece en dirección 5¨- 3¨cuyo molde es la cadena progenitora 3¨- 5¨se construye sin mayores complicaciones, mediante el agregado continuo de nucleótidos en su extremo 3¨a medida que se desplaza la horquilla. En cambio, la otra cadena hija (que usa como molde la cadena progenitora que corre en dirección 5¨- 3¨) se sintetiza de modo singular, ya que para poder crecer debe hacerlo en dirección contraria al avance de la horquilla. Lo logra porque se fabrica de manera discontinua, lo cual significa que se construyen pequeños tramos de ADN (llamados fragmentos de Okazaki) que se ligan entre sí conforme se van formando Como se sintetiza un fragmento de Okazaki: Se copia un segmento de la cadena progenitora relativamente alejado del ángulo de la horquilla, situado “por detrás” del que diera origen al fragmento de Okazaki construido con anterioridad. Esto significa que el segmento de AADN progenitor más cercano a la horquilla permanece sin copiar, aunque a esa altura la otra cadena progenitora ya fue copiada por la cadena continua. Es por ello que a esta última se llama también adelantada, y a la discontinua, retrasada. Se dice que la replicación del ADN es un proceso bidireccional no solo porque las dos cadenas se sintetizan en direcciones opuestas sino también porque las dos horquillas avanzan en direcciones divergentes. Además es asimétrica, ya que una misma cadena se replica en forma continua de un lado de la burbuja y en forma discontinua del otro lado. En suma, cada burbuja presenta cuatro áreas generadoras de ADN, dos que lo hacen de manera continua y de dos que lo hacen de manera discontinua, las primeras cruzadas con las segundas. La síntesis continua se produce en dirección de las horquillas y la discontinua en dirección contraria. La cadena de ADN que se sintetiza en forma continua comienza a replicarse a partir de un cebador: Para iniciar la síntesis de la cadena continua de ADN, la ADN polimerasa necesita, además de una cadena de ADN 3¨- 5¨ molde, un extremo 3¨para poder colocar el primer desoxirribonucleotido. Ese extremo lo provee una pequeña pieza de ARN de unos 10 nucleótidos llamadas cebador. La formación del cebador es catalizada por una ARN polimerasa específica, la ADN primasa. Se diferencia de las ARN polimerasas porque genera un ARN corto que queda unido al ADN copiado. Una vez formado el cebador, la síntesis del ADN se produce por la acción de la ADN polimerasa y la provisión de desoxirribonucleotidos. Estos se encuentran en el núcleo como desoxirribonucleósidos trifosfato (dATP, dTTP, dCTP, dGTP) y se agregan secuencialmente en el extremo 3¨de la cadena en crecimiento siguiendo el orden marcado por los nucleótdos d la cadena de ADN que sirve de molde. La energía que se requiere para la replicación del ADN es tomada de los propios desoxirribonucleósidos trifosfato, que liberan dos fosfatos cuando se ligan entre sí. Dada la naturaleza bidireccional de la replicación, al iniciarse la síntesis continua del ADN, en cada origen se forman dos cebadores divergentes, uno en cada cadena de la doble hélice abierta. Seguidamente, la ADN polimerasa S, que es la enzima que cataliza la síntesis de la cadena continua, agrega un desoxirribonucleótido en el extremo 3¨del cebador y luego los sucesivos nucleótidos en el extremo 3¨de la cadena en crecimiento. El ADN polimerasa S se localiza cerca del ángulo de la horquilla de replicación. Cuando la horquilla arriba el extremo del replicón, la cadena continua toma contacto con la cadena discontinua del replicón vecino y otra enzima, la ADN ligasa, une el extremo 3¨de la primera con el extremo 5¨de la segunda. Además donde se iniciara la síntesis de la cadena continua, el cebador es removido por una nucleasa reparadora y reemplazado por una pieza equivalente de ADN generada con la ayuda de una enzima especial, la ADN polimerasa B. Finalmente, esta pieza de ADN se conecta con el resto de la cadena continua mediante la ADN ligasa. Una característica de las ADN polimerasas es su tendencia a desprenderse del ADN de la cadena molde. Empero, mientras hacen su trabajo permanecen unidas a él debido a une son sostenidas por una abrazadera deslizante. La abrazadera se une a la polimerasa y rodea al ADN, de ahí que impide el desprendimiento de la enzima pero no su desplazamiento. Se libera de as ADN polimerasas B y S apenas éstas se detienen, es decir, cuando la B completa el tramo de ADN que reemplaza al cebador y la S alcanza el extremo del replicón. Solo entonces las enzimas se desprenden del ADN. Dada la pequeñez del cebador, la ADN polimerasa B se mantiene unida al ADN por un período muy breve. La abrazadera deslizante se forma con el concurso de tres subunidades proteicas iguales entre sí denominadas PCNA, cada una integrada por dos dominios topológicamente idénticos. La cadena de ADN que se sintetiza en forma discontinua requiere muchos cebadores: La cadena continua necesita un solo cebador, el cual se instala apenas comienza la replicación. En cambio, la cadena discontinua requiere que la ADN primasa fabrique múltiples cebadores, uno para cada fragmento de Okazaki. La enzima responsable de la síntesis de los fragmentos de Okazaki es la ADN polimerasa α, que se halla unida a la ADN polimerasa S y por ello se localiza cerca del ángulo de la horquilla de replicación. De manera similar a la ADN polimerasa S en la cadena continua, la ADN polimerasa α coloca el primer desoxirribonucleótido junto al extremo 3¨del cebador del fragmento de Okazaki, lo liga a él y agrega los sucesivos desoxirribonucleotidos en el extremo 3¨del fragmento en crecimiento. Lo hace siguiendo el orden marcado por los nucleótidos de la cadena discontinua. La cadena discontinua se llama también retrasada porque cada fragmento de Okazaki comienza a construirse después de haberse sintetizado un tramo de la cadena continua. Dado que el retraso es de alrededor de 200 nucleótidos, el ADN molde del fragmento de Okazaki tienen ese largo cuando empieza a replicarse. Cabe agregar que la ADN primasa y la ADN polimerasa α necesitan unos 4 segundos para anexar a los 10 ribonucleotidos del cebador y los cerca de 200 desoxirribonucleotidos del fragmento de Okazaki. A medida que avanza la horquilla de replicación, se acorta el ADN molde y se alarga la doble hélice que resulta de la síntesis del fragmento de Okazaki. Además se crea un segundo ADN molde, el del fragmento de Okazaki que se sintetizara en el próximo ciclo. La doble hélice y el segundo ADN molde forman un bucle que crece entre la ADN polimerasa α y el ángulo de la horquilla de replicación. El bucle se forma porque la ADN polimerasa α no puede deslizarse activamente sobre el ADN molde debido a que, se halla en el ángulo de la horquilla de replicación unida a las ADN polimerasa S. Por consecuencia, le corresponde al ADN molde deslizarse en relación a la enzima, lo cual genera un bucle de longitud creciente que hace posible que el ADN molde se convierta en una doble hélice sin que la ADN polimerasa α se mueva de su lugar. Los dos ADN molde están asociados a múltiples unidades de una proteína llamada SSB, cuya función es mantener relativamente rectos a esos ADN simples para evitar que se aparecen es mantener relativamente rectos a esos ADN simples para evitar que se aparecen las bases complementarias de sus propias cadenas, o cual impediría la labor de la ADN polimerasa α. Una vez que la célula fabrica las SSB necesarias, estas se reutilizan mientras dura la replicación, ya que sus unidades se transfieren de los ADN molde que se acortan a los ADN molde que se alargan. La ADN polimerasa α no se desprende del ADN molde debido a que se le asocia una abrazadera deslizante, cuyas partes se separan apenas el fragmento endereza y sus dos componentes quedan situados en el lado opuesto de la enzima. Ello crea las condiciones para que comience a formarse un nuevo fragmento de Okazaki. A partir de los orígenes de replicación cada una de las dos cadenas de la burbuja da origen a dos cadenas divergentes, una que crece en forma continua y otra en forma discontinua. Dada la manera como se construye la cadena discontinua, su extremo 3¨correponde al extremo 3¨del primer fragmento de Okazaki sintetizado, y su extremo 5¨, al extremo 5¨del ultimo fragmento. Además, el primer fragmento se liga ale extremo 5¨ la cadena continua del replicón, mientras que el último se liga con el extremo 3¨de la cadena continua del replicón contiguo. La ADN polimerasa α interrumpe su actividad después que agrega el ultimo nucleótido del fragmento de Okazaki, cuyo extremo 3¨queda junto al extremo 5¨del cebador formado precedentemente. Del mismo modo que en la cadena continua, los cebadores de la cadena discontinua son removidos por una nucleasa reparadora y reemplazados con piezas de ADN construidas por la ADN polimerasa B. Luego actúa la ADN ligasa, que suelda el extremo 3¨de esas piezas con el extremo 5¨de los fragmentos de Okazaki precedentes. En los telómeros la replicación del ADN es dirigida por la telomerasa: El ADN de los telómeros, a pesar de que por su ubicación puede fusionarse con el ADN de otros telómeros o degradarse mediante una nucleasa, en condiciones normales no corre esos riesgos porque se dobla sobre sí mismo y las proteínas TRF le forman un capuchón protector. El ADN se dobla porque una de sus cadenas es más larga que la otra e invade un tramo cercano de la doble hélice, lo que da lugar a un triple hélice de ADN de uno 150 nucleótidos de extensión. La cadena discontinua del ADN telomérico se sintetiza de una manera singular. Es que la ADN polimerasa B no puede construirse el tramo de ADN que debe reemplazar al último cebador que se elimina de esa cadena porque caree de un extremo 3¨a partir de la cual pueda comenzar a formarse. Por consecuencia, en cada una de las sucesivas divisiones celulares, con la eliminación del último cebador se pierde un tramo del ADN telomérico, lo que provoca su progresivo acortamiento. En la mayoría de las células después e alrededor de 50 divisiones el acortamiento telomérico llega a un nivel que les impide iniciar una nueva división. Esas células envejecen y mueren debido a que desde sus telómeros agotados surgen señales que activan al gen de la proteína P53, lo cual bloquea la división y determina la muerte de las células. Así, la muerte sobreviene antes de que las células pierdan información genética. En algunas células pertenecientes a las líneas germinativas del testículo y el ovario no ocurre a pesar de que se dividen repetidamente, lo cual se debe a que contienen un complejo enzimático riboncleoproteico diseñado para recuperar el ADN telomérico que pierden durante las divisiones. Ese complejo se llama telomerasa y está integrado por varias proteínas y un ARN de alrededor de 450 nucleótidos llamado ARNte, que incluye la secuencia AUCCCAAUC. En los telómeros la cadena 3¨- 5¨del ADN está compuesta por numerosas secuencias AATTCCC consecutivas que, junto con sus complementarias TTAGGG e la cadena 5¨- 3, se van perdiendo durante las sucesivas divisiones celulares. La recuperación del ADN telomérico comienza en un ciclo celular ulterior, cuando la secuencia AUCCCAAUC del ARN de la telomerasa se une al extremo 3¨de la cadena 5¨. 3, colocándose en el lado de la cadena 3¨- 5¨. A partir de ese momento la cadena 5¨- 3¨reúne los requisitos que les permiten crecer: tiene s propio extremo 3¨libre y una secuencia de nucleótidos que le sirve de molde, la del ARN de la telomerasa. Pesto que a medida que crece provoca el corrimiento de la telomerasa, el proceso se reitera varias veces. Concluye cuando la cadena 5¨- 3¨recupera su longitud y el telómero se liberan de la telomerasa. La telomerasa e una ADN polimerasa que copia una secuencia e RN, de modo que se comporta como una transcriptasa inversa. Como la cadena 3¨- 5¨recupera su longitud: Es restaurada por la ADN polimerasa α, que utiliza como molde al ADN 5¨- 3¨recien sintetizado y agrega los nucleótidos complementarios partir del extremo 3¨del ARN de un cebador previamente fabricado por la enzima ADN primasa Finalmente, el cebador es removido y la enzima ADN ligasa une al antiguo extremo 5¨de la cadena con el extremo 3¨del segmento recién formado. Dado que no existe un balance exacto entre las perdidas teloméricas y sus recuperaciones periódicas, la longitud de los telómeros varía en los distintos cromosomas. La topoisomerasa I y la girasa disminuyen la tensión torsional que se produce en la doble hélice del ADN al separarse sus dos cadenas por la acción de la helicasa: Las ADN polimerasas copian los nucleótidos del ADN después que las dos cadenas de la doble hélice se separan. La separación es producida que las dos cadenas de la doble hélice se separan. La separación es producida por una enzima específica llamada helicasa, que se sitúa en el ángulo de la horquilla de replicación por delante de las ADN polimerasas S y α y corta los puentes de hidrógeno entre las bases complementarias de las dos cadenas de la doble hélice. Este proceso requiere energía, que es tomada del ATP. Conforme avanza la horquilla de replicación, la helicasa deja tras de sí tramos de las dos cadenas del DN con sus nucleótidos expuestos. Dada la naturaleza helicoidal del ADN, la helicasa no puede abrir la doble hélice del ADN como si abriera un cierre relámpago. Conforme las cadenas del ADN se separan a nivel de la horquilla, se va acumulando delante de ésta una torsión cada vez mayor. Esa torsión haría inviable la separación de las cadenas por la helicasa. Por lo tanto, para que la acción de la enzima no sea frenada es necesario evitar el superenrollamiento con un desenrollamiento equivalente, a fin de prevenir excesivas tensiones torsionales en los segmentos de la doble hélice aún no replicados. El desenrollamiento es producido por dos enzimas específicas, la topoisomerasa I y la girasa (o topoisomerasa II). Ambas utilizan energía y evitan las vueltas en exceso mediante un proceso que se cumple en tres pasos. En el primer paso, la topoisomerasa I corta una de las cadenas de la doble hélica; en el segundo, la cadena cortada gira en torno de su propio eje; en el tercero, los extremos cortados se vuelven a unir. En cambio, en la girasa no corta una sola, sino las dos cadenas del ADN, las cuales reestablecen sus uniones después de haber girado. Ambas enzimas se comportan como nucleasas cortan al ADN a nivel de las uniones fosfodiester) y ADN ligasas (reconectan las piezas cortadas después de haber rotado el ADN). La girasa es una de las proteínas que integra el andamio proteico en el que se sostiene los lazos de cromatina de 30 nm; se asocia con el ADN del lazo colocándose cerca de sus extremos, donde compondría una suerte de articulación giratoria. Con respecto a la topoisomerasa I, existiría caras en cada lazo pues operarían entre las burbujas de replicación. La topoisomerasa I y la girasa se diferencian no lo porque la primera corta una sola cadena del ADN y la segunda corta las dos, sino por la magnitud de sus efecto, ya que el desenrollamiento que produce la topoisomerasa I es de corto alcance y el de la girasa abarca una extensión de ADN mucho mayor. La topoisomerasa I es requerida durante la transcripción: Durante la transcripción del ADN, cuando el ARN polimerasa avanza y abre el lado frontal de la burbuja, se forma un superenrollamiento en el doble hélice algo similar al que se produce durante la replicación. El superenrollamiento de la transcripción es aliviado solamente por la topoisomerasa I. La compactación de la cromatina retrasa la replicación: El enrollamiento extremo de la cromatina, impide la replicación. Lo afecta ya que la heterocromatina, a diferencia de la eurocromatina se replica muy tardíamente en la fase S. Como el ADN, las histonas también se sintetizan en la fase S: El ADN se replica semiconservadoramente, es decir, que las dos cadenas progenitoras, al separarse para su replicación, se reparten en ambos cromosomas hijos. Lo nucleosomas, se sabe que se segregan sus histonas. Al cabo de la replicación se reparten (al azar) entre ambas cromátidas hijas, por lo que estas deben proveerse de histonas de reciente formación. Los nucleosomas nuevos se forman con histonas preexistentes e histonas nuevas. Los nucleosomas se construyen en dos pasos. En el primeo, las histonas H3 y H4 se ligan entre si mediante la proteína N1 y “son entregadas” al ADN por un complejo proteico llamado CAF-1. En el segundo, las histonas H2A y H2B, asistidas por la nucleoplasmina, se unen a las histonas H3 y H4 y completan el octámero. La mayor parte de las histonas nuevas se sintetizan en la fase S y se incorporan a los nucleosomas apeas el ADN es duplicado. Durante la fase S, casi todas las copias delos genes de las 5 histonas se transcriben simultáneamente. Por lo tanto, en la fase S la concentración de los ARNm de las histonas es muy alta, aunque no solo porque aumenta su síntesis sino también porque disminuyen su degradación. La cantidad pequeña de histonas que se sintetiza fuera de la fase S serviría para reemplazar a las que envejecen. La replicación constituye el prólogo de la división celular. MUTACIÓN DEL ADN: Las alteraciones del ADN pueden deberse a mutaciones génicas o a aberraciones cromosómicas: Cuando las alteraciones del genoma involucran a uno o a pocos nucleótidos, se denominan mutaciones génicas. Otras veces las alteraciones son de tal magnitud que afectan el cariotipo, por lo cual llevan el nombre de aberraciones cromosómicas. Pueden ser estructurales o numéricas. En las aberraciones estructurales se hallan afectadas partes extensas del cromosoma, que pueden perderse, invertirse, duplicarse, o translocarse. En las numéricas, en cambio, el cariotipo exhibe un número de cromosomas menor o mayor que el normal. Las mutaciones génicas tienen diversas consecuencias: Las mutaciones génicas más comunes consisten en la sustitución de un nucleótido por otro, en la pérdida (deleción) de uno o varios nucleótido, o en la inserción (intercalación) de uno o varios nucleótidos en una molécula de ADN. Genera un cambio en la información contenida en el gen y lleva a la producción de una proteína distinta de la esperada o a la ausencia de su producción. El cambio de un nucleótido en un gen da lugar a un codón diferente, y en consecuencia, a la presencia en la proteína de un aminoácido que no corresponde (salvo que ese nuevo codón sea “sinónimo” y, por lo tanto, codifique al mismo aminoácido). Muchas veces el cambio de un solo aminoácido produce alteraciones sustanciales en las funciones de la proteína, ya que la modificación de su estructura primaria modifica las estructuras secundarias y tercias de la molécula. La delecion o la intercalación de un nucleótido en un gen camba el encuadre de los codones en el ARNm desde el sitio de la mutación hasta el codón terminal. Ello suele traducirse en la producción de una proteína aberrante o, en la interrupción de su síntesis. Las mutaciones pueden producirse en las células somáticas o en las germinativas. En el primer caso si bien son capaces de afectar el fenotipo de los individuos, no pasan a la descendencia. En cambio, cuando se instalan en las células germinativa puede transmitirse a la descendencia y heredarse de generación en generación. Para los individuos las mutaciones suelen ser perjudiciales. Otras veces las proteínas modificadas dan lugar a alteraciones funcionales o a trastornos metabólicos. Las mutaciones también pueden afectar a genes necesarios para la supervivencia de las células o a genes involucrados en el control de la multiplicación celular. En el último caso suele descontrolarse la proliferación de las células, con la consiguiente aparición de cuadros cancerígenos. Consideradas desde un ángulo biológico global, las mutaciones génicas tienen un lado positivo, ya que a su vez su acumulación en el genoma forja las condiciones para la aparición de los individuos mejor adaptados al medo ambiente, base de la evolución de las especies. Existen varias clases de mutaciones génicas espontaneas: La mayor parte de las mutaciones génicas que afectan a las células se producen espontáneamente, durante la replicación del ADN. Ello se debe a que cuando se sintetizan las cadenas hijas pueden insertarse nucleótidos incorrectos, o nucleótidos de menos o de más. También existen mutaciones génicas espontaneas ajenas a la replicación. Algunas aparecen como consecuencia de la desanimación de las bases de los nucleótidos, dada la facilidad con que pierden sus grupos amino. Cuando la citosina se desanima se convierte en uracilo, que se aparea con la adenina y no con la guanina. Si la célula no corrige el error reemplazando al uracilo por una citosina, en la próxima replicación, insertaría una adenina en lugar de una guanina, y esa mutación se instalaría en el genoma. Algo análogo ocurre cuando se desanime la adenina, que al convertirse en hipoxantina se aparea con la citosina en vez de hacerlo con la timina. Otras clases de mutaciones génicas espontaneas aparecen a raíz de la apurinación, es decir, cuando una nace se desprende de la desoxirribosa del nucleótido. Por lo tanto, en esos puntos ((llamados sitios AP) los genes carecen de información. Varios agentes ambientales inducen la aparición de mutaciones génicas: Existen tres grupos de agentes ambientales que al actuar sobre las células inducen la aparición de mutaciones: 1) Los químicos, que son los más difundidos; 2) Las radiaciones iozinantes 3) Ciertos virus capaces de introducir segmentos de ADN foráneo en los genes. Algunos de estos agentes incrementan la aparición de mutaciones espontaneas en el ADN (sustituciones de bases, deleciones, intercalacioes, desaminaciones, apurinizaciones). Otro da lugar a otras clases de cambios. Los más comunes son los dímeros de timina. La unión entre dos timinas vecinas distorsiona su apareamiento con las adeninas de la cadena opuesta, lo cual altera la replicación normal del ADN y conduce a la aparición de mutaciones. REPARACIÓN DEL ADN: Existen varios mecanismos para reparar el ADN: Para cada tipo de alteración del ADN existe un mecanismo de reparación especial, dirigido por una combinación de enzimas específicas. La ADN polimerasa corrige los errores que ella misma comete: Durante la replicación del ADN, para que un nucleótido pueda ser agregado en el extremo 3¨de la cadena hija en crecimiento es imprescindible que el nucleótido incorporado precedentemente sea el que corresponde. Mas aun, se la ADN polimerasa inserta en forma accidental un nucleótido incorrecto, “percibe” el error y no agrega nuevos nucleótidos, de modo que el crecimiento de la cadena se detiene transitoriamente. El error es resuelto por la propia enzima mediante el ejercicio de una función adicional conocida como “lectura de pruebas”. Así, la ADN polimerasa, retrocede y lo elimina. Para ello utiliza la actividad exonucleolítica 3¨- 5¨de una de sus subunidades. Una vez eliminado el nucleótido, la síntesis del ADN progresa normalmente. Existe un segundo sistema de reparación a cargo de una nucleasa reparadora: El o los nucleótidos erróneos son removidos por una nucleasa reparadora, la misma que remueve a los cebadores en la síntesis continua y discontinua del ADN. Para ello, la nucleasa se corta la unión fosfodiester que conecta al nucleótido incorrecto con el nucleótido contiguo. La reparación se completa cuando la ADN polimerasa B sintetiza la pieza faltante y la ADN ligasa una esa pieza al ADN cortado. Debe existir alguna señal que le perita a la nucleasa reparadora distinguir en cuál de las dos cadenas del ADN se encuentra el nucleótido incorrecto. En los procariotas tal reconocimiento se basaría en la existencia de una diferencia transitoria en la metilación de ciertas adeninas entre las dos cadenas después de la replicación. Dado que transcurre un tiempo entre la síntesis de la cadena hija y la metilación, los errores serian reparadores durante ese periodo. Las deslaminaciones y las apurinizaciones se reparan con las mismas enzimas: La aparición en el ADN de uracilos en lugar de citosinas (como consecuencia de desaminaciones espontaneas) da lugar a un mecanismo de reparación que utiliza una ADN glicosidasa específica. Este reconoce y corta la conexión entre la base errónea y a desoxirribosa, de modo que deja al nucleótido sin su base. EN FORMA similar, otra ADN glicosidasa específica remueve la hipoxantina que se produce al desanimarse la adenina. Los sitios P que se generan evolucionan del siguiente modo. La desoxirribosa sin base es removida por el AP endonucleasa y una fosfodiesterasa, que cortan, el extremo 5¨y el extremo 3¨del sitio AP y remueven el azúcar. Luego la ADN polimerasa B coloca el nucleótido correcto en el lugar vació y la ADN ligasa pone fin a la reparación. Estos tres últimos pasos se utilizan también para reparar los sitios AP que se producen como consecuencia de las apurinizaciones espontaneas. En la reparación de los dímeros de timina intervienen dos nucleasas: Los dímeros de timina (producidos por la luz ultravioleta) son removidos por un sistema enzimas especiales, que hidrolizan simultáneamente dos uniones dos fodiéster, una a cada lado de la lesión. Así, sendas nucleasas cortan en la cadena afectada la quinta y la vigésima cuarta unión fosfodiester, contadas a partir del dímero en dirección 3¨y 5¨. A continuación el segmento de 29 nucleótidos es separado de la cadena normal por la helicasa, que corta los puentes de hidrogeno entre las bases del segmento que hay que remover y las bases de la cadena normal. La reparación se competa cuando la ADN polimerasa B reemplaza la pieza ausente por un tramo de ADN nuevo y la ADN ligasa lo une al ADN anterior. Si una de las nucleasas que remueven los dímeros de timina es deficientes e produce la enfermedad llamada xeroderma pigmentoso, caracterizada por una extrema sensibilidad de la a los rayos ultravioletas de la luz solar. Así, la exposición de la piel a esas radiaciones da lugar a una alta incidencia de cáncer cutáneo. Transposición de secuencias de ADN: Los transposones sn segmentos de ADN que saltan de un lugar a otro del genoma: Se vio que estos segmentos de ADN transponibles (o transposones) son capaces de codificar una proteína denominada transposasa, y que en sus extremos poseen secuencias de nucleótidos iguales si se las lee en direcciones opuestas. El número de nucleótidos en estas repeticiones invertidas es fijo para cada transposón. En el transposón hipotética, se observa al gen de la transposasa con las secuencias de nucleótidos repetidas en sus flancos. La transposasa reconoce a esas secuencias en forma específica, las corta y las inserta en un sitio distinto del genoma. Las secuencias repetidas presentes en los flancos del transposón son causa y consecuencia del mecanismo por el cual los transposones son extraídos de un lugar del genoma e insertados en otro. Durante ese proceso la transposasa efectúa cortes espaciados, inserta el transposón y realiza las reparaciones necesarias en el ADN. Los transposones tienen gran similitud con el ARN de los retrovirus. Las semejanzas son tan amplias que los retrovirus pueden ser considerados transposones especializados que aprendieron a saltar de una célula eucariota a otra. En el ciclo de lo retrovirus la información genética contenida en el ARN es copiada en sentido retrógrado (ARN – ADN) por una enzima llamada transcriptasa inversa, y el ADN resultante es insertado en el genoma de la célula infectada. En el hombre los elementos transponibles más abundantes corresponden a los ADN repetitivos dispersos de las familias Alu y L1, cuyas secuencias constituyen aproximadamente el 10% del genoma. Otro mecanismo capaz de crear genes nuevos deriva de la transposición de exones, que al combinar sectores funcionales de dos genes preexistentes puede llevar a la formación de un tercer gen. Por ello se considera que la flexibilidad genómica introducida por los elementos transponibles ha sido fundamental para la evolución. La mayoría de los genes nuevos han aparecido por el mecanismo de duplicación genética seguido por una mutación en la segunda copia del gen. Eso es lo que ha ocurrido con os genes de las globinas α y β, los cuales se formaron a partir de un gen ancestral común. Las duplicaciones genéticas sueles producir seudogenes: Muchos de los genes duplicados no se convirtieron en genes nuevos sino en los llamados seudogenes, que son incapaces de generar ARN. Puesto que no sufren ningún tipo de presión selectiva, estos seudogenes acumulan mutaciones, lo que puede convertirlos en genes funcionales. Los seudogenes procesados se originas por la transcripción inversa de moléculas de ARN: El genoma contiene también seudogenes que no surgen por duplicación genética sino a partir de ARN que fueron copiados a ADN por la transcriptasa inversa e insertados en el genoma. Estos segmentos de ADN (que se conocen como seudogenes procesados) se encuentran normalmente en las células de todos los mamíferos. Están flaqueados por secuencias repetidas de ADN similares a las descritas en los transposones y podrían ser “marcas” dejadas en el genoma por algunos virus portadores de ARN (retrovirus). La inactividad funcional de los seudogenes se debe a que carecen de secuencias reguladoras. LA TRANSCRIPCIÓN DEL ADN: Definición: La transcripción es la síntesis de moléculas de ARN sobre la base de moldes de ADN. A síntesis se produce por la unión entre sí de nucleótidos A, U, C y, que se alinean siguiendo el orden marcado por los nucleótidos complementarios del ADN. Esta complementariedad determinantes T, A, G Y C del ARN se apareen, con las bases T, A, G y C del ADN. El enlace El enlace entre dos nucleótidos consecutivos corresponde a una unión fosfodiéster. Dado que en ella un grupo fosfato liga elC5¨de la ribosa de un nucleótido con el C3¨de la ribosa del nucleótido contiguo, la molécula de ARN siempre resulta polarizada, con un fosfato en su extremo 5¨y un hidroxilo en su extremo 3¨. Las uniones fosfodiéster no se producen espontáneamente; so dirigidas y catalizadas por enzimas específicas llamadas ARN polimerasas. La molécula de ARN se sintetiza por el agregado de un nucleótido por vez: En la célula de ARN en primer lugar, porque se copia solo una de las dos cadenas del ADN, la corre en dirección 3¨- 5¨. Esto permite anticipar que el ARN se sintetiza a partir de su extremo 5¨y progresa por su extremo 3¨. En segundo lugar, porque los ribonucleótidos se agregan de a uno por vez, lo que hace innecesaria la separación de las dos cadenas del ADN en toda su extensión. Solo se separa un tramo de alrededor d 10 pares de nucleótidos, lo cual, forma en el ADN una burbuja de transcripción que se desplaza a medida que se “leen” sus nucleótidos. Una ARN polimerasa une a los nucleótidos entre sí: Los monómeros con los cuales se construyen las moléculas de ARN se presentan en el nucleoplasma como ribonucleósidos trifosfato /ATP, UTP, CTP y GTP). El comienzo de la transcripción tiene lugar cuando, uno de esos ribonucleósidos establece una unión transitoria con l base complementara del primer nucleótido del gen. En este proceso interviene el promotor gen. El promotor se une a la ARN polimerasa y hace que ésta interactúe con el ADN en el sitio en que debe iniciarse la transcripción, el cual es marcado por el propio promotor. Allí el ARN polimerasa forma una “burbuja”, pues determina la separación localizada de las dos cadenas del ADN y deja expuesto al primero desoxirribonucleótido que va a ser leído. A continuación frente a este desoxirribonucleotido se acomoda a un ribonucleósido trifosfato complementario y su base establece una unión no covalente con la base del desoxirribonucleotido. Luego se arrima un segundo ribonucleósido trifosfato y sus bases se unen. Pero los más importante es que los dos ribonucleotidos que concurrieron a la burbuja quedan juntos, lo cual permite que entre ellos se produzca una unión fosfodiéster y se genere un dinucleótido. Con él se inicia la síntesis de ARN, que prosigue en dirección 5¨- 3¨a medida que se acercan los ribonucleosidos trifosfatos indicados por el ADN. El alargamiento progresivo del ARN e conducido por la misma ARN polimerasa. Esta, además de catalizar las uniones fosfodiéster, se desliza sobre el ADN en dirección 5¨- 3¨y hace avanzar a la burbuja. Lo logra porque separa a los nucleótidos en el lado frontal de la burbuja, en tanto que os de la retaguardia se vuelven a unir. Esto último es posible porque allí el ADN se despliega de los ribonucleótidos. No obstante, el ARN sigue unido a la cadena molde de ADN por medio de los últimos ribonucleótidos incorporados. La transcripción concluye cuando la ARN polimerasa alcanza la secuencia de terminación en el extremo 3¨del gen. En este punto la enzima se libera. También lo hace el ARN, que adquiere el nombre de transcripto primario. En el extremo 5¨, el primer nucleótido del ARN retiene los tres fosfatos, mientras que en el extremo 3¨el último nucleótido presenta un grupo OH libre. La célula posee tres clases de ARN polimerasas: Existen tres tipos ARN polimerasas (llamadas I, II Y IIII) responsables de la síntesis de las distintas clases de ARN. La ARN polimerasa II sintetiza los ARNm y la mayoría de los ARNpn; la ARN polimerasa I, el ARNr 45S; la ARN polimerasa III, el ARNr 5S, los ARNt, el ARNpc y uno pocos ARNpn. Estas polimerasas responden de manera distinta a la acción de un veneno producido por el hongo Amanita phalloides, denominado α-amantina. Así, la ARN polimerasa II es muy sensible al veneno, la ARN polimerasa III es medianamente sensible y la ARN polimerasa I es insensible. TRANSCRIPCIÓN DE LOS GENES DE LOS ARN MENSAJEROS: Los genes que codifican a los ARNm son activados por factores de transcripción: La síntesis de un ARNm dado se produce cuando el gen respectivo, sus secuencias reguladoras y el promotor, se activan por proteínas especiales, llamadas factores de transcripción. Estos se clasifican en específicos y basales. Los factores de transcripción específicos interactúan con el regulador del gen y según con secuencias amplificadoras o inhibidoras del regulador; se dividen en activadores y represores. Los factores de trascripción basales son requeridos por el promotor, pues se unan a la secuencia TATA para comenzar la síntesis del ARNm. Debido a su naturaleza inespecífica, los factores basales son más conocidos que los específicos. Existen varios (denominados TFIID, TFIIA, TFIIB, TFIIF, TFFIIE, TFIIH, etc.), los cuales actúan secuencialmente en el orden en que fueron escritos. El FIID se halla integrado por varias subunidades, una llamada TBP, y las otras, TAF. El proceso se inicia al unirse el TFIID al promotor, por medio de la TBP Esta unió alter la estructura de la cromatina en el promotor, que abandona y forma rectilínea y se pliega hasta formar un ángulo de unos 100°. El cambio atrae tano a los restantes factores de transcripción basales como ala ARN polimerasa II, con la cual esos factores se unieron previamente. Una vez que se ha unido al promotor, la ARN polimerasa II es fosforilada por el TFIIH, que contiene una quinasa. Un ATP dona el fósforo, luego de ser hidrolizado por el TFIIB. A continuación, la ARN polimerasa II fosforilada se desprende de los factores de trascripción y abre la doble hélice del ADN en el sector del gen contiguo al promotor, con lo cual se indica la síntesis del ARNm. Para alargar el ARNm, la ARN polimerasa II necesita dos factores adicionales, Los factores de elongación SII (o TFIIS) y SIII (o elongina). El actor SII es una proteína monomérica de 38 kDa. El factor SIII es un heterotrímero compuesto por las elonginas A, B y C, d 1010 kDa, 18 kDa y 15 kDa. El conjunto de transcriptos primeros de los ARNm se conoce como ARN heterogéneo nuclear o ARNhn. Estos transcriptos no se encuentran libres en el nucleoplasma sino combinaos con diversas proteínas básicas, las cuales se unen a las ARNm a medida que se sintetizan. El conjunto de transcriptos primarios y las proteínas asociadas lleva el nombre de ribonucleoproteína heterogénea nuclear o RNPhn. Se considera que las proteínas actúan como chaperonas que mantienen a los ARNm desplegados. Ello evita que se formen apareamientos entre secuencias de nucleótido complementarios. REGULACION DE LA ACTIVIDAD DE LOS GENES QUE CODIFICAN ARN MENSAJEROS: Los mecanismos más importantes para controlar la actividad de los genes tienen lugar a nivel de la transcripción: Los mecanismos celulares que determinan que proteína ha de sintetizarse, y en qué cantidad, operan en varios niveles, aunque los más importantes son los que controlan la actividad transcripcional de los genes. No obstante, pueden producirse regulaciones después de sintetizado el ARN, durante el procesamiento del transcripto primario. Incluso, más tarde mediante el control de la exportación del ARNm al citoplasma o de su supervivencia en el citosol. Finalmente, en algunos casos las regulaciones ocurren durante la traducción de los ARNm en proteínas o a través de la degradación de las segundas. Los factores de transcripción específicos desencadenan o frenan la transcripción del ADN: La polimerasa II por sí misma no puede iniciar la transcripción del segmento codificador del gen, pues tiene que ser activada por los factores de transcripción basales unidos al promotor. A su vez, esta unión depende de la activación previa de las secuencias reguladoras por factores de transcripción específicos. Como los factores de transcripción basales son os mismos para casi todos los genes, se dice que son constitutivos. En cambio, los factores de transcripción específicos, al ser particulares para cada gen, se califican como facultativos. Los factores de transcripción logran la especificidad mediante la creación de múltiples combinaciones entre ellos, lo cual aumenta el número de posibilidades en forma extraordinaria. Así, debido a que cada gen suele tener varios amplificadores y varios inhibidores, dos o más genes distintos pueden poseer algunos reguladores comunes, aunque nunca la misma combinación. Una vez que los factores específicos se han unido a las secuencias reguladoras, ¿cómo actúan sobre el promotor? Simplemente, el gen se curva y forma una horquilla, los factores específicos unidos a las secuencias reguladoras interactúan con os factores basales situados en el promotor. Ellos es posible porque los factores específicos cuentan con dos dominios, uno que se conecta con el ADN regulador y otro que lo hace con los factores basales, con las subunidades TAF del factor TFIID. Cuando el complejo queda integrado, los factores basales activan a la ARN polimerasa II y ésta inicia la transcripción del gen. Por su parte, los factores específicos disponen el número de polimerasas que harán el trabajo, lo cual regula la cantidad de ARNm que se fabricará. La transcripción de los genes de los ARNm pueden visualizarse con la ayuda del microscopio electrónico: La microscopia electrónica convencional no muestra cono se transcribe los genes. Empero, cuando se dispersa el contenido del núcleo sobre una grilla se ponen en evidencia detalles reveladores. Así, si un gen se transcribe a un ritmo acelerado, puede ser visto junto con chas cadenas de ARNm que surgen perpendicularmente de su molécula. El conjunto se asemeja a un árbol de navidad, cuyo tronco corresponde al gen y las ramas a los ARNm. El alargamiento de las ramas indican la dirección de la transcripción. En el punto en que cada rama se une al tronco se lo localiza una ARN polimerasa II y, se forma una burbuja. Se conocen las bases moleculares de la interacción de los factores de transcripción con el ADN de las regiones reguladoras y promotora del gen: Los factores de transcripción y el ADN de los reguladores y del promotor contienen en sus moléculas información suficiente para unirse entre sí en forma específica. Los factores de transcripción establecen contacto con el ADN mediante grupos químicos complementarios, de un lado aportado por los aminoácidos y del otro por las bases de los nucleótidos. Sí, la especificad de la unión depende de la complementariedad estructural entre las partes interactuantes. Los factores de transcripción se asocian a los reguladores y al promotor del gen a través de átomos expuestos en los surcos del ADN: Visto desde el surco mayor del ADN, cada par de nucleótidos muestra un átomo de oxígeno, uno de hidrógeno y uno de nitrógeno, que son capaces de establecer uniones no covalentes (como puentes de hidrógeno) con átomos de los aminoácido de los factores de transcripción. En cada par de bases esos tres átomos se presentan combinados de manera diferente. La información cifrada en el surco menor del ADN es menos amplia que la del surco mayor, tal vez porque resulta estrecho para la entrada de algunos aminoácidos. Además de estas asociaciones específicas, entre los factores de transcripción y el ADN se producen uniones inespecíficas; n una de ellas participa el esqueleto de fosfatos del AND, y si bien no le confiere especificidad a la unión, la estabiliza. Lo factores de transcripción contienen estructuras dimérca especiales: Las proteínas de los factores de transcripción contienen estructuras diméricas simétricas, las cuales se encastran en los surcos de la doble hélice del ADN. Así, los dímeros ocupan dos vueltas de a doble hélice, con un monómero en cada vuelta. En ese par de vueltas el ADN también presenta asimetría, ya que sus dos mitades muestran secuencias de nucleótidos repetidas en palíndromo. Cada mitad del palíndromo ocupa una de las vueltas del ADN. La dimerización de los factores de transcripción y la simetría del ADN son condiciones necesarias para que los aminoácidos de los primero puedan interactuar con las bases del regulador y del promotor. Los sectores diméricos de sus moléculas forman estructuras secundarias y terciarias con diseños comunes, lo cual permite clasificarlos en un limitado número de familias. Cada factor de trascripción puede tener una, dos o más de esas estructuras, diseñadas para ingresar en los surcos de la doble hélice a nivel del regulador y del promotor del gen. La denominación de las estructuras se basa en las formas que tienen, de ahí que se les llama hélice- vuelta- hélice, dedos de cinc, cremallera de leucia y hélice- bucle- hélice. Hélice- vuelta- Hélice: Esta estructura consta de dos cadenas de aminoácidos con forma de hélice, separadas por una “vuelta” o cadena más corta. Una de las hélices “lee” la secuencia de nucleótidos en el sector regulador del gen (al que se une si lo reconoce) y la otra mantiene la hélice lectora en la posición adecuada. Obviamente, la secuencia de aminoácidos en la hélice lectora (llamada también hélice de reconocimiento) varía en los distintos factores de transcripción. Cuando una hélice- Vuelta- hélice está acompañada por otra simétrica, entre ambas componen un dímero. Cremallera de leucina: Consta de dos cadenas polipéptídicas dispuestas en paralelo, ambas con forma de hélice. Cada cadena posee dos sectores, uno que se une al ADN y otro lo que lo hace con su homólogo, con lo cual se forma un dímero. Los sectores unidos entre sí presentan, cada siete aminoácidos (que corresponden a dos vueltas de la hélice), una leucina que da al interior del dímero. Estas leucinas se encastrarían como los dientes de los cierres relámpago, de ahí el nombre de cremallera. Los sectores no dimerizados poseen una alta proporción de aminoácidos básicos. Dedos de cinc: Cada dominio dl factor de transcripción está compuesto por una secuencia de unos pocos aminoácidos y un átomo de cinc, e cual se liga tetraédricamente a cuatro cisteínas o a dos cisteínas y dos histidinas. Esos dominios se proyectan como dedos, cuyo número y secuencia de aminoácidos varían en los distintos factores de transcripción. Además los dedos de cinc se asocian de a dos para formar dímeros. Los dedos de cinc son las estructuras más difundidas entre los factores de transcripción. Hélice- Bucle- Hélice: Esta estructura tiene una configuración dimérica muy parecida a la cremallera de leucina, pues posee dos cadenas polipeptídicas con dos sectores funcionales en cada una: e específico y el responsable de la dimerización. El primero es rico en aminoácidos básicos. Este diseño se diferencia de la cremallera porque sus partes dimerizadas no se encastran. El enrollamiento de la cromatina influye sobre la actividad de los genes: Aunque puede no ser absolutamente cierto que la transcripción tenga lugar sólo en la cromatina, casi todo los datos sugieren que durante la interfase el empaquetamiento altamente condensado de la cromatina indica ausencia de actividad transcripcional en su ADN. SI bien se acepta que la cromatina de 10 nm es la más apta para la transcripción, la ARN polimerasa no puede actuar i o se desenrollan los tamos de ADN d los nucleosomasa, al menos localmente y mientras dura la transcripción. Los factores de transcripción basales no solo activan al promotor del gen sino también el desarmado de los nucleosomas en la parte inicial del segmento codificador., lo que permite la separación local d las dos cadenas del ADN para que la ARN polimerasa pueda comenzar la transcripción. Los factores de transcripción actúan directa o indirectamente obre las histonas H4, que se modifican y desencadenan la remoción de las otras histonas, comenzando por la H2A y las H2B. Más adelante, la propia ARN polimerasa será la responsable de desenrollar el ADN de los nucleosomas, los cuales se rearman conforme la enzima los deja atrás. Diversos datos revelan que el grado de enrollamiento de la cromatina es regulado por el agregado o la remoción de grupos acetilo, grupos metilo y grupos fosfato en las “colas” de las histonas, las cuales estas expuestas a esos cambios porque se proyectan hacia fuera de los nucleosomas. La acetilación de algunas lisinas de las histonas H3 y H4 disminuye el enrollamiento de la cromatina, lo que favorece el acceso de los factores de transcripción basales al promotor del gen, con la consiguiente puesta en marcha d la actividad genética. En cambio, la desacetilación provoca el efecto contrario, ya que incrementa el enrollamiento de la cromatina y puede llegar a convertirla en heterocromatina. Debe señalarse que el agregado y la remoción de los grupos acetil son catalizados, por acetilasas y desacetilasas localizadas en la matriz nuclear. La metilación y la demetilación, producen efectos opuestos a los de la acetilación y desacetilación. Así, el agregado de grupos metilo a una de las lisinas de la histona H3 aumenta el enrollamiento de la cromatina, mientras que su remoción lo disminuye. La fosforilación y la desfosforilación de ciertas serinas y treoninas localizadas en la “cola” de la histona H1 también producen efectos opuestos a los de la acetilación y la desacetilación. La acetilación, la demetilación y la desfosforilacion de distintas histonas disminuyen e enrollamiento de la cromatina y propician la actividad de los genes. Contrariamente, la desacetilación, la metilación y la fosforilación aumentan el enrollamiento y bloquean la actividad genética. En diversos tipos celulares los promotores de os genes contiene histonas que presentan un combinación particular de estos cambios químicos, lo que sugiere que algunas combinaciones estimulan y otras silencian la actividad de los genes. Ellos han impulsado a los que trabajan en este tema a darle el nombre de código histónico al conjunto de tales combinaciones. En otros tipos celulares diferenciados que se dividen, las células hijas heredan la misma heterocromatina de las células predecesoras, lo cual se repte de generación en generación. Esta estabilidad de la heterocromatina se debe a que los factores que la causan se duplican en las células próximas a dividirse y se reparten entre las células hijas. En algunos casos la actividad génica se inactiva y la cromatina se compacta debido a que intervienen causas adicionales a las citadas. La metilación del ADN influye sobre la actividad génica: Además de las cuatro bases conocidas, en algunos puntos el ADN contiene una quinta, la metilcitosina o mC, que se genera al agregarse un ruo metilo (CG3) a la citosina. La metilación del ADN se halla restringida a citosinas seguidas por guaninas de modo que si en un punto una de las cadenas del ADN contiene el dinucleótido mC-G, la opuesta exhibirá el dinucleótido G-mC. Como es obvio, la mC del dinucleótido mC-G se aparea c la G del dinucleótido G-mC y la G con la mC. Existe una estrecha correlación entre el grado de metilación de los genes y su inactividad transcripcional. Existen genes con promotores que presentan sectores llamados regiones CG debido a que contienen un alta proporción de ese dinucleótido, en las células de la mujer, lo promotores de numerosos genes inactivos pertenecientes al cromosoma X compactado presentan un alto grado de metilación en los dinucleótidos CG. U gen puede estar metilado en un tipo celular pero no en otro. En las sucesivas generaciones celulares, las células de los tejidos diferenciados poseen en sus ADN un patrón de citosinas metiladas virtualmente idéntico al de sus predecesores. La herencia de las mC se debe a que durante la replicación, luego de duplicarse las dos cadenas del ADN, la de las cadenas hijas adquieren un grupo metilo. Esa metilación es dirigida por una enzima llamada metilasa de mantenimiento, que actúa apenas se duplica el ADN. En las células que se diferencian después de dividirse, los patrones de metilación se modifican. Así, los genes inactivos pierden parte de su metilación si se activan. La impronta genómica resulta de la metilación diferente en los alelos de algunos genes, según provengan del padre o de la madre: La impronta genómica involucra a un grupo de genes cuyos dos alelos poseen normalmente patrones de metilación de las citosinas distintos entres í, al compararse el alelo aportado por el padre con el alelo aportado por la madre. Hasta el momento se han identificado más de 40 genes con estas características que son absolutamente normales. Para que la impronta (o marca de procedencia” paterna o materna) de esos genes pueda mantenerse de generación en generación, los genes con impronta materna deben prenderla en las células germinativas masculinas y adquirir el patrón de metilación de los genes con impronta paterna, los cuales no se modifican. En las células germinativas femeninas debe ocurrir lo contrario. Se ignora como en el testículo los genes con impronta materna adquieren el patrón de metilación de sus homólogos paternos, y en el ovario los genes con impronta paterna adquieren el patrón de metilación de sus homólogos maternos. En el testículo la modificación se produce en la etapa perinatal y tiene lugar en las células predecesoras de las espermatogonios. En cambio, en el ovario se produce durante la meiosis I, por lo que tiene lugar en el ovocito I. Para que la embriogénesis sea normal, por cada par de alelos con impronta se requiere que uno tenga la impronta paterna y el otro la materna. Por consiguiente, si en una célula germinativa d uno de los padres se produce una falla e la reprogramación de la impronta, el embrión formado con la participación de la célula tendrá una proporción inadecuada de alelos paternos y maternos y se desarrollará defectuosamente. Reciben el nombre de disomías uniparentales las afecciones congénitas que se producen cuando los dos alelos de un gen con impronta poseen la impronta del padre o la impronta de la madre y no cada alelo la impronta de uno de los padres. TRANSCRIPCIÓN DEL GEN DEL ARN RIBOSOMICO 45S: El ARNr 45S se sintetiza en el nucléolo mediante dos factores de transcripción: la iniciación de las síntesis del ARNr 45S por la ARN polimerasa I requiere dos factores de transcripción, llamados SL1 y UBF. El SL1 se asocia al promotor del gen y el UBF al regulador (amplificador). Luego el SL1 y el UBF se comunican entre sí y forman un complejo cooperativo que da inicio a la transcripción. La transcripción de cada una de las copias del gen del ARNr 45S concluye al arribar la ARN polimerasa I a la secuencia de terminación, rica en timinas. Dado que varias copias del gen se hallan alineadas en tándem, es posible que exista algún tipo en asociación entre la zona de terminación de una copia y el regulador de la copia siguiente, a pesar de estar separadas por un tramo de ADN espaciador que no se transcribe. TRANSCRIPCION DEL GEN DEL ARN RIBOSOMICO 5S: El gen del ARNr 5S se halla fuera del nucléolo y se activa mediante tres factores de transcripción: Las aproximadamente 2000 copias del gen que codifica el ARNr 5S se encuentran fuera del nucléolo. Su transcripción es dirigida por la ARN polimerasa III, que actúa cuando tres factores de transcripción distintos (llamados TFIIIIA, TFIIIB y TFIIIIC) se unen al promotor del gen. El TFIIB contiene varios TAF y la subunidad TP del TFIID. La síntesis del ARNr 5S cesa cuando la ARN polimerasa III arriba a la secuencia de terminación, rica en timinas. TRANSCRIPCIÓN DE LOS GENES DE LOS ARN DE TRANSFERENCIA: Los genes que codifican a los ARNt se activan mediante dos factores de transcripción: La transcripción de las 10 a 100 copias de cada uno de los genes que codifican a los distintos ARNt es dirigida también por la enzima ARN polimerasa II, la cual requiere que se unan al promotor dos factores de transcripción, TFIIIB y TFIIIC. Debido a la presencia de varias timinas consecutivas en el extremo 3¨del gen, la finalización de la síntesis de estos ARN es similar a la de lo ARNr 45S y 5S. TRANSCRIPCION DE LOS GENES DE LOS ARN PEQUEÑOS: Los factores de transcripción que activan a los genes de los ARN pequeños se conocen parcialmente: La mayor parte de los ARNpn son sintetizados por la ARN POLIMERASA II, y unos pocos por la ARN polimerasa III. Se ha descubierto un factor de transcripción llamad SNAPc que se vincula con ambas polimerasas; posee una subunidad TBP y se una a la secuencia TATA o a la secuencia PSE del promotor. La formación de los restantes ARNpn y de los ARNpno no depende de polimerasas ni de factores de transcripción propios, ya que está supeditada a la síntesis de los ARNm donde se hallan los intrones que les dan origen. Respecto del gen del ARNpc, sus múltiples copias son transcriptas por la ARN polimerasa III. Los factores de transcripto de este gen aún no se conocen TRANCRIPCION DE LOS GENES DEL ARNxist, DEL ARNte Y DE LOS miARN: No se conocen acabadamente como se transcriben los genes del ARNxist, del ARNte y de los miARN. TRANSCRIPCION DE LOS GENES EN LAS CÉLULAS PROCARIOTAS: La regulación de la expresión de los genes bacterianos puede tener lugar en el comienzo o en la terminación de la transcripción. El operón Iac es inducido por la lactosa: Puesto que las obtienen su alimento directamente del medio en que viven, los mecanismos que regulan la actividad de sus genes deben adaptarse rápidamente a los cambios en la calidad y cantidad de las moléculas en dicho medio. Un buen ejemplo de control transcripcional lo proporcionan los genes de las enzimas que intervienen cuando la bacteria Escherichia coli utiliza a la lactosa como alimento. La disponibilidad de un sustrato estimula la producción de las enzimas que intervienen en su degradación. Esta regulación (por inducción enzimática) se cumple también en el caso de las enzimas que degradan a otros azúcares y a diversos aminoácidos y lípidos. Las tres enzimas necesarias para el aprovechamiento de la lactosa como alimento son la B-Galactosidasa, la permeasa y la transcetilasa, cuya codificación corresponde una unidad genética común denominada operón Iac. Un operón es un grupo de genes que se encuentran muy próximos entre sí y que son regulados (activados o inhibidos) en forma conjunta por un operador (o) y un promotor (p). Además suele intervenir un gen inhibidor (i); que codifica a una proteína denominada represor. Los genes se hallan en el segmento codificador y son transcriptos en un solo ARNm, que es por eso recibe la denominación de ARN policistrónico. Volviendo al operón Iac, su segmento codificador posee tres genes (llamados Z, Y y A), que codifican a las tres enzimas mencionadas. Es regulado por el represor Iac, un complejo proteico que posee cuatro subunidades idénticas de 40 kDa, codificadas por el gen inhibidor. El represor Iac se une al operador, que está situado cerca del comienzo del gen (de la B-galactosidasa). La unión del represor Iac a operador impide la síntesis del ARNm policistrónico. El represor Iac se une a una secuencia de 21 pares de bases del operador que tiene regiones con simetría doble, de modo que algunos sectores ubicados en el lado izquierdo se encuentras también en el lado derecho, pero n la cadena puesta y dispuestos “en espejo”. La sustancia inductora se une al represor y éste sale del operador: La afinidad del represor por el operador se halla regulada por la sustancia inductora, que es una molécula pequeña que se liga al represor. La sustancia inductora natural del operón Iac es la alolactosa, un metabolito de la lactosa. Cada subunidad del represo tiene un sitio de unión ara la sustancia inductora. Esta le provoca un cambio conformacional y entonces el represor abandona al operador. La presencia de la sustancia inductora hace posible la transcripción del operón. El efecto de la presencia de la lactosa en el medio es espectacular. La ARN polimerasa se une al promotor cuando el represor sale del operador: El promotor es el segmento del gen donde se coloca la ARN polimerasa cuando se inicia la transcripción. Para la unión de la ARN polimerasa son importantes dos sectores: 1) La secuencia conservada TATGTTG, situada entre 6 y 12 nucleótidos antes del sitio de comienzo de la transcripción, presente en casi todos los promotores 2) Una secuencia necesaria localizada a 35 nucleótidos de ese sitio, importante porque si muta se inhibe la expresión del operon Iac. La ARN polimerasa se una a una región del gen de aproximadamente 80 nucleótidos, correspondientes del promotor. La presencia del represor en el operador bloquea a la unión de la ARN polimerasa con el promotor. Así, los represores funcionan de una manera muy simple: al estar unidos al operador impiden la fijación de la ARN polimerasa al promotor. La transcripción del operón Iac está sujeta a un control positivo por parte del AMP cíclico: El AMP cíclico (AMPc) participa en la regulación de la transcripción de los operones. La E.coli posee una proteína receptora para el AMPc llamada CAP. Se trata de una proteína dimérica, que se une al promotor del operón cuando se le asocia al AMPc. Ello hace que la ARN polimerasa también se una al promotor. Así, la ARN polimerasa reconoce al promotor siempre que el complejo AMPc-CAP se encuentre en él. En el operón Iac, además del control negativo ejercido por el represor Iac, existe un control positivo mediado por el complejo AMPc-CAP. El control positivo se registra en la expresión de muchos otros operones. Sin embargo, este control no es necesario para la expresión de los genes que actúan durante la utilización de la glucosa como alimento. En consecuencia, si la E.coli se desarrolla en presencia de glucosa y lactosa, usará solo la primera. Este mecanismo le permite a la E.coli adaptase a su cambiante hábitat natural, el interior del intestino. La transcripción del operón Trp es regulada por dos mecanismos: En la E.coli las cinco enzimas que se requieren para sintetizar el aminoácido triptófano son codificadas por el operón Trp, cuya actividad es controlada por dos mecanismos, conocidos como represión enzimática e interrupción prematura de la transcripción. En la represión enzimática la síntesis del ARNm que codifica a esas enzimas es bloqueada cuando la concentración del triptófano sobrepasa ciertos niveles. Para ello, el represor Trp derivado del gen inhibidor ingresa en el operador e impide que la ARN polimerasa se una al promotor, lo cual detiene la transcripción del gen, y por ende, la producción de las enzimas. Debe agregarse que para que la represora ingrese en el operador se requiere que lo active un correpresor, que en el caso del operón Trp es el propio aminoácido triptófano cuando se halla en exceso. La bacteria posee un mecanismo adicional para regular la actividad del operón Trp, basado en la interrupción prematura de la transcripción. Así, cuando la concentración de triptófano supera ciertos niveles, el operón Trp interrumpe su transcripción y genera un ARNm corto, incapaz de producir las enzimas que se necesitan para sintetizar el aminoácido. El ARNm resulta corto porque su molécula forma un bucle que pone fin a la transcripción. Opuestamente, cuando el Trp bacteriano se halla en cantidad insuficiente, ese bucle no se forma, la transcripción no se interrumpe y se genera un ARNm completo. También existe un control postranscripcional para regular la síntesis de moléculas: La inducción y la represión enzimáticas proporcionan un control general de metabolismo en los procariotas, al activar o inhibir la síntesis de las enzimas bacterianas de acuerdo con las necesidades. Sin embargo, las células poseen mecanismos de regulación más finos pues controlan la actividad, no la síntesis de las enzimas. Lo más comunes son: 1) La inhibición por retroalimentación, por la cual el producto final de un ciclo metabólico actúa como inhibidor alostérico de la primera enzima de la cadena, de modo que cuando se ha sintetizado una cantidad suficiente del producto toda la cadena entre en reposo y se evita la acumulación inútil de metabolitos 2) La activación por precursor: en al cual el primero metabolito de la vía sintética actúa como activador alostérico de la última enzima de la cadena. El control genético (por inducción o por represión) es un tipo de regulación burdo y relativamente lento, mientras que la inhibición por retroalimentación y la activación por precursor son formas finas y casi instantáneas de regulación. El control genético economiza energía, ya que evita la síntesis de enzimas innecesarias. En cambio, el control de la actividad enzimática permite una adaptación casi instantánea del metabolismo celular. EL PROCESAMIENTO DEL ARN: Los ARN son procesados en el núcleo: El procesamiento del ARN es el conjunto de modificaciones que experimentan los transcriptos primarios para convertirse en ARN funcionales. PROCESAMIENTO DE LOS ARN MENSAJEROS: El procesamiento de los ARNm comprende varios cambios: El procesamiento del ARNm comprende la remoción de los intrones y el agregado de dos estructuras, llamadas cap y poli A, la primera en el extremo 5¨y la segunda en el extremo 3¨de la molécula. También se metilan algunas de sus adeninas. Esas modificaciones son necesarias para que los ARNm puedan salir del núcleo y funcionar en el citosol En el extremo 5¨del ARNm se agrega un nucleótido metilado llamado CAP: Al nucleósido trifosfato situado en el extremo 5¨del ARNm naciente se le une un nucleótido metilado, la 7-metilguanosina. Recibe el nombre de CAP y se agrega al extremo 5¨mediante los siguientes pasos: En primer lugar, una enzima específica incorpora una guanosina trifosfato (GTP) al extremo 5¨del transcripto. Esta reacción difiere de las generadas por la ARN polimerasa II en tres aspectos: 1) El nucleótido se agrega en el extremo 5¨de la cadena y no en el extremo 3¨ 2) Entre los nucleótidos se establecen una unión trifofatos y no una unión fosfodiéster. 3) La unción trifosfato liga l C5¨de una pentosa con el C5¨de otra, y no un C5¨con un C3¨como en la síntesis de los ácidos nucleicos. Además, al quedar el nucleótido del Cap invertido, el extremo 5¨del ARNm se convierte en un segundo extremo 3¨. A continuación, otra enzima, la metiltransferasa, toma dos grupos metilo de una molécula donante (la S adenosilmetionina) y los transfiere al ARNm, uno a la guanina del CAP (se forma así la 7 –metilguanosin) y el otro al que ha pasado a ser, luego de la incorporación de la guanosina, el segundo nucleótido del ARN mensajero. El CAP se une al transcripto primario apenas este comienza a sintetizarse, por lo que su incorporación no es postranscripcional sino contranscripcional. El CAP evita la degradación del extremo 5¨del ARNm por fosfatasas o nucleasas y es requerido durante la remoción de los intrones. También es necesario para conectar el ARNm al ribosoma en el comienzo de la traducción. El extremo 3¨del ARNm se poliadenila: La poliadenilacion es el agregado de una secuencia de aproximadamente 250 adeninas (llamada poli A) en el extremo 3¨del ARNm. Dado que en el extremo 3¨de los genes que codifican ARNm no existe una secuencia de terminación de 250 timinas seguida que genera la poli a, este se suma al ARNm de la siguiente manera: Antes que la ARN polimerasa II alcance la secuencia de terminación del gen, varios factores específicos reconocen en el transcripto primario una secuencia llamada señal de poliadenilacion, formada por los nucleótidos AAUAAA. Los factores se llaman CPSF, CSTF, CFI y CFII. Uno de ellos corta el ARNm unos 20 nucleótidos después de la señal de poliadenilacion y el transcripto primario se desconecta del ADN. El resto del gen se transcribe hasta la secuencia de terminación. Volviendo al transcripto primario, una enzima llamada poli A polimerasa agrega a las 250 adeninas en su extremo 3¨, de una por vez. Para ello se requiere la presencia del CPSF y el otro factor, el PABII. A diferencia de la ARN polimerasa II, la poli A polimerasa no necesita un molde de ADN para realizar su trabajo. La poli A es necesaria para proteger el extremo 3¨del ARNm de la degradación enzimática y ayuda al ARNm a salir del núcleo. El extremo 3¨de los ARNm de las histonas no se poliadenila. En cambio, desarrolla una estructura que también protege a la molécula, consistente en una secuencia corte de nucleótidos que se pliega y forma un bucle. La molécula de los ARNm experimenta cortes y empalmes: La remoción de los intrones del transcripto primario se cumple en dos pasas; el primero, el ARNm es cortado entre los intrones y los exones; en el segundo, los intrones son expulsados y los exones se empalman entre sí. Los agentes responsables de los cortes y empalmes en el ARNm son las RNPpn. Cada una de estas ribonucleoproteínas nucleares posee un ARNpn rico en uridinas y diversas proteínas. Existen varias RNPpn. Son diferentes no son en su composición sino también en sus funciones, algunas ajenas a los cortes y los empalmes de los transcriptos primarios. La RNPpn que participan en esos cortes y empalmes son las llamadas U1, U2, U3, U4, U5 Y U6, las cuales concurren al sector del transcripto primario que va a ser procesado y forma un complejo macromolecular denominado espliceosoma. Entre las RNPpn que no participan en los cortes y empalmes de los transcriptos primarios se hallan la U7. El transcripto primario contiene una serie de señales que marcan donde debe cortarse su molécula. Así, en el límite entre el extremo 3¨de los exones y en el extremo 5¨de lo intrones aparece la secuencia G|GU, en la que el dinucleotido GU señala el comienzo del intrón. En el otro límite, es decir, entre el extremo 3¨de los intrones y el extremo 5¨de los exones, aparece la secuencia AG1G, en la que dinuleotido AG marca la terminación del intron. Dado que dentro y fuera de los intrones suele haber otros dinucleótidos GU y AG, por si solos no sirven como señales y deben se complementados por marcas adicionales y, los nucleótidos YNYURAY, en el que Y representa a una pirimida, R a una purina y N a cualquiera de las cuatro nucleótidos. La U y la A se presentan en forma constante. Esta A se llama punto de ramificación y , desempeña un papel central en la emoción de intrones. La eliminación de los intrones y el empalme de los exones se producen en dos etapas: En la primera, la U1 se combina con el extremo 5¨del intrón y la U2 con el tramo de ARN que contiene el punto de ramificación. Esta última combinación depende del tramo rio en pirimidas y consume energía. La U1 corta al ARN entre el extremo 3¨del exón y el GU del extremo 5¨del intrón. Después del corte, el intrón se dobla sobre sí mismo y forma un lazo. Ello se debe a que la U6 se combina con el extremo 5¨ (libre) del intron del intron e induce a la G de ese extremo a ligarse con la A del punto de ramificación. La U6 cataliza la formación de una unión fosfodiester inusual, ya que el C5¨de a G no se liga al C3¨de la A sino al C2¨. Dado que la A retiene en sus flancos a las dos uniones fosfodiester originales, presenta tres de esas uniones y no dos. Por eso se le ha dado el nombre de punto de ramificación. Cuando esta etapa culmina, de un lado queda el primer exón con su extremo 3¨libre y del otro un lazo compuesto por el intron y el exón siguiente. La segunda etapa es dirigida por la U5 y también requiere energía. Dicha ribonucleoproteínas, luego de combinarse con la AG del extremo 3¨del intrón, la cortan en el punto en que se une con el exón y empalma a este último con el exón separado en la etapa anterior. El intron removido, que persiste como un lazo, es finalmente digerido. Algunas adeninas del ARNm se metilan. REGULACION DEL PROCESAMIENTO DE LO ARN MENSAJEROS: El procesamiento de los ARNm es regulado en varios niveles: El control de la transcripción de los genes, es el mecanismo más importante que utiliza la célula para determinar qué tipos de proteínas debe producir y en qué cantidades. No obstante, para controlar la producción De algunas proteínas existen mecanismos accesorios (postranscripcionales) de no menor importancia. Los primeros se cumplen en el interior del núcleo, en algunos casos a través de la regulación del procesamiento del transcripto primario y en otros mediante el control de la salida del ARNm al citoplasma. Corte y poliadenilación diferencial del extremo 3¨del transcripto primario: Uno de los ARN da lugar a una proteína que se segrega (anticuerpo) y el otro a una proteína de mayor longitud, cuya parte suplementaria sirve para anclar el anticuerpo a la membrana plasmática del linfocito B, en la que cumple funciones de receptor. Cortes y empalmes en lugares alternativo del transcriptos primarios: Deben ser realizados con absoluta precisión, pues bastaría que el punto de incisión se corriera un solo nucleótido para que se alteren los codos del ARNm y se inutilice se mensaje. Por otro lado la presencia de intrones convierte al transcripto primario en una molécula bastante versátil, que puede ser cortada y empalmada de diferentes maneras y producir ARNm distinto, es decir, varias clases de proteínas. Así, puede ocurrir que uno o más exones sean removidos (con el resultado de ARNm más cortos), que uno o más intrones no sean excluidos (y queden como partes de los ARNm definitivos). Control de la salida de los ARNm al citoplasma: Se ha postulado que ciertos ARNm no pasan al citoplasma porque son degradados selectivamente en el núcleo o porque se halla impedida su salida por los poros de la envoltura nuclear. LA TRADUCCION DEL ARN (M): SÍNTESIS DE PROTEÍNAS: Los ARNt desempeñan un papel central en la síntesis de las proteínas: La síntesis tiene lugar en el ribosoma, que se arma en el citosol a partir de dos subunidades ribonucleoproteínas provenientes del nucléolo. En el ribosoma, el ARN mensajero (ARNm) se traduce en una proteína, para lo cual se requiere también la intervención de los ARN de transferencia (ARNt). El trabajo de los ARNt consiste en tomar a los aminoácidos del citosol y conducirlos al ribosoma en el orden marcado por los nucleótidos del ARNm, que son los moldes del sistema. La síntesis de una proteína comienza con la unión con la unión entre sí de dos aminoácidos y continua por el agregado de nuevos aminoácidos (de a uno por vez) en uno de los extremos de la cadena proteica. La clave de la traducción reside en el código genético, compuesto por combinaciones de tres nucleótidos consecutivos (o tripletes) en el ARNm. Los distintos tripletes se relacionan específicamente con los 20 tipos de aminoácidos usados en la síntesis de las proteínas. Cada triplete constituye un codón; existen en total 64 codones, 6 de los cuales sirven para cifrar aminoácidos y 3 para marcar el cese de la traducción. Tal cantidad deriva de una relación matemática simple: los cuatro nucleótidos (A, U, C y G) se combinan de a tres, por lo que pueden generarse 64 combinaciones. Dado que existen más codones (61) que tipos de aminoácidos (20), casi todos pueden ser reconocidos por más de un codón, por lo que algunos tripletes actúan como “sinónimos”. Solamente el triptófano y la metionina son codificados, cada uno, por un solo codón. Generalmente los codones que representan a un mismo aminoácido se parecen entre sí y es frecuente que difieran solamente en el tercer nucleótido. La abaja especificidad de este nucleótido ha llevado a decir que existe una “degeneración” en la tercera base de a mayoría de los codones. Resta agregar que el número de codones en el ARNm determina la longitud de la proteína. Existen 31 tipos diferentes de ARNt: Las moléculas intermediarias entre los codones del ARNm y los aminoácidos son los ARNt, los cuales tienen un dominio que se liga específicamente a uno de los 20 aminoácidos y otro que lo hace, específicamente también, con el codón apropiado. EL segundo dominio consta de una combinación de es nucleótidos (llamada anticodón) que es complementaria de la del codón. Cada tipo de ARNt lleva antepuesto el nombre del aminoácido que transporta Por su lado, el ARNt unido al aminoácido compatible con él se designa aminoacil-ARNt’’, en el que “AA” corresponde a la sigla del aminoácido. Si bien pueden existir 61 tipos de ARNt diferentes, solo hay 31. L déficit se resuelve por la capacidad que tienen algunos ARNt de reconocer a más de un codón. Lo logran porque sus anticodones suelen poseer la primera base “adaptable”, es decir, que puede unirse con una base no complementaria situada en la tercera posición del codón. Así la G en la primera posición del anticodón puede aparearse tanto con una C como con una U del Odón. Similarmente, la U en la primera posición del anticodón puede hacerlo con una A o con una G. El codón de iniciación es el triplete AUG: cuya información codifica al aminoácido metionina. Por lo tanto, este codón cumple dos funciones: señala el sitio de comienzo de la traducción (caso en el cual recibe el nombre de codón de iniciación), y cuando se halla en otras localizaciones en el ARNm codifica a las metioninas del interior de la molécula proteica. El especificar el primer aminoácido de la proteína, el codón AUG de iniciación determina el encuadre de los sucesivos tripletes, lo que asegura la síntesis correcta de la molécula. Los aminoácidos se ligan por medio de uniones peptídicas: La unión de los aminoácidos entre sí para construir una proteína se produce de modo que el grupo carboxilo de un aminoácido se combina con el grupo amino del aminoácido siguiente, con perdida de una molécula de H2O, esta combinación se llama unión peptídica. Cualquiera que sea su longitud, la proteína mantiene el carácter anfotérico d los aminoácidos aislados, ya que contiene un grupo amino libre en uno de sus extremos y un grupo carboxilo en el otro extremo. La proteína se sintetiza a partir del extremo que lleva el grupo amino libre. Ellos se corresponden con la dirección 5’ – 3’ usada para la traducción del ARNm, la misma con que el ADN se transcribe. Los ARNm arribados al citoplasma se conectan con ribosomas: En el núcleo los transcriptos primarios de los ARNm se hallan combinados con diversas proteínas, con las que forman las ribonucleoproteínas heterogéneas nucleares o RNPhn. No obstante, muchas de esas proteínas se desprenden de los ARNm a medida que éstos abandonan el núcleo. Los ARNm salen hacia el citoplasma por los poros de la envoltura nuclear. Y en el citosol, cada ARNm se combina con nuevas proteínas y con ribosomas. Entre las proteínas se encuentra la llamada CBP, que se combina con el CAP en el extremo 5’ del ARNm. Algunos ARNm se localizan en sitios prefijados en el citoplasma, de modo que las proteínas que codifican se sintetizan y se concentran en esos sitios. El extremo 5’ de los ARNm contienen una secuencia de alrededor de 10 nucleótidos previa al codón de iniciación que, no se traduce. En algunos ARNm esta secuencia participa en el control de la traducción y en otro regula la estabilidad del ARNm, es decir, se supervivencia. Otra secuencia especial del ARNm, de hasta miles de nucleótidos, suele hallarse después del codón de terminación, entre éste y la poli A. Tiene por función controlar la supervivencia del ARNm. Las moléculas de los ARNt adquieren una forma característica: Los codones del ARNm no seleccionan a los aminoácidos directamente. Durante la traducción esa función la cumplen los ARNt, unas moléculas intermediarias diseñadas para discriminar a los codones y a los aminoácidos compatibles con ellos. Sí, la función principal de los Art es alinear a los aminoácidos siguiendo el orden marcado por los codones del ARNm. Al fin de ejercer sus funciones, los ARNt adquieren una forma característica, primero parecida a una hoja del trébol y luego a la letra L. Los cuatro brazos de la hoja de trébol se generan porque los ARNt poseen cuatro pares de secuencias complementarias que se aparean como lo hacen las dos cadenas del ADN. Los extremos 5’ y 3’ de los ARNt se hallan juntos en la punta de un de los brazos, la cual recibe el nombre de extremo aceptador debido a que acoge al aminoácido. Este se conecta con el último nucleótido del extremo 3’ del ARNt, es decir, con la adenina del trinucleótido CCA formado durante el procesamiento. Los otros brazos de la hoja de trébol presentan es sus partes distales secuencias de 7 a 8 nucleótidos no apareados, con forma de asas, cuya denominaciones derivan de los nucleótidos que las caracterizan. Una de ellas, se conoce como asa T. Otra en virtud de que contiene dihidrouridinas se denomina asa D. La tercera contiene el triplete de nucleótidos del anticodón, por lo que se llama asa anticodón. Existe un asa adicional entre asa T y el asa anticodón. Debido a que su longitud difiere a cada tipo de ARNt, recibe el nombre de asa variable. El plegamiento ulterior de los ARNt hace que dejen de parecerse a una hoja de trébol y adquieren la forma de la letra L. Se debe a que algunos nucleótidos establecen apareamientos inusuales entre sí. Una aminoacil-ARNt sintetasa une al aminoácido al ARNt: El aminoácido se liga a su correspondiente ARNt por la acción de una enzima llamada aminoacil-ARNt sintetasa, que cataliza la unión en dos pasos. Durante el primero, el aminoácido se liga a un AMP, con el cual forma un aminoacil-AMP. AA + ATP AA-AMP + PP En el segundo paso esa energía es utilizada por la aminoacil-ARNt sintetasa para transferir el aminoácido del aminoacil-AMP a la A del extremo aceptador del ARNt compatible, con lo cual se forma una molécula esencial para la síntesis proteica: el aminoacil-ARN’’ que reconoce al codón complementario en el ARNm. AA-AMP + ARNt AA-ARNt´´ + AMP Existen 20 aminoacil-ARNt sintetasas diferentes: Cada una diseñada para reconocer a un aminoácido y el ARNt compatible con él. Ambos reconocimientos permiten que cada uno de los 31 tipos de ARNt se ligue solo a uno de los 20 aminoácidos usados en la síntesis proteica. Ello es posible porque cada aminoacil-ARNt sintetasa identifica al ARNt por el anticodón, la parte más específica del ARNt. No obstante, en los ARNt existen otras señales que son reconocidas por la enzima, generalmente ramos de nucleótidos cercanos al anticodón La existencia de 11 clases de ARNt en exceso (o redundantes) hace que algunos aminoácidos sean removidos por más de un ARNt. Uno de los ARNt redundantes es el llamado ARNt iniciador o ARNt [i], pues transporta a la metionina destinada exclusivamente al codón AUG de iniciación. Los ribosomas están compuestos por dos subunidades: Los mecanismos para alinear a los aminoacil-ARNt’’ de acuerdo con el orden de los codones del ARNm son algo complicados. Requieren de los ribosomas, cuya primera tarea es localizar al codón AUG de iniciación y acomodarlo correctamente para que el encuadre de este triplete y el de los siguientes sea el adecuado. Luego el ribosoma se desliza hacia el extremo 3’ del ARNm y traduce a los sucesivos tripletes en aminoácidos. Estos son traídos por los respectivos ARNt. Las reacciones que ligan a los aminoácidos entre sí, es decir las uniones peptídicas se producen dentro del ribosoma. Finalmente, cuando el ribosoma arriba al codón de terminación en el extremo 3´del ARNm cesa la síntesis proteica y se libera la proteína. Cada ribosoma está compuesto por dos subunidades (una menor y otra mayor), que se identifican con las siglas 40S y 60S. Así, de la dos subunidades del ribosoma, la 60S es la que migra más rápidamente hacia el fondo de tubo por la acción de la fuerza centrífuga. Juntas, las subunidades 40S y 60S forman la unidad 80S, que representan al ribosoma completo. Cada subunidad ribosómica está integrada por una o más moléculas de ARNr más un determinado número de proteínas. Así la subunidad mayor contiene los ARN 28S, 5,8S y 5S más 50 proteínas; la subunidad menor, el ARNr 18S más de 33 proteínas. Las proteínas de la subunidad mayor se denominan L1, L2… y la subunidad menor, S1, S2… Se conocen las estructuras y las funciones de las dos subunidades del ribosoma: La subunidad menor del ribosoma es de forma muy irregular. En una de sus caras (las que se relaciona con la subunidad mayor) existe un canal por el que se desliza el ARNm. Junto al canal se observan tres áreas excavadas contiguas (denominadas sitio A, sitio P y sitio E). La subunidad mayor es también muy irregular. De una de sus caras ((la que se relaciona con el canal y los sitios A, P y E de la subunidad menor) nace un túnel diseñado para que la proteína salga del ribosoma a medida que se sintetiza. Ambas subunidades se reparten el trabajo que realiza el ribosoma. La subunidad menor coloca juntos a los ARNt para que los aminoácidos que transportan se liguen entre sí, es decir, para que se produzcan las uniones peptídicas. En cambio, la subunidad mayor cataliza dichas uniones y asiste a los factores que regulan la síntesis proteica. Los polirribosomas se forman al asociarse una molécula de ARNm con muchos ribosomas: La asociación de un ARNm con varios ribosomas se llama polisoma o polirribosoma. Los ribosomas se encuentran libres en el citosol o adosados a la membrana del RE. Los primeros elaboran proteínas destinadas al citosol, al núcleo, a las mitocondrias o a los peroxisomas. Los segundos elaboran proteínas que se insertan en la membrana del RE o se vuelcan en la luz del organoide; estas proteínas permanecerán en el RE o se transferirán a complejo de Golgi, desde donde pasar a los endosomas, a la membrana plasmática o salir del exterior. LAS ETAPAS DE LA SINTESIS PROTEICA: La síntesis de las proteínas se divide en tres etapas, llamadas de iniciación de alargamiento y de terminación. El comienzo de la síntesis proteica requiere varios factores de iniciación: La etapa de iniciación de la síntesis proteica es regulada por proteínas citosólicas denominadas factores de iniciación (IF), que provocan dos hechos separados pero concurrentes, uno en el extremo 5’ del ARNm y otro en la subunidad menor del ribosoma. El primero involucra al CAP y a una secuencia de nucleótidos aledaña, localizada entre el CAP y el codón de iniciación. Estas partes del ARNm son reconocidas por el factor IF-4, que se liga a ellas si al ARNm s le ha unido la proteína CBP. La conexión del IF-4 con el ARNm insume energía, que es provista por un ATP. En el segundo, el metionil-ARN{i}(met) se coloca en el sitio P de la subunidad menor del ribosoma. Esta reacción requiere el factor IF-2 y gasta la energía de un GTP. Logrados ambos acondicionamientos, otro factor de iniciación, el IF-3, con la ayuda del IF-4 coloca el extremo 5¨del ARNm sobre la cara de la subunidad menor del ribosoma que posee los sitios E, P y A. De inmediato la subunidad menos se desliza por el ARNm y detecta al codón AUG de iniciación, que se coloca en el sitio P. El segundo codón del ARNm queda colocado al lado, en el sitio A. Entre tanto, el metionil-ARNt[i] (met), ubicado en el sitio P de la subunidad menor, se une al codón AUG de iniciación mediante su anticodón CAU (UAC). El acoplamiento correcto entre estos dos tripletes es imprescindible para asegurar el encuadre normal de los siguientes codones del ARNm en los sitios E, P y A de la subunidad menor del ribosoma. La etapa de iniciación concluye cuando la subunidad mayor se une a la subunidad menor y se forma el ribosoma. En él se encuentran los dos primeros codones del ARNm; en el sitio P, el codón AUG de iniciación y en el sitio A, el codón que le sigue. La unión entre sí de las dos subunidades ribosómicas se produce a instancias del factor IF-5, que actúa después que se desprenden los factores IF-2 e IF-3. El alargamiento de la cadena proteica es promovido por factores de elongación: La etapa de alargamiento de la síntesis proteica es regulada por factores de elongación (EF). Comienza con el ingreso en el ribosoma de mi aminoacil-ARNt’’ cuyo anticodón es complementario del segundo codón del ARNm, el cual, se localiza en el sitio A. En seda el aminoacil-ARNt’’ se ubica en ese sitio y su anticodón se conecta con el segundo codón del ARNm. Lo hace mediante el factor de elongación EF-1 y la energía suministrada por un GTP. El aminoacil-ARNt’’ recién llegado y el metionil-ARN[i] (met) del sitio P quedan uno al lado del otro, al igual que sus aminoácidos. Esta vecindad es necesaria para que ambos aminoácidos puedan ligarse entre sí por medio de un a unión peptídica, hecho que ocurriría en breve tiempo. Previamente el ribosoma se corre tres nucleótidos en dirección del extremo 3’ del ARNm, a causa de lo cual el codón de iniciación (y el metionil-ARN[i] (met)) se transfiere del sitio p al sitio E, el segundo codón (y el amicoacil-ARNt’’) se transfiere del sitio A al sitio P, y el tercer codón del ARNm se ubica en el sitio A vacante. Este corrimiento, que se denomina translocación, depende del factor de elongación EF-2 y de la energía suministrada por un GTP. Apenas el metionil-ARNt[i] (met) ingresa en el sitio E, su metionina se descopla del ARNt [i] y se liga (por medio de un a unión peptídica) al aminoácido del aminoacil-ARNt’’ubicado en el sitio P. El dipeptidil-ARNt que se forma reemplaza al aminoacil-ARNt’’ en el sitio P. Despues de perder la metionina, el ARNt [i] se desconecta del codón de iniciación, abandona el sitio E y se encamina hacia la salida del ribosoma, lo que determina el fin del primer episodio del alargamiento del proteína. El segundo comienza cuando un nuevo aminoacil-ARNt’’ ingresa en el ribosoma, se ubica en el sitio A y su anticodón se conecta con el tercer codón del ARNm, otra vez mediante el factor de elongación EF-1 y la energía de un GTP. Luego, debido a que el ribosoma se vuelve a translocar, el dipéptidil-ARNt y el aminoacil-ARNt’’ se trasladan de los sitios P y A a los sitios E y P, y el cuarto codón del ARNm se ubica en el sitio A vacante. Al cabo de la translocación se produce la segunda unión peptídica, ahora entre el dipéptido del dipeptidil-ARNt y el aminoácido del tercer aminoacil-ARNt’’. El tripeptidil-ARNt que se forma queda ubicado en el sitio P. Mientras tanto, el ARNt que cedió el dipéptido abandona el sitio E y se dirige a la salida del ribosoma, lo que determina el fin del segundo episodio del alargamiento de la proteína. Lo que curre durante los dos primero episodios de a etapa de alargamiento de la síntesis proteica se repite en los siguientes. Por consecuencia, durante el tercer episodio se forma un tetrapeptidil-ARNt, y luego peptidil-ARNt cada vez más largos, cuyas localizaciones alternan en los sitios P y E a medida que se producen las translocaciones y se suceden las uniones peptídicas. La energía que se gasta durante la formación de cada unió peptídica proviene de la ruptura de la unión química entre el ARNt ubicado en el sitio E y su aminoácido. El formarse cada aminoacil-ARNt’’, la unión del aminoácido en el extremo aceptador del ARNt consume la energía suministrada por un ATP. Por lo tanto, la energía que emplea la subunidad mayor el ribosoma para unir a los aminoácidos es aportada, por ese ATP. Con cada translocación el ribosoma se aleja del extremo 5’ del ARNm y se acerca al extremo 3’. Cabe agregar que cuando el ribosoma se halla a unos 30 codones del codón de iniciación, éste es abordado por un segundo ribosoma y comienza la síntesis de una nueva copia de la proteína. Puesto que ello se repite muchas veces, al cabo de un tiempo se encuentran múltiples ribosomas a lo largo de todo el ARNm, separados entre sí por períodos de 30 codones. Esta asociación recibe el nombre de polirribosoma. La síntesis proteica concluye cuando el ribosoma alcanza el codón de terminación: La etapa de terminación de la síntesis proteica es regulada por factores de terminación (identificados con la sigla eRF) y tienen lugar tras la última translocación, es decir, cuando el codón de terminación del ARNm (UAA, UGA o UAG,) llega al sitio A del ribosoma. Debido a que ello deja al sitio A sin el esperado aminoacil-ARNt’’, lo ocupa el factor eRF-1, que es capaz de reconocer a los tres codones de terminación. Ante la ausencia de un nuevo aminoacil-ARNt’’, el polipéptido del peptidil-ARNt se despliega del último ARNt y se independiza del ARNm y del ribosoma. El desprendimiento del polipéptido depende del factor eRF-3. Además requiere energía, que es tomada de un GTP. De inmediato las subunidades menor y mayor del ribosoma se separan del ARNm. En el citosol integran un fondo común que abastece de subunidades ribosómicas para la formación de nuevos ribosomas en el mismo ARNm o en otros que se están traduciendo o que van a comenzar a hacerlo. El número de ribosomas en el polirribosoma, es decir, la suma de sitios en los que tiene lugar la síntesis de una proteína, se mantiene en forma relativamente constante. Es que cuando un ribosoma abandona el extremo 3’ del ARNm, se ensambla otro en el extremo 5’. Dos temas médicos vinculados con la actividad de los ribosomas: Al ser invadidas por bacterias, las células de algunos organismos inferiores elaboran sustancias llamadas antibióticos para defenderse de la infección. En muchos casos los antibióticos logran sus objetivos interfiriendo la síntesis proteica en los ribosomas de las bacterias, lo que las matas. Por ejemplo: el cloranfenicol impide las uniones peptídicas, la tetraciclina no permite que los aminoacil-ARNt’’ingresen en el sitio A, la kirromicina inhibe la actividad de los factores de elongación, la estreptomicina afecta el inicio de la traducción y distorsiona la fidelidad de la síntesis, la eritromicina bloquea la translocación del ARNm y la puromicina usurpa el sitio A del ribosoma, de modo que la cadena peptídica se liga al antibiótico y no a un aminoacil-ARNt’’, lo que interrumpe su síntesis. La metionina situada en el extremo amino de la proteína suele ser removida: La traducción del ARNm se produce en dirección 5’ – 3’ y que el aminoácido cifrado por el codón de iniciación, en el extremo 5’ del ARNm, es una metionina. Por lo tanto, a ella pertenece el grupo amino libre de la cadena proteica en formación. Esta metionina usualmente es removida, de manera que el segundo aminoácido pasa a la primera posición. Las proteínas emanadas de los ribosomas portan señales que las conducen hacia sus lugares de residencia: Un tráfico tan selectivo obligo a las proteínas surgidas de los ribosomas a portar señales que las conduzcan a los organoides apropiados, y éstos deben poseer receptores específicos que reconozcan a esas señales. En las proteínas las señales están representadas por unas secuencias cortas de aminoácidos denominadas péptido señal. La existencia de chaperonas asegura la correcta formación de estructuras secundarias y terciarias de las proteínas. REGULACIÓN DE LA TRADUCCIÓN DE LOS ARN MENSAJEROS Y DE LA DEGRADACIÓN DE LAS PROTEÍNAS: La síntesis proteica, la supervivencia de los ARNm y la degradación de las proteínas son reguladas. Existen mecanismos generales y específicos que regulan el tiempo y el ritmo de producción de las proteínas: Existe un control general o inespecífico de la traducción. Parece depender del factor de iniciación IF-2, cuya fosforilación por una quinasa especifica lo hace inoperable. Como consecuencia, la síntesis de todas las proteínas celulares decae. El control particular o específico de la traducción de los ARNm opera de otra manera. Debido de sustancias reguladoras que suelen modificar la configuración de un tramo de nucleótidos no traducibles, localizados entre el CAP y el codón de iniciación. La degradación de los ARNm suelen ser regulada por factores que actúan en el extremo 3’ de sus moléculas: Los mecanismos que regulan la degradación de los ARNm son muy variados. En la mayoría de los casos se relacionan con secuencias de nucleótidos cercanas al extremo 3’ de los ARNm, localizadas entre el codón de terminación y la poli A. En cambio, en algunos ARNm se vinculan con secuencias cercanas al extremo 5’. Finalmente, en otros ARNm, si bien no se han precisado las secuencias responsables de la degradación, se conocen las sustancias que las inducen. La caseína es una proteína de la leche producida por las células de las glándula mamaria es respuesta a ciertas hormonas, principalmente a prolactina. Se ha observado que la concentración del ARNm de la caseína crece considerablemente en el citosol ante la presencia de esa hormona, porque aumenta su estabilidad e n el citoplasma. Contrariamente, cuando desaparece la prolactina se acelera la degradación del ARNm de la caseína. El modo como se regula la degradación de los ARNm de la tubulina dimérica se basa en la concentración de sus productos proteicos, es decir, de sus subunidades α y. Cuando en el citosol el nivel de estas proteínas es suficiente, una molécula se une a los primeros aminoácidos de las cadenas proteicas que emanan de los ribosomas y ello activa a una nucleasa especifica que degrada a los ARNm de las tubulinas. Se trata de un mecanismo autorregulatorio. En la sangre el hierro es transportado por una proteína llamada transferrina. Esta, ingresa en el citoplasma por endocitosos previa interacción con el receptor de la transferrina, localizado en la membrana plasmática. Cuando la cocnentración de hierro aumente en el citosol, el número de receptos para la tranferrina disminuye. Los receptores caen debido a que el ARNm que los codifica es degradado por una nucleasa específica. En este mecanismo regulatorio también interviene la aconitasa, ya que a unirse a una señal ubicada en el extremo 3’ del ARNm, consistente en cinco bucles de ARN con una secuencia CAGUG encada uno, impide la acción de la nucleasa. Ello ocurre cuando desciende la concentración del hierro. Al disminuir el hierro en el citosol actúan dos mecanismos regulatorios simultáneos, uno que baja la concentración de la ferritina y otro que aumenta el número de receptores para la transferrina. N el primero se bloque la traducción de un ARNm y en el segundo se impide la degradación de otro. En ambos intervienen una misma molécula, aunque en sectores diferentes de los ARNm. La corta supervivencia de los ARNm de muchas proteínas, que no superan los 30 minutos, se debe a la presencia en su extremo 3’ de secuencias de unos 50 nucleótidos ricas en A y U, localizadas entre el codón de terminación y la poli A. La vida media del ARNm de la B-globina, que es de unas 10 horas, depende de la integridad de su poli A. El acortamiento gradual de estas secuencias mediante nucleasas reduce el tiempo de vida del ARN mensajero. La supervivencia de los ARNm que codifican a las histonas depende del momento del ciclo en que se halla la célula. En la fase S la vida media de estos ARNm es de una hora, pero cuando concluye la replicación del ADN se reduce a unos pocos minutos. En la mayoría de los ejemplos citados el tiempo de vida de los ARNm depende de secuencias especiales presentes en sus extremos 3’, donde suele comenzar la degradación. Debe agregarse que las células generan unos ARN pequeños que probablemente participan en la destrucción de ARNm. Se denominan microARN o miARN. La degradación de las proteínas también es regulada: La supervivencia de ciertas proteínas de vida breve depende de señales presentes en sus moléculas. Las señales utilizadas para degradar muchas proteínas de vida corta son secuencia de aminoácidos llamadas PEST, ricas en prolina (P), ácido gletámiico (G), serina (S) y treonina (T). Estas señales son reconocidas por la ubiquitina, cuya intervención es imprescindible para que se degraden las proteínas en los proteasomas. Las poliproteínas se procesan de manera diversa según el tipo celular que las produce: Algunos ARNm codifican poliproteínas. Estas se procesan de manera diferente según la célula que las produce. Un ejemplo de poliproteína es la prohormona proopiomelanocortina (POMC), que en las células adrenocorticotropas del lóbulo anterior de la hipófisis genera corticotropina (ACTH) y B-lipotropina (B-LPH), y en las células de la parte intermedia de la misma glándula produce B-endorfina (B-EP), Y-lipotropina (Y-LPH) y las dos formas de la hormona estimulante de los melanocitos, identificadas con las siglas α- MSH y B-MSH. FALTA EL ÚLTIMO TEMA (MITOSIS, MEIOSIS, ETC…) No llegue, sepan disculpar