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3.4C: Empaquetado de ADN - Biología

3.4C: Empaquetado de ADN - Biología



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El empaquetado de ADN es un proceso importante en las células vivas. Sin él, una célula no puede acomodar la gran cantidad de ADN que se almacena en su interior.

Objetivos de aprendizaje

  • Describir cómo el ADN se empaqueta de manera diferente en procariotas y eucariotas.

Puntos clave

  • En las células eucariotas, la síntesis de ADN y ARN se produce en un lugar diferente al de la síntesis de proteínas; en las células procariotas, ambos procesos ocurren juntos.
  • El ADN está "superenrollado" en las células procarióticas, lo que significa que el ADN está subenrollado o sobreenrollado desde su estado relajado normal.
  • En las células eucariotas, el ADN se envuelve alrededor de proteínas conocidas como histonas para formar estructuras llamadas nucleosomas.

Términos clave

  • nucleosomas: La subunidad fundamental de la cromatina, compuesta por un poco menos de dos vueltas de ADN envueltas alrededor de un conjunto de ocho proteínas llamadas histonas.
  • histonas: Los principales componentes proteicos de la cromatina, que actúan como bobinas alrededor de las cuales se enrolla el ADN.

Un eucariota contiene un núcleo bien definido, mientras que en los procariotas el cromosoma se encuentra en el citoplasma en un área llamada nucleoide. En las células eucariotas, la síntesis de ADN y ARN se produce en un compartimento separado de la síntesis de proteínas. En las células procariotas, ambos procesos ocurren juntos. ¿Qué ventajas podría tener separar los procesos? ¿Qué ventajas podría tener que ocurran juntos?

El tamaño del genoma en uno de los procariotas mejor estudiados, E. coli, es de 4,6 millones de pares de bases (aproximadamente 1,1 mm, si se corta y se estira). Entonces, ¿cómo encaja esto dentro de una pequeña célula bacteriana? El ADN se tuerce mediante lo que se conoce como superenrollamiento. Superenrollamiento significa que el ADN está subenrollado (menos de una vuelta de la hélice por cada 10 pares de bases) o sobreenrollado (más de 1 vuelta por cada 10 pares de bases) desde su estado relajado normal. Se sabe que algunas proteínas están implicadas en el superenrollamiento; otras proteínas y enzimas como la ADN girasa ayudan a mantener la estructura superenrollada.

Los eucariotas, cuyos cromosomas consisten cada uno en una molécula de ADN lineal, emplean un tipo diferente de estrategia de empaquetamiento para encajar su ADN dentro del núcleo. En el nivel más básico, el ADN se envuelve alrededor de proteínas conocidas como histonas para formar estructuras llamadas nucleosomas. Las histonas son proteínas conservadas evolutivamente que son ricas en aminoácidos básicos y forman un octámero. El ADN (que está cargado negativamente debido a los grupos fosfato) se envuelve firmemente alrededor del núcleo de las histonas. Este nucleosoma está vinculado al siguiente con la ayuda de un ADN enlazador. Esto también se conoce como estructura de “cuentas en una cuerda”. Esto se compacta aún más en una fibra de 30 nm, que es el diámetro de la estructura. En la etapa de metafase, los cromosomas son más compactos, de aproximadamente 700 nm de ancho, y se encuentran asociados con proteínas de andamio.

En la interfase, los cromosomas eucariotas tienen dos regiones distintas que se pueden distinguir por tinción. La región compacta se conoce como heterocromatina y la región menos densa se conoce como eucromatina.

La heterocromatina generalmente contiene genes que no se expresan y se encuentra en las regiones del centrómero y los telómeros. La eucromatina generalmente contiene genes que se transcriben, con ADN empaquetado alrededor de nucleosomas pero no más compactado.


Estructura, replicación y tecnología del ADN: empaquetado del ADN

Sabes cuando tu habitación se ensucia y finalmente decides (es decir, tu mamá te grita) limpiarla poniendo libros en el estante, ordenando los papeles en carpetas y limpiando al estibador muerto al que tus amigos prometieron no hablar nunca. ¿sobre? Después de ese punto, ¿no parece tu habitación mucho más espaciosa que cuando tenías toda esa basura esparcida por el lugar?

A la celda también le gusta mantener las cosas ordenadas, ordenadas y sin estibadores. Contiene ADN para que no ocupe demasiado espacio. Si tuviera que estirar todo el ADN de su cuerpo de un extremo a otro, sería aproximadamente 1.2 × 10 10 millas, que son aproximadamente 70 viajes al Sol y viceversa. Debido a un litigio pendiente, Shmoop ya no puede fomentar la construcción de puentes de ADN hacia el Sol.

Empacados como sardinas

La doble hélice de ADN está muy cargada negativamente debido a todos los fosfatos cargados negativamente en la columna vertebral. Toda esa carga negativa debe ser contrarrestada por una carga positiva, y la célula produce proteínas llamadas histonas que se unen al ADN y ayudan en el empaquetado del ADN. Las histonas son proteínas cargadas positivamente que envuelven el ADN a través de interacciones entre sus cargas positivas y las cargas negativas del ADN. El ADN de doble hebra gira alrededor de 8 histonas dos veces, formando la nucleosoma, que es el componente básico de envasado de cromatina.

El ADN se puede empaquetar aún más formando espirales de nucleosomas, llamados fibras de cromatina. Estas fibras se condensan en cromosomas durante mitosis, o el proceso de división celular. Sin embargo, el embalaje de cromatina dentro cromosomas con el que estamos más familiarizados ocurre solo durante unas pocas etapas de la mitosis. La mayoría de las veces, el ADN está empaquetado de forma suelta.

Histonas: ADN Tupperware TM

Histonas son proteínas cargadas positivamente que facilitan el empaquetado de ADN en condensado fibras de cromatina. Básicamente son el empaque de ADN de Tupperware TM y vienen en muchos colores amigables con la cocina. Las histonas tienen muchos aminoácidos de arginina y lisina que se unen fácilmente al ADN cargado negativamente, según el principio de Paula Abdul de que los opuestos se atraen. Solo bromeaba sobre la última parte. El ADN tiene una carga muy negativa debido a que el grupo fosfato de cada nucleótido está cargado negativamente.

Las histonas se dividen en dos grupos:

Histonas centrales son H2A, H2B, H3 y H4, donde dos dímeros H3 / H4 (H3 y H4 enganchados) y dos dímeros H2A / H2B (estos dos enganchados) forman el octamer (los ocho tipos juntos). Enlazador histona H1 básicamente bloquea el ADN en su lugar en el nucleosoma y se puede quitar por transcripción mientras que la histona enlazadora H5 es una variante de H1 utilizada predominantemente en aves.

¿Es eso confuso? Bueno, se pone peor. H1, H2A, H2B, H3, H4 y H5 son nombres que definen familias de proteínas. Las proteínas de histona individuales son específicas para ciertos tipos de ADN o ciertos tipos de células. Así como H5 es la versión aviar de H1, existen proteínas histonas individuales que empaquetan ciertas regiones del ADN, o empaquetan el ADN en específicos tipos de tejido. Al igual que no pondría una olla gigante de chile en pequeños recipientes Tupperware (o tal vez lo haría ... tratamos de no juzgar, ¿pero en serio?), Las histonas específicas son importantes para partes específicas del ADN.

Un aspecto importante de las histonas es que se pueden cambiar para alterar la capacidad de empaquetado del ADN. Hay varias modificaciones que afectan la forma en que se empaqueta el ADN. Los tres tipos principales de modificaciones se pueden ver en la siguiente tabla.

ModificaciónEstructura de modificación (R = grupo funcional químico)CargarEfecto
MetilaciónR-CH3NeutralAumenta el embalaje
AcetilaciónR-COCH3NegativoDisminuye el empaque
FosforilaciónR-PO4NegativoDisminuye el empaque

Normalmente, las histonas son moléculas cargadas positivamente y la adición de grupos metilo (metilación) los hace más hidrofóbico (odia el agua). Las moléculas hidrofóbicas tienden a pegarse y aumentar la metilación de histonas hacen que las histonas se compacten aún más de lo habitual.

Acetilación (agregando un grupo acetilo) y fosforilación (agregando un grupo fosfato) hacen que las histonas tengan una carga más negativa porque los grupos acetilo y fosforilo son negativos. Son moléculas "el vidrio está medio vacío". Al hacer que las histonas tengan una carga más negativa, su control sobre el ADN será mucho más flexible porque el ADN también está cargado negativamente. Cargas similares (negativas y negativas) se repelen entre sí.

Bloqueo: Edición de ADN

Una de las ventajas de empaquetar ADN es que puede separarlo en cosas que usa mucho y cosas que no. A menos que seas un acumulador maníaco, cada otoño, guardas tu ropa de verano para cosas más apropiadas para el invierno. De la misma manera, ciertas partes del ADN solo son importantes en determinados momentos. Sin embargo, algunas cosas se necesitan durante todo el año, como zapatos, por lo que no tiene sentido guardar esas cosas. La célula hace lo mismo con el ADN.

Las regiones que son necesarias para la producción de proteínas y que son importantes para la célula se agrupan libremente y se denominan eucromatina. Al tener un empaquetamiento suelto de ADN en eucromatina, las proteínas involucradas en transcripción puede entrar fácilmente y producir ARN (consulte la sección de genes a proteínas para obtener más detalles). Por otro lado, algunas regiones de ADN no las necesitas excepto en ocasiones especiales, como ese traje de terciopelo que tienes y que nunca te pones. Estas regiones se llaman heterocromatina y están estrechamente empaquetados a través del ADN, así como a través de buenos metilación de histonas.

Enzimas que agregan grupos acetilo a las histonas se les llama histonas acetiltransferasas (HAT) mientras que los que eliminan los grupos acetilo se denominan histonas desacetilasas (HDAC). Las enzimas que agregan grupos metilo se denominan histonas metiltransferasas (HMT). La actividad de estas enzimas afecta si las regiones del ADN están empaquetadas de forma compacta y no pueden transcribir, o están sueltos y, por lo tanto, muy transcritos.

Sin embargo, la metilación de histonas es un concepto complicado porque, por lo general, metilación de histonas va junto con la metilación de citosinas en el ADN, llamado Metilación del ADN. Juntos, estos procesos crean regiones de ADN que no se pueden transcribir. Sin embargo, a veces, la metilación de aminoácidos cargados positivamente en histonas promueve activación transcripcional, pero solo cuando el ADN no está metilado. La metilación del ADN y modificaciones de histonas que afectan transcripción son el foco de estudio llamado epigenética.

Cuando la célula está pasando por el proceso de mitosis, embalaje de cromatina es importante, y este empaquetamiento se realiza empaquetando el ADN en condensado fibras de cromatina hasta el punto en que son los reconocidos cromosomas que conocemos y amamos ... o "realmente nos gusta", si no está preparado para hacer ese tipo de compromiso. Estos cromosomas se dividen en Células hijas, y una vez completada la mitosis, el ADN se desempaqueta para transcripción puede ocurrir de nuevo. Por lo tanto, podemos pensar en la mitosis como un gran día en movimiento de ADN. El empaque comienza con HDAC y HMT ajustando el empaque, y una vez que se completa la mitosis, HAT y fosforiltransferasas (HPT) reducir el embalaje.


Nuevos métodos bioinformáticos para toxicoepigenetics

Raymond G. Cavalcante,. Maureen A. Sartor, en Toxicoepigenetics, 2019

Descripción general de las tecnologías basadas en 3C

La tecnología de captura de conformación cromosómica (3C) es esencial para comprender las interacciones físicas entre los elementos reguladores distales y los promotores de genes (Tolhuis et al., 2002 Stamatoyannopoulos, 2016 Dixon et al., 2012 Nora et al., 2012 Hsieh et al., 2015, 2016). Se han desarrollado múltiples ensayos derivados de 3C con varios alcances y resoluciones, incluida la captura de conformación cromosómica circular (4C) (Splinter et al., 2012), la captura de conformación cromosómica copia carbón (5C) (van Berkum y Dekker, 2009), Hi- C (Belton et al., 2012), y análisis de interacción de cromatina con secuenciación de etiquetas de extremo emparejado (ChIA-PET) (Fullwood y Ruan, 2009). Todos los enfoques comparten los primeros tres pasos básicos en la preparación de la biblioteca (entrecruzamiento, digestión y ligación), pero varían en los protocolos posteriores que conducen a diferentes escalas de datos de enlace cromosómico: 4C detecta contactos entre un sitio genómico seleccionado ("punto de vista" ) con todos los demás posibles fragmentos genómicos (uno frente a todos) 5C determina simultáneamente interacciones entre cualquier secuencia (muchas frente a muchas), sin embargo, sufre una resolución más baja que 4C, Hi-C o ChIA-PET debido a la limitación de su diseño de cebador Hi- C es el primer método "todo-para-todos" que permite la identificación de todas las posibles interacciones genómicas. una proteína de unión al ADN elegida (Denker y de Laat, 2016 Li et al., 2014 Davies et al., 2017 Schmitt et al., 2016). Las aplicaciones apropiadas de los diferentes métodos dependen de los objetivos específicos del estudio: 3C y 4C son adecuados para la confirmación de un pequeño número de interacciones, mientras que 5C y Hi-C son buenos para descifrar la estructura 3-D de la cromatina, y ChIA-PET ofrece la más alta resolución (de 100 pb a 1 kb) de interacciones todo-a-todo unidas por la misma proteína de interés (Davies et al., 2017 Dekker et al., 2013). Actualmente, ChIA-PET y Hi-C son métodos de uso frecuente para investigar la disposición de la cromatina en todo el genoma.


Los investigadores revelan el funcionamiento interno de un motor de empaquetado de ADN viral

Cinco proteínas, que se muestran aquí en diferentes colores, forman un motor de empaquetado de ADN viral. Crédito: Universidad de Duke

Los investigadores han descubierto el funcionamiento interno del motor molecular que empaqueta el material genético en virus de ADN de doble hebra. El avance proporciona información sobre un paso crítico en el ciclo de reproducción de virus como la viruela, el herpes y los adenovirus. También podría inspirar a los investigadores a crear máquinas microscópicas basadas en biomotores naturales.

La investigación financiada por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. Fue realizada por científicos de la Universidad de Duke, la Universidad de Minnesota, la Universidad de Massachusetts y la Rama Médica de la Universidad de Texas. Los resultados aparecen en una trilogía de artículos publicados en Avances de la ciencia, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias y Investigación de ácidos nucleicos.

"Faltaban varias piezas de información que nos impidieron comprender cómo funcionan estos tipos de motores de empaquetamiento de ADN, lo que obstaculizó nuestra capacidad para diseñar terapias o desarrollar nuevas tecnologías", dijo Gaurav Arya, ingeniero mecánico, ingeniero biomédico y químico de Duke and coautor de los artículos. "Pero con nuevos conocimientos y simulaciones, pudimos armar un modelo de este fantástico mecanismo, que es el más detallado jamás creado para este tipo de sistema".

Los virus vienen en muchas variedades, pero su clasificación generalmente depende de si codifican sus planos genéticos en ARN o en ADN monocatenario o bicatenario. La diferencia afecta cómo se empaqueta el material genético en nuevos virus. Mientras que algunos virus construyen un contenedor de proteínas llamado cápside alrededor del ARN o ADN recién producido, otros crean la cápside primero y luego la llenan con el material genético.

La mayoría de los virus de ADN de doble hebra toman la última ruta, lo que presenta muchos desafíos. El ADN está cargado negativamente y no quiere amontonarse en un espacio pequeño. También está empaquetado en una estructura extremadamente densa, casi cristalina, que requiere mucha fuerza.

"El beneficio de esto es que, cuando el virus está listo para infectar una nueva célula, la presión ayuda a inyectar ADN en la célula una vez perforada", dijo Joshua Pajak de Duke. "Se ha estimado que la presión supera los 800 psi, que es casi diez veces la presión en una botella de champán tapada con corcho".

Forzar el ADN en una cápside diminuta a esa presión requiere un motor extremadamente potente. Hasta hace poco, los investigadores solo tenían una vaga idea de cómo funcionaba el motor. "Este trabajo demuestra cómo incluso los virus simples han desarrollado una maquinaria muy compleja", dijo Wilson Francisco, director de programa de la División de Biociencias Moleculares y Celulares de la NSF.

Michael Woodson et al, un motor de empaquetamiento del genoma viral transiciones entre simetría cíclica y helicoidal para translocar dsDNA, Avances de la ciencia (2021). DOI: 10.1126 / sciadv.abc1955

Joshua Pajak et al, Las ATPasas de empaquetamiento viral utilizan un interruptor de glutamato para acoplar la actividad de la ATPasa y la translocación del ADN, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (2021). DOI: 10.1073 / pnas.2024928118


3.4C: Empaquetado de ADN - Biología

En el Capítulo 2a aprendimos cómo algunas enfermedades transmitidas por alimentos son causadas por microorganismos unicelulares que llamamos bacterias. Las bacterias son ejemplos de células procariotas y se diferencian en varios aspectos clave de las células de nuestro cuerpo, que son eucariotas. En este capítulo, primero comparamos estos dos tipos básicos de células y luego descubrimos cómo funcionan las células eucariotas al examinar las estructuras que todas las células del cuerpo humano tienen en común. Comenzamos con la membrana plasmática, el límite externo de una célula, y trabajamos hacia adentro. Después de examinar los diversos orgánulos, pequeñas estructuras dentro de las células que tienen funciones especializadas, exploramos las formas en que las células obtienen la energía que necesitan para hacer su trabajo de hacer funcionar el cuerpo.

Células eucariotas en comparación con células procariotas

La teoría celular es un principio organizador fundamental de la biología que guía la forma en que los biólogos piensan sobre los seres vivos. Una teoría, como recordará del capítulo 1, es una explicación bien documentada y fundamentada de algún aspecto del universo físico. La teoría celular establece que (1) una célula es la unidad de vida más pequeña (2) las células componen todos los seres vivos, desde los organismos unicelulares hasta los multicelulares y (3) las nuevas células solo pueden surgir de células preexistentes.

· Los microscopios nos permiten ver las células y los diversos orgánulos en su interior. Cada orgánulo realiza una función específica para la célula.

Como mencionamos, hay dos tipos básicos de células: células eucariotas y células procariotas. Las células procariotas son estructuralmente más simples y típicamente más pequeñas que las células eucariotas. Se limitan a bacterias y otro grupo de organismos microscópicos llamados Archaea. Probablemente ya conozca las bacterias, algunas de las cuales habitan en su cuerpo. Muchos habitantes bacterianos son inofensivos, pero otros pueden causar enfermedades (véanse los capítulos 2a y 13a). Las arqueas pueden resultarle menos familiares. Incluyen especies que habitan en ambientes extremos como el Gran Lago Salado de alta salinidad o los manantiales calientes de azufre del Parque Nacional Yellowstone. La mayoría de las células procariotas están rodeadas por una pared celular rígida, como se muestra en la Figura 3.1.

FIGURA 3.1. Las células procariotas, como las bacterias, carecen de orgánulos internos unidos a la membrana.

Las células de las plantas, los animales y todos los demás organismos, excepto las bacterias y las arqueas, son eucariotas. Todas las células que componen su cuerpo, por tanto, son eucariotas. La diferencia entre células eucariotas y procariotas se relaciona con la presencia o ausencia de orgánulos unidos a la membrana. Un orgánulo u "órgano pequeño" es un componente dentro de una célula que lleva a cabo funciones específicas. Algunos orgánulos tienen membranas, otros no. Los orgánulos no membranosos, como los ribosomas y los elementos citoesqueléticos, se encuentran tanto en células procariotas como eucariotas. Sin embargo, exclusivos de las células eucariotas son los orgánulos unidos a la membrana, como las mitocondrias y el retículo endoplásmico (figura 3.2). Otro de los orgánulos unidos a la membrana que se encuentran en todas las células eucariotas típicas es un núcleo bien definido que contiene ADN.Tenga en cuenta que en los procariotas, una membrana no rodea el ADN (consulte, nuevamente, la Figura 3.1). Entre los eucariotas, las células vegetales tienen paredes celulares, pero las células animales no. La Tabla 3.1 revisa las principales diferencias entre células eucariotas y procariotas.

FIGURA 3.2. Las células eucariotas, como la célula animal generalizada que se muestra aquí, tienen orgánulos internos unidos a la membrana.

El núcleo es un orgánulo unido a una membrana. Observe de cerca los otros orgánulos de la célula y lea sus funciones. Según la estructura y las funciones de los orgánulos que se muestran, enumere los que cree que son orgánulos unidos a la membrana y los que son orgánulos no membranosos.

Los orgánulos unidos a la membrana incluyen el núcleo, el retículo endoplásmico rugoso, el retículo endoplásmico liso, el complejo de Golgi, la mitocondria y el lisosoma. Los orgánulos no membranosos incluyen ribosomas, microfilamentos, centriolos y microtúbulos.

TABLA 3.1. Revisión de las características de las células procariotas y eucariotas

Plantas, animales, hongos, protistas

Tamaño celular y microscopía

La mayoría de las células eucariotas y procariotas son tan pequeñas que normalmente se miden en micrómetros (pm), que equivalen a 1/1000 metros (m). (Una excepción obvia es el huevo de gallina). El pequeño tamaño de las células viene dictado por una relación física conocida como relación superficie-volumen. Esta relación dice que a medida que una célula se hace más grande, su área de superficie aumenta mucho más lentamente que su volumen (Figura 3.3). Los nutrientes entran en una célula y los desechos salen de la célula en su superficie. Por lo tanto, una célula grande tendría dificultades para mover todos los nutrientes que necesita y todos los desechos que produce a través de su superficie inadecuada y moriría. Una celda pequeña, por otro lado, tiene suficiente superficie para la absorción y eliminación de sustancias y sobreviviría.

FIGURA 3.3. Las células deben permanecer de tamaño pequeño porque la relación entre el área de la superficie y el volumen disminuye rápidamente a medida que aumenta el tamaño de las células.

Debido al pequeño tamaño de la mayoría de las células, necesita un microscopio para verlas. A lo largo de este libro verá micrografías, que son fotografías obtenidas con un microscopio (Figura 3.4). Se pueden obtener imágenes de muestras microscópicas utilizando haces de luz o electrones. Los microscopios ópticos, que se utilizan en muchas aulas, tienen la ventaja de que son relativamente económicos y sencillos de operar. Los microscopios electrónicos, aunque más complejos y costosos, tienen la capacidad de revelar detalles más finos porque la longitud de onda de un haz de electrones es menor que la longitud de onda de la luz visible. Ya sea usando luz o electrones, el rayo puede transmitirse a través de una muestra finamente cortada o rebotar en la superficie de la muestra.

La figura 3.4a es una micrografía de luz transmitida a través de tres células musculares estriadas que se han teñido con tintes biológicos para aumentar el contraste entre diferentes componentes celulares. Los tres núcleos visibles en esta imagen son de color púrpura oscuro porque el tinte utilizado tiene afinidad por los componentes ácidos de la célula, como el ADN. La figura 3.4b es una micrografía electrónica transmitida que muestra la estructura de las células del músculo estriado con más detalle de lo que es posible usando la luz para obtener imágenes del tejido. En este caso, el contraste entre diferentes componentes celulares se produce al teñir el tejido con metales pesados ​​como plomo y uranio. Los diferentes componentes de las células absorben diferentes cantidades de estos metales pesados. Los componentes que absorben fácilmente los metales bloquean diferencialmente el paso del haz de electrones a través de la muestra. La figura 3.4c es una micrografía electrónica de barrido producida al hacer rebotar un haz de electrones en la superficie de varias células musculares estriadas. El rayo se escanea a través de la superficie de la muestra y un detector recoge los electrones que rebotan en la superficie. Para cada punto que se escanea, el número de electrones que llegan al detector se usa para calcular el brillo relativo de ese punto en la muestra. Esta información se utiliza para construir la imagen. Las imágenes producidas con haces de electrones no están en color. Las imágenes que se muestran en las Figuras 3.4by 3.4c se han coloreado para resaltar ciertas características, una mejora que es posible gracias al procesamiento de imágenes asistido por computadora. También se han coloreado otras micrografías del texto.

FIGURA 3.4. Las micrografías son fotografías tomadas a través de un microscopio. Aquí, las células del músculo estriado se han fotografiado usando tres tipos diferentes de microscopio. Los microscopios electrónicos utilizan haces de electrones para producir imágenes con detalles más finos que los que se ven con microscopios ópticos.

Estructura y función celular

La estructura de una célula refleja exquisitamente sus funciones. Por ejemplo, pocas células humanas son más especializadas que los espermatozoides o los óvulos, las células que transportan información genética y otros materiales necesarios para formar un nuevo individuo de la próxima generación. Un espermatozoide está especializado en nadar hacia el óvulo y fertilizarlo. Como tal, un espermatozoide está aerodinámico y equipado con una cola en forma de látigo. En la cabeza de los espermatozoides hay un saco que contiene enzimas que se abre para liberar enzimas que digieren un camino a través de las capas de células que rodean el óvulo. Por el contrario, el huevo es inmóvil y mucho más grande que una célula típica porque está literalmente lleno de nutrientes y otros materiales necesarios para iniciar el desarrollo. Un glóbulo rojo maduro es otro ejemplo de una célula cuya estructura refleja su función. A medida que el glóbulo rojo madura, extruye su núcleo y la mayoría de los orgánulos, dejando más espacio para la hemoglobina, la proteína que transporta el oxígeno. Un glóbulo rojo maduro es, por tanto, una excepción a la regla de que las células eucariotas tienen un núcleo bien definido y otros orgánulos unidos a la membrana. Considere, también, una célula del músculo cardíaco. Esta célula está especializada para la contracción y para propagar la señal de contracción de una célula muscular a la siguiente. Por lo tanto, está lleno de proteínas contráctiles y se une a las células adyacentes mediante uniones especializadas que fortalecen el tejido cardíaco y promueven la conducción rápida de impulsos por todo el corazón. En cada uno de estos casos, el estudio cuidadoso de la estructura de la célula proporciona pistas excelentes sobre su función, y viceversa (Figura 3.5).

FIGURA 3.5. La estructura de una célula refleja su función específica. Estos tipos de células del cuerpo humano ilustran el estrecho vínculo entre estructura y función.

Membrana de plasma

Comenzamos nuestro examen de la célula en su superficie exterior: la membrana plasmática. Esta cubierta exterior extraordinariamente delgada controla el movimiento de sustancias tanto dentro como fuera de la célula. Debido a que las concentraciones de sustancias en el interior de una célula están críticamente equilibradas, no se permite que las moléculas y los iones entren y salgan aleatoriamente.

Tanto las células procariotas como las eucariotas tienen una membrana plasmática, pero solo las células eucariotas también contienen membranas internas que dividen la célula en muchos compartimentos. Cada compartimento contiene su propia variedad de enzimas y está especializado para funciones particulares. En general, los principios descritos para la membrana plasmática también se aplican a las membranas del interior de la célula.

Estructura de la membrana de plasma

La membrana plasmática está compuesta de lípidos, proteínas y carbohidratos. Recuerde del capítulo 2 que los fosfolípidos son los componentes principales de la membrana plasmática. Estas moléculas, con sus cabezas hidrófilas (amantes del agua) y colas hidrófobas (temerosas del agua), forman una doble capa, llamada bicapa de fosfolípidos, en la superficie de la célula (Figura 3.6). Las cabezas hidrofílicas que miran hacia el exterior de la célula interactúan con el líquido extracelular (también conocido como líquido intersticial), que es la solución acuosa fuera de las células. Las cabezas hidrófilas que miran dentro de la célula interactúan con el citoplasma, que es la solución gelatinosa dentro de la célula. El citoplasma incluye todo el contenido de la célula entre la membrana plasmática y el núcleo. Dentro de la bicapa de fosfolípidos, las colas hidrófobas apuntan una hacia la otra y mantienen unida la membrana plasmática.

FIGURA 3.6. La estructura de la membrana plasmática de una célula según el modelo de mosaico fluido.

Intercaladas en la bicapa de fosfolípidos hay proteínas, como se ve en la Figura 3.6. Algunas proteínas están incrustadas en la membrana y algunas de ellas atraviesan la bicapa por completo. Otras proteínas simplemente se unen a la superficie interna o externa de la membrana. Las moléculas de colesterol también se encuentran dispersas por la bicapa.

Como puede ver en la Figura 3.6, los carbohidratos se adhieren solo a la superficie exterior de la membrana plasmática. La mayoría de estos carbohidratos están unidos a proteínas, formando glicoproteínas. Veremos que las glicoproteínas a menudo funcionan en el reconocimiento celular. Otros carbohidratos se unen a los lípidos y forman glicolípidos.

La estructura de la membrana plasmática se describe a menudo como un mosaico fluido. Las proteínas se intercalan entre las moléculas de lípidos como baldosas de diferentes colores dentro de un mosaico. Muchas de las proteínas pueden moverse lateralmente a través de la bicapa hasta cierto punto, lo que le da a la membrana su calidad de fluido.

Funciones de la membrana plasmática

La membrana plasmática realiza varias funciones vitales para la célula. Primero, al imponer un límite entre el entorno interno y externo de la célula, la membrana plasmática mantiene la integridad estructural de la célula. En segundo lugar, la estructura de la membrana plasmática regula el movimiento de sustancias dentro y fuera de la célula, lo que permite la entrada a algunas sustancias pero no a otras. Por esta razón, la membrana se describe a menudo como selectivamente permeable. Leerá más sobre el transporte de materiales a través de la membrana plasmática en la siguiente sección de este capítulo.

La membrana plasmática también funciona en el reconocimiento célula-célula. Las células distinguen un tipo de célula de otro al reconocer moléculas, a menudo glicoproteínas, en su superficie. Las glicoproteínas de membrana difieren de una especie de organismo a otra y entre individuos de la misma especie. Incluso diferentes tipos de células dentro de un individuo tienen diferentes glicoproteínas de membrana. Esta variación permite que el cuerpo reconozca invasores extraños como las bacterias. Su propio cuerpo, por ejemplo, reconocería tales invasores porque las bacterias carecen de las moléculas superficiales que se encuentran en sus células. Las bacterias, a su vez, "leen" las diferentes moléculas de la superficie de sus células para asentarse preferentemente en algunos tipos de células pero no en otras.

Otra función importante de la membrana plasmática es la comunicación entre las células. Dicha comunicación se basa en receptores, proteínas especializadas en la membrana plasmática (o dentro de la célula) que se unen a sustancias particulares que afectan las actividades celulares. Por ejemplo, las hormonas secretadas por un grupo de células pueden unirse a receptores en las membranas plasmáticas de otras células. Los receptores luego transmiten una señal a las proteínas dentro de la célula, que transmiten el mensaje a otras moléculas cercanas. A través de una serie de reacciones químicas, el "mensaje" de la hormona finalmente inicia una respuesta de la célula receptora, quizás provocando que libere una determinada sustancia química.

Finalmente, la membrana plasmática juega un papel importante en la unión de pares o grupos de células. Las moléculas de adhesión celular (CAM) se extienden desde las membranas plasmáticas de la mayoría de las células y ayudan a unir las células entre sí, especialmente durante la formación de tejidos y órganos en un embrión. Las funciones de la membrana plasmática son las siguientes:

• Mantener la integridad estructural de la celda.

• Regular el movimiento de sustancias dentro y fuera de la célula.

• Proporcionar reconocimiento entre células

• Proporcionar comunicación entre células

• Pegar las células para formar tejidos y órganos

De las cinco funciones de la membrana plasmática enumeradas anteriormente, ¿cuál podría explicar la dificultad de trasplantar tejidos y órganos con éxito de un cuerpo a otro? ¿Por qué ocurriría el rechazo de tales trasplantes? ¿En qué circunstancias un cuerpo podría aceptar un injerto de tejido u órgano de otro?

Movimiento a través de la membrana de plasma

Recuerde que una función importante de la membrana plasmática es controlar qué sustancias entran y salen de la célula. Las sustancias atraviesan la membrana plasmática de varias formas. Estos métodos se describen como activos, que requieren que la célula gaste energía, o pasivos, que no requieren ningún gasto de energía por parte de la célula.

Difusión simple . Algunos materiales atraviesan la membrana plasmática de forma pasiva mediante difusión simple, el movimiento aleatorio de una sustancia desde una región de mayor concentración a una región de menor concentración. La concentración es el número de moléculas de una sustancia en un volumen particular, mientras que un gradiente de concentración es una diferencia en el número relativo de moléculas o iones de una sustancia dada en dos áreas adyacentes. El resultado final de la difusión simple es una distribución equitativa de la sustancia en las dos áreas, en otras palabras, la difusión tiende a eliminar el gradiente de concentración. Piense en lo que sucede cuando alguien cocina tocino en la cocina. Al principio, el olor a tocino se localiza en la cocina. Pronto, sin embargo, el olor también impregna las habitaciones contiguas, ya que las moléculas de olor se mueven de donde están más concentradas (la cocina) a donde están menos concentradas (otras partes de la casa). Eventualmente, las moléculas de olor se distribuyen por igual, pero aún se mueven al azar en todas las direcciones. Asimismo, cuando una sustancia se difunde a través de una membrana desde una región de mayor concentración a una región de menor concentración, el movimiento de sus moléculas no se detiene una vez que la concentración se ha igualado. En cambio, las moléculas continúan moviéndose aleatoriamente hacia adelante y hacia atrás a través de la membrana. Sin embargo, la tasa de movimiento en cada dirección es ahora la misma. Sustancias como el dióxido de carbono y el oxígeno se difunden a través de la membrana plasmática de nuestras células (Figura 3.7).

FIGURA 3.7. La difusión simple es el movimiento aleatorio de una sustancia desde una región de mayor concentración a una región de menor concentración.

Difusión facilitada . Las sustancias solubles en agua son repelidas por los lípidos, por lo que no pueden atravesar la bicapa de fosfolípidos por simple difusión. Si van a atravesar una membrana celular, su transporte debe ser asistido o facilitado por ciertas proteínas dentro de la membrana. Algunas de estas proteínas, llamadas proteínas transportadoras, se unen a una sustancia soluble en agua en particular. Tal unión provoca un cambio en la forma de la proteína y tiene el efecto de llevar la sustancia al otro lado de la membrana. Otras proteínas forman canales a través de los cuales pueden moverse ciertas sustancias solubles en agua. La difusión facilitada es el movimiento de una sustancia desde una región de mayor concentración a una región de menor concentración con la ayuda de una proteína de membrana. Las moléculas de glucosa, por ejemplo, entran en las células grasas por difusión facilitada. En este ejemplo, una molécula de glucosa en el líquido extracelular se une a una proteína transportadora en la membrana plasmática, lo que ayuda a mover la molécula de glucosa desde el exterior hacia el interior de la célula adiposa (Figura 3.8). La difusión facilitada no requiere energía y, por lo tanto, es una forma de transporte pasivo.

FIGURA 3.8. La difusión facilitada es el movimiento a través de la membrana plasmática de una sustancia desde una región de mayor concentración a una región de menor concentración con la ayuda de una proteína de membrana que actúa como un canal o una proteína transportadora.

Ósmosis . La ósmosis es un tipo de difusión en la que el agua se mueve a través de una membrana plasmática o cualquier otra membrana selectivamente permeable desde una región de mayor concentración de agua a una región de menor concentración de agua. El movimiento del agua ocurre en respuesta a un gradiente de concentración de una sustancia disuelta (soluto). Considere lo que sucede cuando una sustancia como el azúcar de mesa (en este caso, nuestro soluto) se disuelve en agua (nuestro solvente) en una bolsa membranosa a través de la cual puede pasar el agua, pero no el azúcar. Tenga en cuenta que cuando la concentración de soluto es baja, la concentración de agua es alta y cuando la concentración de soluto es alta, la concentración de agua es baja. Si la bolsa membranosa se coloca en una solución hipertónica, es decir, una solución cuya concentración de soluto es mayor que la del interior de la bolsa, sale más agua de la bolsa que dentro, lo que hace que la bolsa se arrugue (figura 3.9a). Si, por otro lado, la bolsa se coloca en una solución isotónica, una con la misma concentración de soluto (azúcar) que el interior de la bolsa, no hay movimiento neto de agua en ninguna dirección y la bolsa mantiene su forma original (Figura 3.9b). Cuando la bolsa se coloca en una solución hipotónica, en la que la concentración de soluto es menor que la del interior de la bolsa, entra más agua en la bolsa que hacia afuera, lo que hace que la bolsa se hinche y posiblemente explote (figura 3.9c). La ósmosis no requiere energía y, por lo tanto, es una forma de transporte pasivo.

FIGURA 3.9. La ósmosis es la difusión de agua a través de una membrana selectivamente permeable. Los dibujos muestran lo que sucede cuando se coloca una bolsa membranosa a través de la cual puede pasar agua pero no azúcar en soluciones que son (a) hipertónicas, (b) isotónicas o (c) hipotónicas a la solución dentro de la bolsa. El ancho de las flechas negras corresponde a la cantidad de agua que entra y sale de la bolsa. Las fotografías muestran lo que les sucede a los glóbulos rojos cuando se colocan en los tres tipos de soluciones. Los glóbulos rojos normalmente tienen la forma de discos aplanados, como en la parte b.

Los glóbulos rojos se comportan de la misma manera que la bolsa de nuestro ejemplo, como se muestra en la parte inferior de la Figura 3.9. Los glóbulos rojos se mueven a través de un líquido llamado plasma. Como ilustra la figura, la forma de los glóbulos rojos responde a diferentes niveles de concentración de solutos en el plasma.

Transporte activo . El transporte activo es un mecanismo que mueve sustancias a través de las membranas plasmáticas con la ayuda de una proteína transportadora y la energía suministrada por la célula (a través de la degradación del ATP, véase el capítulo 2). Hasta ahora, en nuestra discusión sobre el movimiento a través de las membranas plasmáticas, hemos descrito sustancias que se mueven de regiones de mayor concentración a regiones de menor concentración. Sin embargo, en la mayoría de los casos de transporte activo, las sustancias se mueven de regiones de menor concentración a mayor concentración, como se muestra en la Figura 3.10. Este tipo de movimiento se describe como ir y continuar en contra del gradiente de concentración y ocurre cuando las células necesitan concentrar ciertas sustancias. Por ejemplo, las células de nuestro cuerpo contienen concentraciones más altas de iones de potasio (K +) y concentraciones más bajas de iones de sodio (Na +) que su entorno. A través del transporte activo, las proteínas en la membrana plasmática ayudan a mantener estas condiciones, bombeando iones de potasio hacia la célula y iones de sodio fuera de la célula. En este ejemplo, tanto el potasio como el sodio se mueven de regiones de menor concentración a regiones de mayor concentración.

FIGURA 3.10 El transporte activo es el movimiento de moléculas a través de la membrana plasmática, a menudo desde un área de menor concentración a una de mayor concentración con la ayuda de una proteína transportadora y energía, generalmente en forma de ATP.

Endocitosis . La mayoría de las moléculas pequeñas atraviesan la membrana plasmática por difusión simple, difusión facilitada o transporte activo. Las moléculas grandes, los organismos unicelulares como las bacterias y las gotas de líquido que contienen sustancias disueltas ingresan a las células a través de la endocitosis (figura 3.11).En la endocitosis, una región de la membrana plasmática envuelve la sustancia a ingerir y luego se desprende del resto de la membrana, de esta manera encierra la sustancia en una estructura en forma de saco llamada vesícula. Luego, la vesícula viaja a través del citoplasma. Dos tipos de endocitosis son la fagocitosis ("comer células") y la pinocitosis ("beber células"). En la fagocitosis, las células engullen partículas grandes o bacterias (Figura 3.11a). En la pinocitosis, engullen gotitas de líquido (figura 3.11b), llevando así todas las sustancias disueltas en la gotita a la célula.

FIGURA 3.11. La endocitosis (fagocitosis o pinocitosis) ocurre cuando una región localizada de la membrana plasmática rodea una bacteria, una molécula grande o un líquido que contiene sustancias disueltas y luego se pellizca hacia adentro para formar una vesícula que se mueve hacia la célula.

Exocitosis . El proceso por el cual las moléculas grandes abandonan las células es la exocitosis. En una célula que produce hormonas, por ejemplo, las hormonas están encerradas en vesículas unidas a la membrana que viajan a través del citoplasma de la célula hacia la membrana plasmática. Cuando la vesícula alcanza la membrana plasmática, la membrana de la vesícula se fusiona con la membrana plasmática y luego la vesícula se abre para liberar la hormona fuera de la célula. Las células nerviosas también liberan sustancias químicas por exocitosis. La exocitosis se muestra en la Figura 3.12.

FIGURA 3.12. Las células empaquetan moléculas grandes en vesículas unidas a la membrana, que luego derraman su contenido por exocitosis.

La tabla 3.2 revisa las formas en que las sustancias se mueven a través de la membrana plasmática.

TABLA 3.2. Revisión de los mecanismos de transporte a través de la membrana plasmática

Movimiento aleatorio de la región de mayor concentración a la región de menor concentración

Movimiento de la región de mayor concentración a la región de menor concentración con la ayuda de una proteína transportadora o de canal.

Movimiento de agua desde la región de mayor concentración de agua (menor concentración de soluto) a la región de menor concentración de agua (mayor concentración de soluto)

Movimiento a menudo de la región de menor concentración a la región de mayor concentración con la ayuda de una proteína transportadora y energía generalmente de ATP

Proceso por el cual los materiales son engullidos por la membrana plasmática y atraídos hacia la célula en una vesícula.

Proceso por el cual una vesícula unida a la membrana del interior de la célula se fusiona con la membrana plasmática y derrama el contenido fuera de la célula.

Las personas con trastornos renales pueden necesitar diálisis para eliminar los productos de desecho de su sangre. La sangre pasa a través de un tubo largo en espiral sumergido en un tanque lleno de líquido dializante. El tubo es poroso, lo que permite que pequeñas moléculas se difundan de la sangre al líquido dializante. La urea es un producto de desecho que debe eliminarse de la sangre. Las moléculas de glucosa, por otro lado, deben permanecer en la sangre. Para lograr estos objetivos, ¿cómo deberían ser las concentraciones de urea y glucosa en el líquido dializante?

Dentro de la célula eucariota, la función principal de las membranas es crear compartimentos separados donde se llevan a cabo procesos químicos específicos críticos para la vida de la célula. Los orgánulos unidos a la membrana distribuidos en el citoplasma de las células tienen diferentes funciones, al igual que las diferentes oficinas dentro de una gran empresa, algunas de las cuales son responsables de la producción, otras de las compras y otras del envío. La compartimentación permite combinaciones segregadas de moléculas para realizar tareas específicas (ver Figura 3.2). Algunos orgánulos dan instrucciones para la fabricación de productos celulares. Otros fabrican o modifican los productos o los transportan. Otros orgánulos procesan energía o descomponen sustancias para su uso o eliminación. Los orgánulos no membranosos también realizan funciones específicas para la célula.

El núcleo celular contiene casi toda la información genética de la célula (Figura 3.13). El ADN dentro del núcleo controla la estructura y función celular porque contiene un código para la producción de proteínas. Todas nuestras células contienen la misma información genética. Las características de una célula en particular, lo que la convierte en una célula muscular o una célula hepática, están determinadas en gran medida por las direcciones específicas que recibe de su núcleo.

FIGURA 3.13. El núcleo contiene casi toda la información genética de una célula.

Una doble membrana llamada envoltura nuclear rodea el núcleo y lo separa del citoplasma, como se muestra en la Figura 3.13. La comunicación entre el núcleo y el citoplasma se produce a través de aberturas en la envoltura llamadas poros nucleares. El tráfico de materiales seleccionados a través de la envoltura nuclear permite que el contenido del citoplasma influya en el núcleo y viceversa.

La información genética dentro del núcleo está organizada en cromosomas, estructuras filiformes hechas de ADN y proteínas asociadas. El número de cromosomas varía de una especie a otra. Por ejemplo, los humanos tienen 46 cromosomas (23 pares), los ratones domésticos tienen 40 cromosomas y los perros domésticos tienen 78. Los cromosomas individuales son visibles con un microscopio óptico durante la división celular, cuando se acortan y condensan (Figura 3.14a). En cualquier otro momento, sin embargo, los cromosomas están extendidos y no son fácilmente visibles. En este estado disperso, el material genético se llama cromatina (Figura 3.14b). La cromatina y otros contenidos del núcleo constituyen el nucleoplasma. Analizaremos los cromosomas y la división celular en el capítulo 19.

FIGURA 3.14. Los cromosomas están compuestos de ADN y proteínas asociadas.

El nucleolo, una región especializada dentro del núcleo (véase la figura 3.13), se forma y se desmonta durante el curso del ciclo celular (véase el capítulo 19). No está rodeado por una membrana, sino que es simplemente una región donde el ADN se ha reunido para producir un tipo de ARN llamado ARN ribosómico (ARNr). El ARN ribosómico es un componente de los ribosomas, que son sitios donde comienza la síntesis de proteínas. Los ribosomas pueden estar suspendidos en el citoplasma (ribosomas libres) o adheridos al retículo endoplásmico (ribosomas unidos).

El retículo endoplásmico (RE) es parte de una extensa red de canales conectados a la envoltura nuclear y ciertos orgánulos (Figura 3.15). En algunas regiones, el RE está tachonado de ribosomas y, debido a esto, se le llama retículo endoplásmico rugoso (RER). Las cadenas de aminoácidos formadas por los ribosomas adjuntos pasan a través de la membrana del RER hasta sus espacios internos. Allí, las cadenas se procesan y modifican, se encierran en vesículas formadas a partir de la membrana RER y se transfieren al complejo de Golgi (que se comenta en breve) para su procesamiento y empaquetado adicionales. Las proteínas producidas por los ribosomas unidos al RE se incorporarán a las membranas o, finalmente, la célula las segregará. Las proteínas producidas por los ribosomas libres permanecerán en la célula.

FIGURA 3.15. El retículo endoplásmico (RE) es continuo con la membrana nuclear y consta de dos regiones: RE rugoso y RE liso.

El retículo endoplásmico liso (SER) carece de ribosomas. El SER (particularmente en las células del hígado) desintoxica el alcohol y otras drogas. Por lo general, las enzimas de SER modifican los medicamentos para hacerlos más solubles en agua y más fáciles de eliminar del cuerpo. Otra función de SER es la producción de fosfolípidos. Estos fosfolípidos, junto con las proteínas del RER, se utilizan para fabricar la membrana del RER. Debido a que la membrana RER se usa continuamente para formar vesículas para su envío, debe reponerse constantemente.

El complejo de Golgi consta de una serie de sacos membranosos aplanados interconectados. Este orgánulo es el centro de procesamiento y empaquetado de proteínas de la célula (Figura 3.16). Las vesículas llenas de proteínas del RER llegan al "lado receptor" del complejo de Golgi, se fusionan con su membrana y vacían su contenido en el interior. Luego, el complejo de Golgi modifica químicamente muchas de las proteínas a medida que se mueven, a través de vesículas, de un disco membranoso en la pila al siguiente. Cuando finaliza el procesamiento, el complejo de Golgi clasifica las proteínas, de la misma manera que un trabajador postal clasifica las cartas y las envía a sus diversos destinos. Algunas de las proteínas que emergen del & quot; lado de envío & quot; se empaquetan en vesículas y se envían a la membrana plasmática para su exportación desde la célula o para convertirse en proteínas de membrana. Otras proteínas están empaquetadas en lisosomas. La Figura 3.17 en la página 56 resume el movimiento de vesículas llenas de proteínas desde el retículo endoplásmico rugoso al complejo de Golgi para su procesamiento y eventual liberación.

FIGURA 3.16. El complejo de Golgi

¿Cómo descompone la célula las partes desgastadas o digiere los objetos grandes que absorbe por fagocitosis? Si simplemente liberara enzimas digestivas en su citoplasma, por ejemplo, pronto se destruiría a sí mismo. En cambio, la digestión intracelular ocurre principalmente dentro de los lisosomas. Los lisosomas son orgánulos aproximadamente esféricos que consisten en una sola membrana llena de aproximadamente 40 enzimas digestivas diferentes. Las enzimas y membranas de los lisosomas son producidas por el RER y luego enviadas al complejo de Golgi para su procesamiento adicional. Finalmente, los lisosomas llenos de enzimas brotan y luego se desprenden del complejo de Golgi (ver Figura 3.17) y comienzan sus diversas funciones en la digestión dentro de la célula. Estas funciones incluyen la destrucción de invasores extraños, como las bacterias, y la destrucción de orgánulos desgastados.

FIGURA 3.17. La ruta por la cual las vesículas llenas de proteínas del retículo endoplásmico rugoso viajan al complejo de Golgi para su procesamiento y eventual liberación.

Considere, por ejemplo, lo que sucede cuando una célula engulle una bacteria. Puede seguir este proceso en la Figura 3.18 (vea la ruta a la derecha). Durante el proceso de fagocitosis (Paso 1), una vesícula rodea a la bacteria. Luego, un lisosoma liberado del complejo de Golgi se fusiona con la vesícula (paso 2) y las enzimas digestivas del lisosoma descomponen la bacteria en moléculas más pequeñas. Estas moléculas se difunden fuera de la vesícula hacia el citoplasma, donde pueden ser utilizadas por la célula (Paso 3). Los residuos no digeribles pueden ser expulsados ​​de la célula por exocitosis (Paso 4) o pueden almacenarse indefinidamente en vesículas dentro de la célula (Paso 5).

Los lisosomas también descomponen partes obsoletas de la propia célula. Los orgánulos y macromoléculas gastados se descomponen en componentes más pequeños que se pueden reutilizar (ver Figura 3.18, vía a la izquierda). Por ejemplo, un orgánulo llamado mitocondria (que se comenta más adelante) dura solo unos 10 días en una célula hepática típica antes de ser destruido por los lisosomas. Después de que se destruyen las mitocondrias desgastadas, los monómeros que los componen, como los aminoácidos, se devuelven al citoplasma para su reutilización. Esta "limpieza de la casa" mantiene la celda funcionando correctamente y promueve el reciclaje de materiales esenciales.

FIGURA 3.18. Formación y función de lisosomas en la digestión intracelular. Los lisosomas, liberados por el complejo de Golgi, digieren una bacteria engullida por la célula (ver la vía a la derecha). Los lisosomas también digieren partes obsoletas de la propia célula (ver ruta a la izquierda).

La ausencia de un solo tipo de enzima lisosomal puede tener consecuencias devastadoras. Las moléculas que normalmente se descomponen por la enzima faltante comienzan a acumularse en los lisosomas y hacen que se hinchen. En última instancia, las moléculas acumuladas interfieren con la función celular. Estas enfermedades por almacenamiento lisosómico se heredan y progresan con la edad.

La enfermedad de Tay-Sachs es una enfermedad de almacenamiento lisosomal causada por la ausencia de la enzima lisosomal hexosaminidasa (Hex A), que degrada los lípidos en las células nerviosas. Cuando falta Hex A, los lisosomas se llenan de lípidos no digeridos. Los bebés con enfermedad de Tay-Sachs parecen normales al nacer, pero comienzan a deteriorarse alrededor de los 6 meses de edad a medida que se acumulan cantidades anormales de lípidos en el sistema nervioso. A la edad de 4 o 5 años, Tay-Sachs causa parálisis y muerte. En la actualidad no existe cura para esta enfermedad. Sin embargo, existe un análisis de sangre para detectar individuos portadores del gen de Tay-Sachs. Estos individuos, llamados portadores, no tienen la enfermedad pero podrían transmitir el gen a su descendencia.

Imagine que usted y su cónyuge quieren formar una familia, pero ambos son portadores de la enfermedad de Tay-Sachs y podrían transmitir el gen a sus hijos. Los posibles resultados para cualquier niño que pueda concebir son los siguientes: el niño puede no tener el gen de Tay-Sachs y puede estar sano, puede tener la enfermedad y morir en la primera infancia, o puede ser portador como usted. Tus padres instan a la adopción. Su cónyuge prefiere no adoptar, sino utilizar un examen prenatal para comprobar si su feto tiene la enfermedad. ¿Qué harías?

Ciertos factores ambientales causan enfermedades al interferir con los lisosomas. En el ensayo de Environmental Issue, The Deadly Interaction between Asbestos and Lysosomes, describimos el impacto del asbesto en la salud.

La mayoría de las actividades celulares requieren energía. Se necesita energía para transportar ciertas sustancias a través de la membrana plasmática y para alimentar muchas de las reacciones químicas que ocurren en el citoplasma. Las células especializadas, como las células musculares y las células nerviosas, requieren energía para realizar sus actividades particulares. La energía que necesitan las células es proporcionada por las mitocondrias (singular, mitocondria), los orgánulos dentro de los cuales ocurre la mayor parte de la respiración celular. La respiración celular, que se analiza más adelante en este capítulo, es un proceso de cuatro fases en el que se consumen oxígeno y un combustible orgánico como la glucosa y se libera energía en forma de ATP. La primera fase tiene lugar en el citoplasma. Las tres fases restantes ocurren en las mitocondrias.

El número de mitocondrias varía considerablemente de una célula a otra y se correlaciona aproximadamente con la demanda de energía de una célula. La mayoría de las células contienen de varios cientos a miles de mitocondrias. Como el núcleo, pero a diferencia de otros orgánulos, las mitocondrias están limitadas por una doble membrana (Figura 3.19). Las membranas interna y externa crean dos compartimentos separados que sirven como sitios para algunas de las reacciones en la respiración celular.

FIGURA 3.19. Las mitocondrias son sitios de conversión de energía en la célula.

Los pliegues de la membrana interna de una mitocondria se llaman crestas, y estos son los sitios de la última fase de la respiración celular. Finalmente, las mitocondrias contienen ribosomas y un pequeño porcentaje del ADN total de una célula (el resto se encuentra en el núcleo, como se señaló anteriormente). Las mitocondrias contienen ribosomas y ADN porque es probable que sean descendientes de bacterias de vida libre que invadieron o fueron engullidas por células antiguas (véase el capítulo 22). La Tabla 3.3 revisa las funciones de los orgánulos.

TABLA 3.3. Revisión de los orgánulos principales y sus funciones

Contiene casi toda la información genética e influye en la estructura y función celular.

Retículo endoplásmico rugoso (RER)

Salpicado de ribosomas (sitios donde comienza la síntesis de proteínas) produce membrana

Retículo endoplásmico liso (SER)

Desintoxica las drogas produce membrana

Clasifica, modifica y empaqueta productos de RER

Las sustancias de digestión importadas del exterior de la célula destruyen las partes celulares viejas o defectuosas.

Proporcionar energía a las células a través de la descomposición de la glucosa durante la respiración celular.

Hemos analizado el núcleo, el retículo endoplásmico (incluidos los rugosos y lisos), los ribosomas, el complejo de Golgi, los lisosomas y las mitocondrias. Asigne cada uno de estos orgánulos a una de las siguientes funciones principales dentro de una celda: fabricación, descomposición o procesamiento de energía.

Citoesqueleto

Atravesando el citoplasma de la célula hay una compleja red de fibras llamada citoesqueleto. Las fibras se dividen en tres tipos: los microtúbulos son los microfilamentos más gruesos son los más delgados y los filamentos intermedios son el grupo diverso en el medio. Los microtúbulos y microfilamentos se desmontan y vuelven a montar, mientras que los filamentos intermedios tienden a ser más permanentes.

Los microtúbulos son varillas rectas y huecas hechas de la proteína tubulina. Algunos microtúbulos cerca de la membrana plasmática mantienen la forma celular. Los microtúbulos también forman pistas a lo largo de las cuales viajan orgánulos o vesículas. Por ejemplo, las vesículas secretoras (vesículas unidas a la membrana que contienen material que se liberará de la célula) que han brotado del complejo de Golgi se abren paso hacia la membrana plasmática moviéndose a lo largo de una pista de microtúbulos. Finalmente, los microtúbulos juegan un papel en la separación de los cromosomas durante la división celular. Un centro organizador de microtúbulos ubicado cerca del núcleo contiene un par de centríolos, cada uno compuesto por nueve conjuntos de tres microtúbulos dispuestos en un anillo (Figura 3.20). Los centríolos pueden funcionar en la división celular y en la formación de cilios y flagelos.

FIGURA 3.20. Los centríolos pueden desempeñar un papel en la división celular.

Los microtúbulos sirven como partes de trabajo de dos tipos de extensiones celulares llamadas cilios (singular, cilio) y flagelos (singular, flagelo). Los cilios son numerosas extensiones cortas en una celda que se mueven con el movimiento de ida y vuelta de los remos. Se encuentran, por ejemplo, en la superficie de las células que recubren el tracto respiratorio (Figura 3.21a), donde barren los desechos atrapados en el moco lejos de los pulmones. Fumar destruye estos cilios y dificulta la limpieza de las superficies respiratorias. Un flagelo se asemeja a un látigo y se mueve de manera ondulada. Los flagelos son mucho más largos que los cilios. La única célula con un flagelo en los seres humanos es el espermatozoide (Figura 3.21b).

FIGURA 3.21. Los microtúbulos son responsables del movimiento de cilios y flagelos.

Los cilios y flagelos difieren en longitud, número por célula y patrón de movimiento. Sin embargo, tienen una disposición similar de microtúbulos, denominada patrón 9 + 2 (Figura 3.21c), en su núcleo. Esta disposición consta de nueve pares de microtúbulos dispuestos en un anillo con dos microtúbulos en el centro.

Los microfilamentos son varillas sólidas hechas de la proteína actina. Estas fibras son más conocidas por su papel en la contracción muscular, donde se deslizan a través de filamentos más gruesos hechos de la proteína miosina. Finalmente, los microfilamentos juegan un papel en la división celular, formando una banda que contrae y pellizca la célula en dos.

Los filamentos intermedios son un grupo diverso de fibras en forma de cuerda que ayudan a mantener la forma celular y anclan ciertos orgánulos en su lugar. Su composición de proteínas varía de un tipo de célula a otro.

Respiración celular y fermentación en la Generación de ATP

Vivir requiere trabajo y el trabajo requiere energía. La lógica nos dice, por tanto, que vivir requiere energía.

Obtenemos nuestra energía de los alimentos que comemos. Nuestro sistema digestivo (que se analiza en el capítulo 15) descompone macromoléculas complejas como carbohidratos, proteínas y grasas en sus componentes más simples, como glucosa, aminoácidos y ácidos grasos. Estas moléculas más simples luego se absorben en el torrente sanguíneo y se transportan a nuestras células, donde parte de la energía almacenada en los enlaces químicos de las moléculas se usa para producir ATP, la molécula rica en energía que nuestras células usan para hacer su trabajo. (Parte de la energía también se emite en forma de calor). Aunque los carbohidratos, las proteínas y las grasas son fuentes de energía celular, nos centraremos en los carbohidratos. Las células tienen dos formas de romper las moléculas de glucosa para obtener energía: la respiración celular y la fermentación. La respiración celular requiere fermentación de oxígeno no lo hace.

Todas las reacciones químicas que tienen lugar en una célula constituyen su metabolismo. Estas reacciones químicas se organizan en vías metabólicas.Cada vía consta de una serie de pasos en los que se modifica una molécula de partida, lo que finalmente da como resultado un producto en particular. Enzimas específicas aceleran cada paso de la vía. La respiración celular y la fermentación son ejemplos de vías catabólicas, vías en las que moléculas complejas, como los carbohidratos, se descomponen en compuestos más simples, liberando energía. Las vías anabólicas, por otro lado, construyen moléculas complejas a partir de otras más simples y consumen energía en el proceso.

La interacción mortal entre Amianto y lisosomas

El asbesto es un mineral de silicato fibroso, que se encuentra en muchas formas en la naturaleza, que es fuerte, flexible y resistente al calor y la corrosión (Figura 3.A). Debido a estas propiedades, el asbesto se utilizó ampliamente en la construcción, como aislante en techos y tuberías, por ejemplo, o para insonorizar e ignifugar las paredes de las escuelas.

FIGURA 3.A. El asbesto material milagroso mortal

Las mismas propiedades que hacen del asbesto un material de construcción ideal —su naturaleza fibrosa y durabilidad— también pueden hacerlo mortal. Por ejemplo, cuando las fibras de aislamiento de amianto se desprenden, las partículas pequeñas y ligeras quedan suspendidas en el aire y pueden inhalarse en los pulmones. Existe alguna evidencia de que las diferentes formas de amianto difieren en el tiempo que persisten en el tejido pulmonar. Sin embargo, las partículas de al menos una forma parecen resistentes a la degradación y permanecen en los pulmones de por vida (Figura 3.B).

FIGURA 3.B. Fibras de amianto en el tejido pulmonar

La inhalación de partículas de asbesto puede causar cáncer de pulmón y mesotelioma, una forma de cáncer específica del revestimiento de los pulmones y la cavidad torácica (pleura) y del revestimiento del abdomen (peritoneo). La asbestosis, una tercera condición, es la enfermedad más común causada por la exposición al asbesto. Es el resultado de la peligrosa interacción entre el amianto y los lisosomas. Las células responsables de limpiar las vías respiratorias engullen pequeñas partículas de asbesto inhaladas en los pulmones, lisosomas dentro de las células de limpieza y luego se fusionan con las vesículas que contienen las partículas de asbesto. Desafortunadamente, las enzimas lisosomales no pueden descomponer las partículas de asbesto. En cambio, las partículas desestabilizan las membranas de los lisosomas, provocando una liberación masiva de enzimas que destruyen las células del tracto respiratorio. El resultado es una cicatrización irreversible del tejido pulmonar, que eventualmente interfiere con el intercambio de gases en los pulmones. Las personas con pulmones dañados por el amianto experimentan tos crónica y dificultad para respirar. Estos síntomas se vuelven más severos con el tiempo y pueden causar la muerte por deterioro de la función respiratoria.

En la actualidad, no existe un tratamiento eficaz para la asbestosis. Por tanto, la atención se centró en la prevención. En los Estados Unidos, está prohibido el uso de asbesto para aislamiento y protección contra incendios, o para cualquier propósito nuevo. Sin embargo, el amianto todavía está presente en muchos edificios construidos antes de que la prohibición entrara en vigor. En estos edificios, generalmente se recomienda y a menudo se requiere que el asbesto expuesto sea eliminado, encerrado con otros materiales de construcción o cubierto con un sellador. Los expertos deben determinar qué método es mejor en una situación determinada. Además, el sellado o la remoción del amianto deben ser realizados por expertos, porque el mayor riesgo de exposición al amianto ocurre cuando el amianto se maneja de manera inadecuada. Finalmente, los trabajadores en riesgo de exposición al asbesto (plomeros, electricistas, trabajadores de aislamiento y carpinteros, por nombrar algunos) deben insistir en realizar pruebas frecuentes del aire en sus lugares de trabajo.

• Fumar cigarrillos empeora las enfermedades causadas por la exposición al asbesto. Si un trabajador que fuma está expuesto durante muchos años al asbesto en el lugar de trabajo y posteriormente desarrolla cáncer de pulmón, ¿quién es el responsable de que desarrolle cáncer? ¿Es el empleador responsable o el trabajador tiene alguna responsabilidad personal?

• ¿Qué información consideraría al evaluar la responsabilidad?

La respiración celular es la vía que requiere oxígeno por la cual las células descomponen la glucosa. Es una compleja serie de reacciones químicas cuyos productos finales son dióxido de carbono, agua y energía. En un vaso de precipitados de laboratorio, la glucosa y el oxígeno se pueden combinar para producir esos productos en un solo paso. Sin embargo, en esas circunstancias, la glucosa se quema y toda la energía se pierde en forma de calor. El proceso utilizado por las células, en el que la glucosa se descompone en una serie de pasos, permite que las células obtengan gran parte de la energía en una forma utilizable, específicamente, como un enlace químico de alta energía en el ATP. Recuerde del capítulo 2 que el ATP se forma a partir de ADP (difosfato de adenosina) y fosfato inorgánico (Pi) en un proceso que requiere energía.

La respiración celular tiene cuatro fases: (1) glucólisis, (2) la reacción de transición, (3) el ciclo del ácido cítrico y (4) la cadena de transporte de electrones. Las cuatro fases ocurren continuamente dentro de las células. La glucólisis tiene lugar en el citoplasma de la célula. La reacción de transición, el ciclo del ácido cítrico y la cadena de transporte de electrones tienen lugar en las mitocondrias. Verá que algunas de estas fases consisten en una serie de reacciones en las que los productos de una reacción se convierten en sustratos (materias primas) para la siguiente reacción. También verá que la transferencia de electrones de un átomo o molécula a otro es una característica clave del proceso que utilizan nuestras células para capturar energía del combustible. A medida que los electrones pasan a lo largo de una cadena de compuestos intermedios, su energía se utiliza para producir ATP.

Glucólisis . La primera fase de la respiración celular, llamada glucólisis (gluco, lisis del azúcar, desdoblamiento), comienza con la glucosa, un azúcar de seis carbonos, que se divide en dos azúcares de tres carbonos. Estos azúcares de tres carbonos luego se convierten en dos moléculas de piruvato (Figura 3.22), otro compuesto de tres carbonos. La glucólisis se produce en varios pasos, cada uno de los cuales requiere una enzima específica diferente. Durante los primeros pasos, se consumen dos moléculas de ATP porque se necesita energía para preparar la glucosa para su división. Durante los pasos restantes, se producen cuatro moléculas de ATP, para una ganancia neta de dos ATP. La glucólisis también produce dos moléculas de dinucleótido de nicotina y adenina (NADH), que se generan cuando se donan electrones a la coenzima NAD +. La glucólisis no requiere oxígeno y libera solo una pequeña cantidad de la energía química almacenada en la glucosa. La mayor parte de la energía permanece en las dos moléculas de piruvato. Las moléculas de piruvato se mueven desde el citoplasma al compartimento interno de la mitocondria.

FIGURA 3.22. La glucólisis es una secuencia de reacciones de varios pasos en el citoplasma. La glucosa, un azúcar de seis carbonos, se divide en 2 moléculas de piruvato de tres carbonos.

Reacción de transición . Una vez dentro del compartimento interno de la mitocondria, el piruvato reacciona con una sustancia llamada coenzima A (CoA) en una reacción llamada reacción de transición. La reacción de transición da como resultado la eliminación de un carbono (en forma de dióxido de carbono, CO2) de cada piruvato (Figura 3.23). La molécula de dos carbonos resultante, llamada grupo acetilo, se une a CoA para formar acetil CoA. También se produce una molécula de NADH a partir de cada piruvato.

FIGURA 3.23. La reacción de transición tiene lugar dentro de la mitocondria y es el vínculo entre la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico.

Ciclo del ácido cítrico . Aún en el compartimento interno de la mitocondria, la acetil CoA reacciona con un compuesto de cuatro carbonos en la primera de una serie cíclica de ocho reacciones químicas conocidas como ciclo del ácido cítrico, llamado así por el primer producto (ácido cítrico o citrato) formado a lo largo de su ruta (Figura 3.24). El ciclo también se llama ciclo de Krebs, en honor al científico Hans Krebs, quien describió muchas de las reacciones. En lugar de considerar cada una de las reacciones químicas en el ciclo del ácido cítrico, simplemente diremos que completa la pérdida de electrones de la glucosa y produce dos moléculas de ATP (una de cada acetil CoA que ingresa al ciclo) y varias moléculas de NADH y FADH2 (dinucleótido de flavina adenina). NADH y FADH2 son portadores de electrones de alta energía. El NADH y FADH2 producidos en la glucólisis, en la reacción de transición y en el ciclo del ácido cítrico entran en la cadena de transporte de electrones, la fase final de la respiración celular. El ciclo del ácido cítrico también produce CO2 como residuo.

FIGURA 3.24. El ciclo del ácido cítrico es una serie cíclica de ocho reacciones químicas que ocurren dentro de la mitocondria y produce dos moléculas de ATP y varias moléculas de NADH y FADH2 por molécula de glucosa.

Cadena de transporte de electrones . Durante la fase final de la respiración celular, las moléculas de NADH y FADH2 producidas por fases anteriores pasan sus electrones a una serie de proteínas transportadoras incrustadas en la membrana interna de la mitocondria. Estas proteínas se conocen como cadena de transporte de electrones (Figura 3.25). (Recuerde que la membrana interna de la mitocondria está muy plegada, lo que proporciona espacio para miles de conjuntos de proteínas transportadoras). Durante la transferencia de electrones de una proteína a la siguiente, se libera energía y se utiliza para producir ATP. Finalmente, los electrones pasan al oxígeno, el aceptor de electrones final, que luego se combina con dos iones de hidrógeno para formar agua. El oxígeno tiene un papel fundamental en la respiración celular. Cuando no hay oxígeno, los electrones se acumulan en las proteínas transportadoras, deteniendo el ciclo del ácido cítrico y la respiración celular. Pero cuando el oxígeno está presente y acepta los electrones, la respiración continúa. La cadena de transporte de electrones produce 32 moléculas de ATP por molécula de glucosa. En el ensayo de Health Issue, Las enfermedades mitocondriales causan una escasez de energía en nuestros cuerpos, describimos lo que sucede cuando hay una deficiencia de proteínas en la cadena de transporte de electrones.

FIGURA 3.25. La cadena de transporte de electrones es la fase final de la respiración celular. Esta fase produce 32 moléculas de ATP por molécula de glucosa.

En total, la respiración celular generalmente produce 36 moléculas de ATP por molécula de glucosa: 2 ATP de la glucólisis, 2 ATP del ciclo del ácido cítrico y 32 ATP de la cadena de transporte de electrones. Los resultados de la respiración celular se resumen en la Figura 3.26. Las descripciones básicas de cada fase se pueden encontrar en la Tabla 3.4.

TABLA 3.4. Revisión de la respiración celular

Proceso de varios pasos mediante el cual la glucosa se divide en 2 piruvato

Se elimina un CO2 de cada piruvato; las moléculas resultantes se unen a CoA, formando 2 acetil CoA

Serie cíclica de ocho reacciones químicas mediante las cuales se descompone el acetil CoA

Los electrones de NADH y FADH2 pasan de una proteína a la siguiente, liberando energía para la síntesis de ATP.

FIGURA 3.26. Resumen de respiración celular. La respiración celular produce 36 ATP por molécula de glucosa (2 ATP de la glucólisis, 2 ATP del ciclo del ácido cítrico y 32 ATP de la cadena de transporte de electrones).

Como se señaló anteriormente, la respiración celular depende del oxígeno como aceptor de electrones final en la cadena de transporte de electrones. Sin oxígeno, la cadena de transporte se detiene, bloqueando el ciclo del ácido cítrico y deteniendo la respiración celular. ¿Hay alguna forma de que las células recolecten energía cuando las moléculas de oxígeno son escasas? La respuesta es sí, y la vía es la fermentación.

La fermentación es la descomposición de la glucosa sin oxígeno. Comienza con la glucólisis, que como recordará ocurre en el citoplasma y no requiere oxígeno. A partir de una molécula de glucosa, la glucólisis produce dos moléculas de piruvato, el transportador de electrones NADH y ATP. Las reacciones de fermentación restantes también tienen lugar en el citoplasma, transfiriendo electrones del NADH al piruvato o un derivado del piruvato. Esta transferencia de electrones es crítica porque regenera NAD +, que es esencial para la producción de ATP a través de la glucólisis. Recuerde que en la respiración celular, el oxígeno es el aceptor final de electrones en la cadena de transporte de electrones, mientras que en la fermentación es el piruvato o un derivado del piruvato. Por lo tanto, la fermentación produce solo 2 moléculas de ATP en comparación con las 36 moléculas de ATP producidas por la respiración celular (consulte, nuevamente, la Figura 3.26). En resumen, la fermentación es una forma muy ineficaz para que las células recolecten energía.

La fermentación del ácido láctico ocurre en el cuerpo humano. Durante el ejercicio extenuante, el suministro de oxígeno en nuestras células musculares se agota. En estas condiciones, las células aumentan la fermentación del ácido láctico para asegurar la producción continua de ATP. El dolor muscular que a menudo experimentamos después de un ejercicio intenso se debe en parte a la acumulación de ácido láctico, un producto de desecho de este tipo de fermentación. Con el tiempo, el dolor desaparece a medida que el ácido láctico pasa al torrente sanguíneo y se transporta al hígado, donde se convierte nuevamente en piruvato.

Enfermedades mitocondriales Causar una escasez de energía en nuestros cuerpos

Los cortes en la red de energía eléctrica pueden hacer que muchos servicios (transporte aéreo y ferroviario, comunicaciones, purificación de agua, calefacción y refrigeración) se ralenticen y, en ocasiones, fallen. Una situación similar puede suceder en nuestros cuerpos cuando fallan las mitocondrias, nuestros orgánulos de procesamiento de energía. Recuerde que las mitocondrias convierten la energía de las moléculas de los alimentos en ATP para que las usen las células, y que varios pasos de la respiración celular ocurren en las mitocondrias y requieren proteínas particulares para continuar. Más de 40 enfermedades, conocidas colectivamente como enfermedades mitocondriales, pueden resultar de deficiencias en las proteínas que funcionan en el metabolismo energético dentro de las mitocondrias, incluidas las proteínas que forman parte de la cadena de transporte de electrones. Cuando las mitocondrias no funcionan correctamente, se genera menos energía, la función celular se ve comprometida y puede producirse la muerte celular. Esto, a su vez, puede afectar tejidos, órganos y sistemas de órganos. Las enfermedades mitocondriales causan el mayor daño a las partes del cuerpo que necesitan más energía, como el cerebro, el corazón, los pulmones, los riñones, las glándulas endocrinas y los músculos esqueléticos.

Cada año en los Estados Unidos, se estima que nacen entre 1000 y 4000 bebés con enfermedades mitocondriales. Muchos médicos creen que las enfermedades mitocondriales están infradiagnosticadas y con frecuencia se diagnostican erróneamente, por lo que las estimaciones pueden ser bajas. Estas enfermedades son causadas por mutaciones (cambios) en el ADN que codifica proteínas críticas para el metabolismo energético dentro de las mitocondrias. Algunas de estas proteínas están codificadas por el ADN mitocondrial, pero otras están codificadas por el ADN nuclear y luego se importan a las mitocondrias. Las mutaciones pueden ser espontáneas o heredadas. Los niños heredan el ADN nuclear de su madre y su padre, pero heredan su ADN mitocondrial solo de su madre. Los factores ambientales, como las infecciones y ciertos medicamentos, también pueden dañar las mitocondrias.

Las personas con una enfermedad mitocondrial pueden experimentar fatiga y no aumentar de peso. Los síntomas de enfermedades mitocondriales específicas son diversos porque reflejan qué células y órganos tienen mitocondrias comprometidas. Si las células del cerebro se ven afectadas, los síntomas pueden incluir convulsiones, retrasos en el desarrollo y demencia. Cuando los órganos sensoriales, como los ojos o los oídos, se ven afectados, puede producirse una disminución o pérdida completa de la visión o la audición. Las células del músculo esquelético con mitocondrias defectuosas pueden provocar debilidad muscular, calambres e intolerancia al ejercicio. A veces, se ven afectados múltiples sistemas de órganos. Además, las células suelen contener cientos de mitocondrias, por lo que una sola célula puede tener algunas mitocondrias que son normales y otras que son defectuosas (es decir, portan una mutación). La salud de las células (y la gravedad de los síntomas de la enfermedad) dependerá de las proporciones relativas de mitocondrias normales y defectuosas. Los síntomas pueden variar drásticamente incluso entre miembros de la misma familia con una mutación hereditaria en el ADN mitocondrial. Debido a que algunos óvulos de una mujer pueden tener grandes proporciones de mitocondrias defectuosas, mientras que otros huevos tienen en su mayoría mitocondrias sanas, la gravedad de los síntomas en los hijos de esta mujer dependerá de la proporción de mitocondrias defectuosas que les haya transmitido su madre. Finalmente, dependiendo del trastorno en particular, la aparición de síntomas puede ocurrir en la infancia, la niñez o la edad adulta. El inicio en la edad adulta puede ocurrir en una persona que nació con la mutación genética, pero cuyos síntomas no aparecieron hasta que un desencadenante ambiental, como una enfermedad grave, los provocó.

Las enfermedades mitocondriales son difíciles de diagnosticar, por lo que la mayoría de los médicos derivan a los pacientes a un centro de investigación apropiado. La evaluación en un centro de este tipo puede incluir una evaluación de los antecedentes familiares, un examen físico completo para caracterizar los sistemas de órganos afectados (por ejemplo, imágenes del cerebro y el corazón, y pruebas de visión y audición) y análisis metabólico de muestras de sangre para detectar ciertas enzimas. y productos del metabolismo celular, como lactato y piruvato. Se puede tomar una biopsia de músculo para evaluar el estado de las mitocondrias en las células musculares y determinar si ciertas proteínas están presentes.

Dada la variación en el número de sistemas de órganos afectados y en la gravedad de los síntomas, es difícil predecir el curso de una enfermedad mitocondrial. De hecho, la calidad de vida que experimentan algunos pacientes puede ser relativamente buena, mientras que otros tienen síntomas graves y no sobreviven a la infancia. No existen curas conocidas para las enfermedades mitocondriales, por lo que los profesionales médicos se centran en aliviar los síntomas y ralentizar la progresión de la enfermedad. Por ejemplo, un dietista puede ayudar a los pacientes a mantener o aumentar de peso, y la fisioterapia puede beneficiar a los pacientes cuyos músculos esqueléticos están afectados. También se aconseja a los pacientes que eviten situaciones de estrés energético, como el ayuno o el frío extremo. La disfunción mitocondrial también puede estar relacionada con el autismo, el envejecimiento y muchas afecciones crónicas de la edad adulta. Claramente, queda mucho por aprender sobre el papel que desempeñan las mitocondrias en la salud humana.

• Piense en una mujer que tiene una enfermedad mitocondrial hereditaria de inicio en la edad adulta que fue diagnosticada solo después de tener dos hijos y una hija. Sus síntomas son relativamente leves y su enfermedad se remonta a una mutación en su ADN mitocondrial. ¿Cuál, si alguno, de sus hijos heredará la mutación?

• ¿Qué factores determinan el alcance de los síntomas en cualquier niño afectado? Si todos sus hijos llegan a la edad adulta y tienen sus propias familias, ¿cuál de sus hijos transmitirá la mutación?

En el Capítulo 3 aprendimos sobre la estructura básica de las células. En el capítulo 4 describimos cómo las células especializadas forman tejidos, órganos y sistemas de órganos.

Destacando los conceptos

Células eucariotas en comparación con células procariotas (págs. 45-47)

• Hay dos tipos principales de células. Las células procariotas, exclusivas de las bacterias y las arqueas, carecen de orgánulos unidos a la membrana. Las células eucariotas, que se encuentran en todos los demás organismos, tienen orgánulos unidos a la membrana.

Tamaño celular y microscopía (p. 47)

• A medida que una célula crece, su volumen aumenta más que su superficie, por lo tanto, una célula demasiado grande encontrará problemas causados ​​por una superficie inadecuada. Por esa razón, la mayoría de las células son muy pequeñas.

• Debido a que la mayoría de las células son muy pequeñas, solo se pueden ver con un microscopio. Mientras que los microscopios ópticos utilizan haces de luz para obtener imágenes de las muestras, los microscopios electrónicos utilizan haces de electrones.Los microscopios electrónicos pueden revelar detalles más finos porque la longitud de onda de un haz de electrones es más pequeña que la longitud de onda de la luz visible.

Estructura y función celular (págs. 47-48)

• Todas las células eucariotas tienen ciertas características en común, incluida una membrana plasmática y orgánulos unidos a la membrana. Las diferencias estructurales entre las células eucariotas a menudo reflejan diferencias en la función. Por ejemplo, un espermatozoide tiene una cola y una forma aerodinámica para que pueda nadar hasta el óvulo. El huevo, por el contrario, es grande, inmóvil y lleno de materiales necesarios para iniciar el desarrollo.

• La membrana plasmática está formada por fosfolípidos dispuestos en una bicapa con proteínas y moléculas de colesterol intercaladas y carbohidratos adheridos a la superficie exterior.

La estructura de la membrana plasmática se describe a menudo como un mosaico fluido.

• La membrana plasmática mantiene la integridad de la célula, regula el movimiento de sustancias dentro y fuera de la célula, funciona en el reconocimiento célula-célula, promueve la comunicación entre células y une las células para formar tejidos y órganos.

• Las sustancias atraviesan la membrana plasmática de varias formas. Algunos cruzan por movimiento aleatorio de mayor a menor concentración (difusión simple), otros necesitan la ayuda de una proteína transportadora o de canal (difusión facilitada). El agua también se mueve a través de la membrana plasmática de mayor a menor concentración (ósmosis). Las sustancias que las células concentran atraviesan la membrana plasmática de menor a mayor concentración con la ayuda de ATP y una proteína portadora (transporte activo). Finalmente, las células pueden engullir materiales externos rodeándolos con membrana plasmática (endocitosis) o pueden liberar sustancias al ambiente externo fusionando vesículas internas con la membrana plasmática y derramando su contenido al exterior (exocitosis).

• Dentro de una célula eucariota, las membranas delimitan compartimentos especializados dentro de los cuales ocurren procesos específicos. El núcleo contiene casi toda la información genética y, por lo tanto, contiene el código de la estructura de la célula y muchas de sus funciones. El nucleolo es una región dentro del núcleo que produce ARN ribosómico. Los ribosomas son los sitios donde comienza la síntesis de proteínas. El retículo endoplásmico (RE) funciona en la producción de membranas y puede estar tachonado de ribosomas (retículo endoplásmico rugoso, RER) o libre de ribosomas (retículo endoplásmico liso, SER). El complejo de Golgi clasifica, modifica y empaqueta productos del RER. Los lisosomas digieren las bacterias engullidas por las células y descomponen los componentes viejos o defectuosos dentro de las células. Las mitocondrias procesan la energía para las células.

• El citoesqueleto, una red compleja de fibras a lo largo del citoplasma de la célula, consta de tres categorías de fibras, todas compuestas por proteínas: microtúbulos, microfilamentos y filamentos intermedios. Los microtúbulos son barras huecas de tubulina que funcionan en el movimiento celular (cilios y flagelos), sostienen y el movimiento dentro de las células de cromosomas, orgánulos y vesículas. Los microfilamentos son barras de actina que funcionan en la contracción muscular y la división celular. Los filamentos intermedios, que son diferentes tipos de fibras en forma de cuerda, mantienen la forma celular y anclan los orgánulos.

Respiración celular y fermentación en la generación de ATP (págs. 59-64)

• Las células requieren energía para funcionar. Obtenemos esta energía de los alimentos que comemos. Los carbohidratos, las grasas y las proteínas que consumimos son descompuestos por nuestro sistema digestivo en unidades más pequeñas, como azúcares simples, ácidos grasos y aminoácidos. Estas sustancias más simples se absorben en el torrente sanguíneo y se transportan a nuestras células, donde la energía almacenada en los enlaces químicos de las sustancias se transfiere para el uso celular a los enlaces químicos del ATP. (Parte de la energía también se emite en forma de calor).

• Las células usan dos vías catabólicas —respiración celular y fermentación— para descomponer los carbohidratos glucosa y almacenar su energía como ATP. La respiración celular requiere oxígeno y generalmente produce 36 moléculas de ATP por molécula de glucosa.

• La respiración celular tiene cuatro fases: la glucólisis, la reacción de transición, el ciclo del ácido cítrico y la cadena de transporte de electrones, y todas ocurren continuamente dentro de las células. La glucólisis ocurre en el citoplasma y divide la glucosa en piruvato mientras produce NADH (un portador de electrones de alta energía) y una ganancia neta de 2 ATP. Las moléculas de piruvato se mueven desde el citoplasma hacia el compartimento interno de la mitocondria, donde pasan por algunos pasos preparatorios, conocidos como reacción de transición, antes de ingresar al ciclo del ácido cítrico. El ciclo del ácido cítrico es un ciclo de ocho pasos que completa la descomposición de la glucosa en dióxido de carbono. El ciclo del ácido cítrico también produce 2 ATP y portadores de electrones de alta energía (NADH y FADH2). En la cadena de transporte de electrones, los portadores de electrones de alta energía producidos durante la glucólisis, la reacción de transición y el ciclo del ácido cítrico pasan sus electrones a una serie de proteínas incrustadas en la membrana interna de la mitocondria. El oxígeno es el aceptor final de electrones. La energía liberada durante la transferencia de electrones produce 32 ATP.

• La fermentación es la descomposición de la glucosa sin oxígeno. Ocurre en el citoplasma y comienza con la glucólisis, la división de la glucosa en piruvato. Las reacciones químicas restantes implican la transferencia de electrones del NADH al piruvato o un derivado del piruvato. En comparación con la respiración celular, la fermentación es una forma ineficiente para que las células recolecten energía porque produce solo 2 ATP en comparación con los 36 ATP de la respiración celular.

1. ¿En qué se diferencian las células procariotas y eucariotas? págs. 45-47

2. Describe la estructura de la membrana plasmática. págs. 48-49

3. Enumere cinco funciones de la membrana plasmática. pag. 49

4. ¿Cuál es la diferencia entre difusión simple y difusión facilitada? Da un ejemplo de cada uno. pag. 50

5. Describir y diferenciar endocitosis y exocitosis. págs. 52-53

6. ¿Dónde se encuentran los cromosomas en la célula? pag. 54

7. Enumere dos funciones de los lisosomas. págs. 54, 56

8. ¿Qué son las enfermedades por almacenamiento lisosómico? pag. 56

9. Nombra los tres tipos de fibras que forman el citoesqueleto. Describe sus estructuras y funciones. pag. 58

10. ¿Cuál es la función básica de la respiración celular? pag. 59

11. ¿En qué se diferencian la respiración celular y la fermentación con respecto al número de moléculas de ATP producidas y al requerimiento de oxígeno? pag. 63-64

una. tienen orgánulos internos unidos a la membrana.

B. suelen ser más grandes que las células eucariotas.

C. carecen de orgánulos internos encerrados en membranas.

D. tienen hebras lineales de ADN dentro de un núcleo.

una. es selectivamente permeable.

B. contiene lípidos que funcionan en el reconocimiento de células.

C. tiene moléculas de adhesión celular que evitan que las células se peguen entre sí.

D. está hecho de ácidos nucleicos.

14. La difusión facilitada es

una. el movimiento aleatorio de una sustancia desde una región de mayor concentración a una región de menor concentración.

B. el movimiento del agua a través de la membrana plasmática.

C. el movimiento de moléculas a través de la membrana plasmática contra un gradiente de concentración con la ayuda de una proteína transportadora y la energía suministrada por la célula.

D. el movimiento de una sustancia desde una región de mayor concentración a una región de menor concentración con la ayuda de una proteína de membrana.

15. Casi toda la información genética de una célula se encuentra en el

una. se encuentran en el retículo endoplásmico liso.

B. son sitios donde comienza la síntesis de proteínas.

C. procesar y modificar proteínas.

D. derribar invasores extranjeros y viejos orgánulos.

una. procesar energía para las células.

C. están delimitados por una sola membrana.

D. función en la digestión celular.

una. se encuentran en cilios y flagelos eucariotas.

B. están hechos de la proteína actina.

C. juegan un papel en la contracción muscular.

D. pellizcar una celda en dos durante la división celular.

una. ocurre en las mitocondrias.

C. divide la glucosa en piruvato.

D. captura 32 moléculas de ATP por molécula de glucosa.

20. _____ es la solución gelatinosa dentro de una célula que contiene todo entre el núcleo y la membrana plasmática.

21. _____ se llama & quot; bebida celular & quot.

22. El _____ es una región especializada dentro del núcleo que participa en la producción de ARNr.

23. _____ es el aceptor final de electrones en la cadena de transporte de electrones.

24. Nuestras células musculares pueden cambiar de la respiración celular a _____ cuando el oxígeno es bajo.

1. Teniendo en cuenta lo que sabe sobre la composición de la membrana plasmática, ¿esperaría que un anestésico fuera soluble o insoluble en lípidos? Explica tu respuesta.

2. ¿Esperaría encontrar más mitocondrias en las células musculares o óseas? Explica tu respuesta.

3. Durante la división celular, el núcleo y el citoplasma de una célula se dividen en dos células. El cáncer se caracteriza por una división celular descontrolada y, a menudo, se trata con quimioterapia. Algunos fármacos utilizados en quimioterapia detienen la división celular al afectar el citoesqueleto. ¿Cuáles de los elementos citoesqueléticos (microtúbulos, microfilamentos, filamentos intermedios) podrían verse afectados?

Alfabetización en información

Utilizando al menos tres fuentes confiables, prepare un folleto sobre la enfermedad de Tay-Sachs. Asegúrese de incluir las siguientes secciones: (1) Síntomas (2) Causas (3) Transmisión (4) Diagnóstico (antes y después del nacimiento) (5) Tratamiento, si lo hay y (6) Pronóstico. Enumere cada fuente que consideró y explique por qué eligió las fuentes que utilizó.

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3.4C: Empaquetado de ADN - Biología

Los eucariotas tienen genomas grandes en comparación con los procariotas. Para encajar sus genomas en una célula, los eucariotas deben empaquetar su ADN firmemente dentro del núcleo. Para hacerlo, el ADN se enrolla alrededor de proteínas llamadas histonas para formar nucleosomas, la unidad principal del empaquetado del ADN. Los nucleosomas luego se enrollan en fibras compactas conocidas como cromatina.

Tienes suficiente ADN para estirarte hacia el sol y hacia atrás cientos de veces

La mayoría de las células del cuerpo humano contienen alrededor de 3 mil millones de pares de bases de ADN empaquetados en 23 pares de cromosomas. Es difícil imaginar exactamente cuánto ADN representan estos números. Entonces, ¿cuánto empaquetamiento tiene que suceder para que el genoma encaje en una célula?

Podemos obtener algo de información expresando el genoma en términos de longitud. Si dispusiéramos el ADN de una sola célula humana, como una célula de la piel, en línea recta, tendría dos metros de largo y más de 6.5 pies. El cuerpo humano contiene alrededor de 50 billones de células humanas. Esto significa que cada persona tiene un total de aproximadamente 100 billones de metros de ADN. En otras palabras, ¡cada persona tiene suficiente ADN para extenderse desde la Tierra hasta el Sol 300 veces!

Y los seres humanos no tienen genomas particularmente grandes y los de muchos peces, anfibios y plantas con flores son mucho más grandes. Por ejemplo, el genoma de la planta con flores. Paris japonica es 25 veces más grande que el genoma diploide humano. Estas cifras enfatizan la asombrosa tarea que deben realizar los eucariotas para empaquetar su ADN dentro de las células.

Los nucleosomas son actores centrales en el empaquetado del ADN

Cada nucleosoma consta de ADN envuelto alrededor de un núcleo de ocho proteínas histonas. Cada núcleo está compuesto por cuatro tipos diferentes de histonas y mdashH2A, H2B, H3 y H4 y mdash, cada una de las cuales está presente en dos copias. Otro tipo de histona & mdashH1 & mdash se une tanto al nucleosoma como al ADN enlazador, estabilizando la estructura.

El ADN se vuelve más compacto a medida que los nucleosomas y el ADN enlazador se enrollan en fibras de cromatina. Las fibras de cromatina no condensada, o eucromatina, tienen aproximadamente 10 nm de diámetro. Los nucleosomas se asemejan a cuentas en una cuerda en estas fibras. A medida que el ADN continúa condensándose, las fibras de 10 nm se enrollan en hebras de aproximadamente 30 nm de grosor, que a su vez forman bucles que forman fibras de 300 nm de grosor. Cuando la cromatina está completamente compactada, se la conoce como heterocromatina.

La estructura poco compacta de la eucromatina permite que las enzimas, como la ARN polimerasa, accedan al ADN. La transcripción, por lo tanto, tiende a ocurrir predominantemente en regiones eucromáticas del genoma, que son ricas en genes. Por el contrario, la estructura compacta de la heterocromatina bloquea el acceso al ADN, lo que impide la transcripción. La heterocromatina predomina en los centrómeros y telómeros de los cromosomas, donde las secuencias de ADN altamente repetitivas son mucho más comunes que los genes. Además, los organismos pueden ajustar dinámicamente el nivel de empaquetamiento de ADN en respuesta a señales ambientales celulares y externas, descondensando el ADN cuando los genes necesitan ser activados y volviéndolo a condensar para desactivarlos.

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Empaquetado de moléculas de adn en cromosomas

Una célula humana contiene 46 cromosomas (23 pares), cada uno de los cuales es una única molécula de ADN agrupada con varias proteínas. En promedio, cada cromosoma humano contiene aproximadamente 1.3 x 108 pares de bases (bp) de ADN. Si el ADN de un cromosoma humano se estirara como

El ADN tiene que estar muy compactado para poder

El ADN debe estar muy compactado para formar nucleosomas (& quot; perlas en una cuerda & quot).

Figura 4.5. Cómo se empaqueta el ADN en los cromosomas.

nucleosomas (& quot; perlas en una cuerda & quot)

Figura 4.5. Cómo se empaqueta el ADN en los cromosomas.

Hasta donde llegaría sin romperse, tendría unos 5 cm de largo, por lo que los 46 cromosomas en total representan unos 2 m de ADN. El núcleo en el que debe estar contenido este ADN tiene un diámetro de sólo unos 10 ^ .m, por lo que se deben empaquetar grandes cantidades de ADN en un espacio pequeño. Esto representa un problema formidable que se resuelve uniendo el ADN a las proteínas para formar cromatina. Como se muestra en la Figura 4.5, la doble hélice de ADN está empaquetada a escalas pequeñas y grandes. En la primera etapa, que se muestra a la derecha de la figura, la doble hélice de ADN con un diámetro de 2 nm se une a proteínas conocidas como histonas. Las histonas están cargadas positivamente porque contienen altas cantidades de los aminoácidos arginina y lisina (página 185) y se unen estrechamente a los fosfatos cargados negativamente en el ADN. Una longitud de 146 pb de ADN se enrolla alrededor de un complejo de proteínas compuesto por dos moléculas, cada una de cuatro histonas diferentes (H2A, H2B, H3 y H4) para formar un nucleosoma. Debido a que cada nucleosoma está separado de su vecino por aproximadamente 50 pb de ADN enlazador, este estado de cromatina desplegado parece cuentas en una cuerda cuando se observa en un microscopio electrónico. Los nucleosomas se someten a un empaquetamiento adicional. Un quinto tipo de histona, H1, se une al ADN enlazador y junta los nucleosomas, lo que ayuda a enrollar aún más el ADN en fibras de cromatina de 30 nm de diámetro, que se conocen como solenoides de 30 nm. Luego, las fibras forman bucles con la ayuda de una clase de proteínas conocidas como no histonas, y esto condensa aún más el ADN (paneles en el lado izquierdo de la figura 4.5) en un conjunto de bobinas de orden superior en un proceso llamado superenrollamiento.

En una célula en interfase normal, aproximadamente el 10% de la cromatina está muy compactada y es visible bajo el microscopio óptico (página 57). Esta forma de cromatina se llama heterocromatina y es la parte del genoma donde no se produce síntesis de ARN. La cromatina en interfase restante está menos compactada y se conoce como eucromatina.

La cromatina se encuentra en su forma más compacta cuando la célula se está preparando para la mitosis, como se muestra en la parte superior izquierda de la Figura 4.5. La cromatina se pliega y se condensa aún más para formar los cromosomas de 1400 nm de ancho que vemos bajo el microscopio óptico. Debido a que la célula se va a dividir, el ADN se ha replicado, de modo que ahora cada cromosoma está formado por dos cromátidas, cada una de las cuales es una doble hélice de ADN. Esto significa que la célula progenitora, producida por división de la célula progenitora, recibirá un conjunto completo de 46 cromosomas. La figura 4.6 es una fotografía de los cromosomas humanos tal como aparecen en la división celular.

El cromosoma de la bacteria E. coli es una única molécula de ADN circular de aproximadamente 4,5 x 106 pares de bases. Tiene una circunferencia de 1 mm, pero debe caber en la célula 1 - ^. M, por lo que, al igual que los cromosomas eucariotas, está enrollada, superenrollada y empaquetada con proteínas básicas que son similares a las histonas eucariotas. Sin embargo, en los procariotas no se observa una estructura de nucleosoma ordenada similar a las cuentas en una cuerda que se ven en las células eucariotas. Los procariotas no tienen envolturas nucleares, por lo que el cromosoma condensado junto con sus proteínas asociadas se encuentra libre en el citoplasma, formando una masa que se llama nucleoide para enfatizar su equivalencia funcional con el núcleo eucariota.

Plásmidos

Los plásmidos son pequeños minicromosomas circulares que se encuentran en bacterias y algunos eucariotas. Tienen varios miles de pares de bases de largo y probablemente estén enrollados y superenrollados dentro de la célula. Los plásmidos a menudo codifican proteínas que confieren resistencia a un antibiótico en particular. En el Capítulo 7 describimos cómo los científicos e ingenieros genéticos utilizan los plásmidos para introducir artificialmente moléculas de ADN extrañas en las células bacterianas.

Los virus (página 11) dependen de la célula huésped para producir más virus. Una vez que los virus han entrado en las células, la maquinaria de las células se utiliza para copiar el genoma viral. Dependiendo del tipo de virus, el genoma puede ser ADN monocatenario o bicatenario, o incluso ARN. Un genoma viral está empaquetado dentro de una capa de proteína protectora. Los virus que infectan a las bacterias se denominan bacteriófagos. Uno de ellos, llamado lambda, tiene una molécula de ADN de tamaño fijo de 4.5 x 104 pares de bases. Por el contrario, el bacteriófago M13 puede cambiar el tamaño de su cromosoma, expandiendo su cubierta proteica en paralelo para acomodar el cromosoma. Esto hace que M13 sea útil en ingeniería genética (Capítulo 7).

EN PROFUNDIDAD 4.2 ADN: un nudo gordiano_

Al comienzo de su carrera, a Alejandro Magno le mostraron el Nudo Gordiano, una bola enredada de cuerda anudada, y le dijeron que quien desatara el nudo conquistaría Asia. Alejandro cortó el nudo con su espada. Un problema similar ocurre en el núcleo, donde los 46 cromosomas forman 2 m de ADN enredado y anudado. ¿Cómo se desenreda el ADN en la mitosis? La celda adopta la solución de Alexander: corta la cuerda. En cualquier lugar donde la hélice de ADN esté bajo tensión, por ejemplo, donde dos cromosomas se presionan entre sí, una enzima llamada topoisomerasa II corta una doble hélice de un cromosoma para que el otro pueda pasar a través del espacio. Luego, superando a Alexander, la enzima vuelve a unir los extremos del corte. Las topoisomerasas están activas todo el tiempo en el núcleo, aliviando cualquier cepa que se desarrolle en la masa enmarañada de ADN.


Los investigadores revelan el funcionamiento interno de un motor de empaquetado de ADN viral

Un grupo de investigadores ha descubierto el funcionamiento interno detallado del motor molecular que empaqueta el material genético en virus de ADN de doble hebra. El avance proporciona información sobre un paso crítico en el ciclo de reproducción de virus como el pox-herpes y los adenovirus. También podría inspirar a los investigadores que crean máquinas microscópicas basadas en biomotores naturales.

La investigación fue realizada por científicos de la Universidad de Duke, la Universidad de Minnesota, la Universidad de Massachusetts y la Rama Médica de la Universidad de Texas (UTMB). Los resultados aparecen en línea en una trilogía de artículos publicados en Avances de la ciencia, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias y Investigación de ácidos nucleicos.

"Faltaban varias piezas de información que nos impidieron comprender cómo funcionan estos tipos de motores de empaque de ADN, lo que obstaculizó nuestra capacidad para diseñar terapias o desarrollar nuevas tecnologías", dijo Gaurav Arya, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales, ingeniería biomédica. y química en Duke. "Pero con nuevos conocimientos y simulaciones, pudimos armar un modelo de este fantástico mecanismo, que es el más detallado jamás creado para este tipo de sistema".

Los virus vienen en muchas variedades, pero su clasificación generalmente depende de si codifican sus planos genéticos en ARN o en ADN monocatenario o bicatenario. La diferencia importa de muchas maneras y afecta la forma en que el material genético se empaqueta en nuevos virus. Mientras que algunos virus construyen un contenedor de proteínas llamado cápside alrededor del ARN o ADN recién producido, otros crean la cápside primero y luego la llenan con el material genético.

La mayoría de los virus de ADN de doble hebra toman la última ruta, lo que presenta muchos desafíos. El ADN está cargado negativamente y no quiere amontonarse en un espacio pequeño. Y está empaquetado en una estructura extremadamente densa, casi cristalina, que también requiere mucha fuerza.

"El beneficio de esto es que, cuando el virus está listo para infectar una nueva célula, la presión ayuda a inyectar ADN en la célula una vez perforada", dijo Joshua Pajak, un estudiante de doctorado que trabaja en el laboratorio de Arya. "Se ha estimado que la presión supera los 800 PSI, que es casi diez veces la presión en una botella de champán tapada con corcho".

Forzar el ADN a entrar en una cápside diminuta a esa cantidad de presión requiere un motor extremadamente potente. Hasta hace poco, los investigadores solo tenían una vaga idea de cómo funcionaba ese motor debido a lo difícil que es visualizarlo. El motor solo se ensambla en la partícula de virus, que es enorme en comparación con el motor.

"Tratar de ver el motor conectado al virus es como tratar de ver los detalles en la antorcha de la Estatua de la Libertad tomando una foto de toda la estatua", dijo Pajak.

Pero en una conferencia reciente, Pajak se enteró de que Marc Morais, profesor de bioquímica y biología molecular en UTMB, y Paul Jardine, profesor de diagnóstico y ciencias biológicas en la Universidad de Minnesota, habían estado trabajando en este motor durante años y tenían el equipo y habilidades necesarias para ver los detalles. Algunos de sus resultados iniciales parecían coincidir con los modelos que Pajak estaba construyendo con la poca información que ya estaba disponible. El grupo se emocionó de que sus hallazgos separados convergieran hacia un mecanismo común y rápidamente se dispusieron a resolver juntos el misterio del motor viral.

En un artículo publicado en Avances de la ciencia, Morais y sus colegas resolvieron los detalles de todo el motor en una de sus configuraciones. Descubrieron que el motor está formado por cinco proteínas unidas entre sí en una formación similar a un anillo. Cada una de estas proteínas es como dos ventosas con un resorte en el medio, lo que permite que la parte inferior se mueva verticalmente en una formación helicoidal para que pueda agarrarse a la columna vertebral helicoidal del ADN.

"Debido a que se pueden colocar alrededor de 100.000 de estos motores en la cabeza de un pasador y todos se mueven, verlos bien resultó difícil", dijo Morais. "Pero después de que mis colegas de la UTMB, Michael Woodson y Mark White, nos ayudaron a obtener imágenes con un microscopio crioelectrónico, un marco general del mecanismo encajó".

En un segundo artículo, publicado en Investigación de ácidos nucleicos, el grupo de Morais capturó el motor en una segunda configuración utilizando cristalografía de rayos X. Esta vez, las ventosas inferiores del motor estaban todas juntas en un anillo plano, lo que llevó a los investigadores a imaginar que el motor podría mover el ADN hacia el virus al alternar entre las dos configuraciones.

Para probar esta hipótesis, Pajak y Arya realizaron simulaciones de alto rendimiento en Anton 2, la supercomputadora más rápida disponible actualmente para ejecutar simulaciones de dinámica molecular. Sus resultados no solo respaldaron el mecanismo propuesto, sino que también proporcionaron información sobre cómo se contorsionan exactamente los engranajes del motor entre las dos configuraciones.

Mientras que las partes superiores de las proteínas permanecen unidas estáticamente a la partícula del virus, sus mitades inferiores se mueven hacia arriba y hacia abajo en un patrón cíclico impulsado por una molécula transportadora de energía llamada ATP. Una vez que todas las proteínas se han movido hacia arriba, arrastrando el ADN con ellas, las proteínas liberan el subproducto de la reacción química del ATP. Esto hace que el anillo inferior libere el ADN y vuelva a su estado helicoidal original, donde una vez más se aferran a más ATP y ADN para repetir el proceso.

"Joshua reunió muchas pistas e información para crear este modelo", dijo Arya. "Pero un modelo solo es útil si puede predecir nuevos conocimientos que aún no conocíamos".

En esencia, el modelo es una serie de acciones mecánicas que deben encajar y tener lugar en orden secuencial para que todo funcione correctamente. Las simulaciones de Pajak predijeron una serie específica de señales mecánicas que le dicen a las partes inferiores de las proteínas si deberían o no agarrar el ADN. Como una línea de dominó cayendo, eliminar una de las vías de señalización del medio debería detener la reacción en cadena y bloquear la señal.

Para validar esta predicción, los investigadores recurrieron a Jardine y sus colegas Shelley Grimes y Dwight Anderson para ver si la eliminación de una de las fichas de dominó de señalización en realidad impedía que el motor empaquetara el ADN. Un tercer artículo, publicado en PNAS, muestra que el sabotaje funcionó. Después de mutar un dominó en la vía de señalización para que no pudiera funcionar, el motor aún podía unirse y quemar combustible tan bien como siempre, pero era mucho peor empaquetando el ADN.

"El nuevo mecanismo predicho por las estructuras de alta resolución y las predicciones detalladas proporcionaron un nivel de detalle mayor que nunca antes", dijo Jardine. "Esto nos permitió probar el papel de los componentes críticos del motor y, por lo tanto, evaluar la validez de este nuevo mecanismo tal como lo entendemos actualmente".

El resultado es una fuerte indicación de que el modelo está muy cerca de describir cómo se comporta el motor en la naturaleza. El grupo planea continuar con su enfoque estructural, bioquímico y de simulación altamente integrado para probar y perfeccionar el modelo propuesto. Esperan que este conocimiento fundamental pueda potencialmente usarse para algún día combatir enfermedades o crear un motor molecular sintético.

"Toda la tecnología está inspirada en la naturaleza de una forma u otra", dijo Arya. "Ahora que sabemos realmente cómo funciona este motor molecular, esperamos que inspire a otros investigadores a crear nuevos inventos utilizando estos mismos mecanismos".


Cromosomas / cromátidas

  • Cromosomas y cromátidas ocurren como estructuras en forma de varilla o hilo en el núcleo de las células eucariotas. Los procariotas suelen tener un solo cromosoma circular (en la serie web no nos centraremos en este grupo). El nombre cromosoma (del griego croma = color y soma = cuerpo) se origina en el hecho de que los cromosomas se pueden observar como cuerpos que se pueden teñir en un microscopio óptico durante la división celular.
  • Los cromosomas y cromátidas contienen cromatina, que consiste principalmente en rodales extremadamente largos de ADN material (Ácido desoxirribonucleico) que funciona como portador de genes y elementos reguladores. Además, la cromatina contiene Histonas (proteínas cromosómicas) y otros proteinas involucrados en el empaquetamiento de las cadenas de ADN durante la condensación en la división celular (ver figura E aquí abajo) y pequeñas cantidades de ARN. /> />
  • Cromátidas hermanas (con -tid al final), son dos partes idénticas (= exactamente iguales) (Cromátidas) que surgen de la replicación de un cromosoma. (En la siguiente figura, las cromátidas hermanas A1 y A2 son una copia exacta entre sí, así como el conjunto B1 y B2, mientras que los homólogos A y B muestran pequeñas diferencias). Estas dos partes retienen la denominación cromátidas siempre que estén unidas entre sí a través del centrómero, que es el caso, por ejemplo, durante toda la fase S después de la duplicación del ADN (replicación). Esta conexión es visible como una constricción durante la mitosis o la meiosis. Durante la anafase en la mitosis y la anafase II en la meiosis, las dos cromátidas hermanas se separan en el centrómero. Según las definiciones actuales, cada cromátida se considera un cromosoma propio después de la separación de las cromátidas durante la división celular.
  • En la mayoría de los organismos, los cromosomas ocurren en pares, los llamados cromosomas homólogos (homólogo = similar / correspondiente). A diferencia de las cromátidas hermanas, los cromosomas homólogos constan de dos (ligeramente) diferente copias de los mismos cromosomas homólogos cromosómicos portan los mismos genes, pero las dos copias de cada alelo pueden ser idénticas o diferentes entre sí.
  • Un solo cromosoma contiene solo un solo cromosoma largo no ramificado ADN de doble hebra molécula que muestra el típico estructura de doble hélice. Este ADN de doble hebra está formado por un grupo fosfato que se alterna con un grupo desoxirribosa acoplado entre sí por ácidos nucleicos (adenina, guanina, timina y citosina). Estos ácidos nucleicos forman pares consistentes (AT y CG). De cada hebra complementaria de la molécula de ADN, la antisentido puede leerse (utilizado como plantilla) para la síntesis de proteínas, pero no la sentido.
  • los ploidía se refiere al número de copias diferentes de cada cromosoma presentes en una célula. La mayoría de las plantas y animales son diploides, indicado por 2n, lo que significa que hay dos copias de cada cromosoma por célula. Sus gametos, sin embargo, son haploides, indicados por norte (una sola copia). Las bacterias y algunas plantas y hongos son organismos haploides.
  • El número de cromátidas o cromosomas que codifican los mismos genes (correspondientes) dentro de una célula, a veces se indica con la letra minúscula. C. Por ejemplo, una célula que era 2c antes de la replicación, se convertirá en 4 c después de la replicación, por lo tanto, cuando el ADN se ha duplicado en la preparación de la mitosis, porque hay cuatro muestras de ADN que codifican los mismos genes, pero la ploidía permanecerá sin cambios. : si la celda era 2n, sigue siendo 2n después de la replicación y era 4n, sigue siendo 4n.
  • Además de albergar los genes que funcionan como archivo de información genética, los cromosomas también contienen fragmentos de ADN entre los genes que tienen una función estructural. Este es el caso de la telómero y centrómero que participan en la replicación y la división celular. El centrómero (centron = medio, meros = parte) es la región del cromosoma donde se mantienen juntas las cromátidas que surgen de la replicación. El centrómero alberga el cinetocoro, un complejo de proteínas donde los filamentos del huso se adhieren durante la mitosis o la meiosis. Debido a que el centrómero permanece relativamente poco en espiral durante la profase y la metafase, se puede distinguir como un "pellizco" primitivo.
  • El telómero (Gr. Telos = final, meros = parte) es un fragmento de ADN que se encuentra al final de los cromosomas y sirve para prevenir la corrupción del ADN. Fuertemente repetitivo, así llamado secuencias de satélite están relacionados con los telómeros. Durante la replicación, a veces se pierde parte de los telómeros, de modo que parecen más cortos después de la división celular. Cuando la enzima telomerasa está presente en la célula, los telómeros pueden recuperar su longitud, pero un acortamiento demasiado severo conduce a la inestabilidad cromosómica y al daño irreversible, de modo que se impide la división y se produce la muerte celular. Por otro lado, las células con telomerasa activa pueden continuar dividiéndose.