Replicación Celular y Dogma Central

Morfofisiología Humana I – Unidad III: Replicación Celular

La replicación celular es un proceso fundamental para la vida, involucrando la duplicación del material genético y la división celular, permitiendo el crecimiento, reparación y reproducción en los organismos. Esta unidad explora en detalle el núcleo, el ADN, el ARN, los procesos de replicación, transcripción y traducción, los sistemas de endomembranas, los lisosomas, los peroxisomas, el citoesqueleto y el ciclo celular, así como la mitosis y la meiosis.

El Núcleo Celular: Centro de Control Eucariota

El núcleo es uno de los compartimientos más importantes de las células eucariotas, diferenciándolas de las procariotas. Ocupa entre el 10% y el 50% del volumen celular total y alberga el genoma nuclear, que comprende 23 pares (46) de cromosomas. Cada cromosoma es una hebra de ADN asociada a proteínas, como las histonas.

Características del Núcleo

• Forma: Depende de la forma celular; puede ser circular, ovalado o aplanado.

• Tamaño: Es el orgánulo de mayor tamaño en células animales, aproximadamente de diámetro, ocupando cerca del 10% del volumen.

• Posición: Puede ser basal, central o apical.

• Número: Generalmente uno por célula, aunque pueden existir células multinucleadas como los miocitos o las Giardias.

Componentes del Núcleo

Los principales componentes internos del núcleo son:

• Envoltura nuclear: Barrera que rodea el núcleo.

• Poros nucleares: Estructuras que regulan el paso de moléculas.

• Cromatina: Material genético (ADN) asociado a proteínas.

• Nucleoplasma: Sustancia interna que llena el núcleo.

• Nucléolo: Estructura especializada en la síntesis de ribosomas.

El núcleo también contiene cromosomas, ARN, el ARN ribosomal (ARNr) en el nucleolo, diversas proteínas y la matriz nuclear.

Funciones del Núcleo

El núcleo orquesta las funciones celulares esenciales:

• Dirige y mantiene en orden el funcionamiento de la célula.

• Es el sitio de la autoduplicación del ADN (replicación) y la transcripción (producción de ARN) para la síntesis de proteínas.

• Mantiene la integridad de los genes.

• Controla las actividades celulares a través de la expresión genética.

• Produce ribosomas en el nucleolo.

Envoltura Nuclear (Carioteca)

La envoltura nuclear es una doble membrana concéntrica que encierra el contenido nuclear.

• Está compuesta por dos membranas concéntricas unidas por poros.

• La membrana externa se continúa con el retículo endoplasmático y está sostenida por microfilamentos.

• La membrana interna está sostenida por la lámina nuclear.

• El espacio perinuclear es el espacio entre ambas membranas.

• La lámina nuclear es una malla delgada de proteínas que proporciona resistencia y forma esférica a la carioteca, interrumpida solo por los poros.

Los componentes de la envoltura nuclear incluyen: membrana externa, membrana interna, red de microfilamentos, proteínas fijadoras, lámina nuclear y espacio perinuclear.

Funciones de la Envoltura Nuclear

• Protege el material genético.

• Actúa en la selectividad del transporte de moléculas.

• Regula el transporte de sustancias hacia y desde el núcleo.

• Contribuye a la nutrición nuclear.

Poros Nucleares

Lejos de ser simples aberturas, los poros nucleares son estructuras proteicas complejas que atraviesan ambas membranas de la envoltura.

• La envoltura nuclear contiene entre 300 y 400 poros.

• Estos poros están formados por un complejo de poros nucleares compuesto por nucleoproteínas.

• Constituyen una pared cilíndrica donde la membrana externa se continúa con la interna.

• Poseen anillos internos y externos formados por las columnas proteicas.

• Las fibrillas proteicas surgen de las columnas y se orientan hacia el centro del poro, formándose un diafragma regulable.

• Otras fibrillas se proyectan hacia el nucleoplasma y el citosol, uniendo los extremos para intervenir en el paso de proteínas.

Transporte a Través de los Poros Nucleares

Los poros nucleares facilitan el transporte de diversas moléculas:

• ATP

• Glucosa

• Iones

• Proteínas

• ARN

• Virus

El transporte puede ocurrir por difusión pasiva, difusión facilitada o transporte activo. Las proteínas destinadas al núcleo poseen una secuencia señal nuclear (NSL), reconocida por proteínas importinas.

Mecanismo de Importación Nuclear Activa

La importación de proteínas al núcleo es un proceso activo que requiere energía (GTP):

1. La proteína a importar presenta un péptido señal nuclear (NSI).

2. El NSI se une a una importina (un heterodímero ) formando un complejo. Este complejo NSI-importina se une a la proteína (ej., queratina).

3. El complejo resultante es guiado hacia el núcleo a través de las fibrillas de los poros.

4. Hay un gasto de GTP, cuya hidrólisis es mediada por la proteína Ran (una GTPasa). Ran está regulada por dos proteínas:

   • GEF (Factor de intercambio de nucleótidos de guanina): Promueve el intercambio de GDP por GTP en Ran.

   • GAP (Proteína activadora de GTPasa): Hidroliza GTP a GDP en Ran.

5. En el núcleo, GEF reemplaza GDP por GTP en Ran, formando Ran-GTP.

6. Ran-GTP se une a la importina, causando que esta libere la proteína cargada. La proteína queda en el núcleo.

7. El complejo importina-Ran-GTP sale del núcleo hacia el citosol.

8. En el citosol, GAP induce la hidrólisis de GTP a GDP en Ran, liberando la importina, que queda disponible para un nuevo ciclo de importación.

Cromatina

La cromatina es el complejo de ADN, histonas y proteínas no histónicas que se encuentra en el núcleo de las células eucariotas y constituye los cromosomas. Su unidad básica es el nucleosoma.

• Histonas: Proteínas globulares de bajo peso molecular, muy conservadas evolutivamente, que forman la cromatina.

• Nucleosomas: Unidades básicas de la cromatina, formadas por un octámero de histonas alrededor del cual se enrolla el ADN.

Los seres humanos poseen 23 pares de cromosomas, 22 de los cuales son autosómicos (diploides). Los cromosomas presentan un centrómero esencial para la replicación y telómeros en sus extremos.

Tipos de Cromatina

Dependiendo de su estado de condensación y actividad transcripcional, la cromatina se clasifica en:

1. Heterocromatina:

   • Forma inactiva, condensada, localizada principalmente en la periferia del núcleo.

   • Aparece muy condensada en observaciones histológicas.

   • Comprende una maraña fibrosa cuyo diámetro varía según el ciclo celular y la región del cromosoma.

   • Constitutiva: Idéntica en todas las células del organismo, carece de información genética expresable, incluyendo telómeros y centrómeros. Contiene ADN satélite. Se mantiene altamente condensada.

   • Facultativa: Puede estar condensada o ser activamente transcripta (descondensada) según el tipo celular, es decir, su estado es variable. Cuanto más enrollada, menos activa.

2. Eucromatina:

   • Menos densa, se tiñe menos.

   • Activa para la transcripción.

   • Generalmente se replica antes en el ciclo celular de los mamíferos.

La función principal de la cromatina es la relación directa entre el grado de enrollamiento y la actividad transcripcional del ADN.

Nucléolo

El nucléolo es un orgánulo dentro del núcleo, rodeado por cromatina condensada, pero carece de membrana propia. Es una región destacada de heterocromatina.

• Es aproximadamente esférico y flexible, su tamaño varía entre y .

Estructura del Nucléolo

• Parte granular: Contiene ARN y ribonucleoproteínas, donde se ensamblan las subunidades ribosomales.

• Partes fibrilar: Contiene ARN en transcripción, es más densa y está compuesta por fibrillas de ARN y ribonucleoproteínas.

• Centro fibrilar: Almacena y reserva proteínas, contiene ADN activo y algo de ARN.

Composición Química del Nucléolo

• ARN: 10% a 30%

• ADN: 1% a 3%

• Proteínas SRP (Small Ribonucleoprotein Particles)

• Nucleoproteínas

• Ribonucleoporinas

Una de sus funciones importantes es almacenar proteínas.

Funciones Principales del Nucléolo

• Biosíntesis, producción y ensamblaje de componentes ribosomáticos.

• Relacionado con la síntesis de proteínas.

• Maneja el tráfico de segmentos de ARN.

Bases Nitrogenadas, Nucleósidos y Nucleótidos

Estos componentes son esenciales para la estructura y función de los ácidos nucleicos.

Bases Nitrogenadas

Son compuestos orgánicos cíclicos simples que forman los nucleótidos. Se clasifican según su estructura:

• Bases isoaloxílicas: Derivadas de la isoaloxacila (ej. flavina).

• Bases purínicas: Derivadas de las purinas, son la Adenina (A) y la Guanina (G).

• Bases pirimidínicas: Derivadas de la pirimidina, son la Timina (T), la Citosina (C) y el Uracilo (U).

Las bases purínicas y pirimidínicas se complementan entre sí mediante puentes de hidrógeno:

• Adenina – Timina: Formada por dos enlaces de hidrógeno, presente solo en el ADN.

• Adenina – Uracilo: Formada por dos enlaces de hidrógeno, presente solo en el ARN.

• Guanina – Citosina: Formada por tres enlaces de hidrógeno, presente tanto en ADN como en ARN.

Esta complementariedad es crucial para procesos como la replicación del ADN, la transcripción y la traducción.

Nucleósidos

Un nucleósido es una molécula monomérica orgánica que integra los ácidos nucleicos. Resulta de la unión de una base heterocíclica (nitrogenada) y una pentosa (ribosa o desoxirribosa).

• Nucleósidos comunes: Citidina, Uridina, Adenosina, Guanosina, Timidina, Inosina.

• Los nucleósidos pueden combinarse con grupos fosfato para formar nucleótidos.

Clasificación de Nucleósidos

Según el azúcar que contengan:

• Ribonucléicos: Utilizan ribosa.

• Desoxirribonucléicos: Utilizan desoxirribosa.

Según la base nitrogenada:

• Las que tienen bases purínicas terminan en "-osina" (ej. Adenosina).

• Las que tienen bases pirimidínicas terminan en "-idina" (ej. Citidina).

Representación:

• Ribonucleósidos: Primera letra de su nombre en mayúscula (A, G, C, U).

• Desoxirribonucleósidos: Letra "d" en minúscula seguida de la primera letra de su nombre en mayúscula (dA, dG, dC, dT).

Nucleótidos

Son moléculas orgánicas formadas por la unión covalente de un nucleósido con uno o más grupos fosfato.

Componentes de los Nucleótidos

• Base nitrogenada

• Pentosa (ribosa o desoxirribosa)

• Ácido fosfórico (uno, dos o tres grupos fosfato)

El nombre del nucleótido se complementa con "mono-", "di-" o "trifosfato" según el número de grupos fosfato.

Funciones de los Nucleótidos

• Composición de los ácidos nucleicos (ADN y ARN).

• Agentes reductores (NAD(P) o FAD).

• Síntesis de proteínas.

• Intermediarios energéticos (ej. UDP).

• Mediadores fisiológicos (ej. AMPc).

• Efectos alostéricos.

• Transferencia de energía (ATP es la fuente de energía preferida de la célula).

La pentosa puede ser ribosa (para ARN) o desoxirribosa (para ADN).

Nomenclatura de Nucleótidos

• Purínicas: terminación en "-osin" (ej. Adenosín).

• Pirimidínicas: terminación en "-idin" (ej. Uridín).

• Si usa desoxirribosa, se añade el prefijo "desoxi-".

• Ejemplo: Desoxiadenosintrifosfato.

Derivados de Nucleótidos y sus Funciones Específicas

• Derivados de Adenosina:

  • Traductores de energía libre (ATP).

  • Regulación (AMPc).

  • Donador de sulfato (fosfoadenosina fosfosulfato).

  • Donador de grupos metilo (5-adenosilmetionina).

• Derivados de Guanosina:

  • Transformación de succinil a succinato (GDP).

  • Activación de la adenilato ciclasa (GTP).

  • Mensajero celular (GMPc).

• Derivados de Uridina:

  • Metabolismo del glucógeno (UDP).

  • Donador de ácidos glucosídicos (UDP-ácidos glucorónico).

• Derivados de Citidina:

  • Síntesis de fosfoacilglicéridos (CTP, CDP colina).

Polinucleótidos y Enlaces Fosfodiéster

Un polinucleótido es una molécula orgánica formada por la unión de dos o más nucleótidos mediante enlaces fosfodiéster. Estos enlaces se forman entre un grupo hidroxilo en el carbono de una pentosa y un grupo fosfato en el carbono de la siguiente, creando cadenas largas.

Diferencias entre Nucleósidos y Nucleótidos

Ácidos Nucleicos: ADN y ARN

Los ácidos nucleicos son macromoléculas, polímeros formados por la repetición de monómeros llamados nucleótidos, unidos por enlaces fosfodiéster. Forman así grandes cadenas o polinucleótidos.

Funciones de los Ácidos Nucleicos

• Contener la información genética.

• Almacenamiento de información genética.

• Recopilar la información genética.

• Recombinación de la información genética.

• Transcripción de la información genética.

Los virus pueden poseer solo un tipo de ácido nucleico (ADN o ARN).

Ácido Desoxirribonucleico (ADN)

El ADN constituye el depósito principal de la información genética. Está formado por desoxirribonucleótidos unidos por enlaces 3', 5' fosfodiéster. La información genética reside en el orden de estos desoxirribonucleótidos.

Estructura del ADN

• Cada cadena de ADN tiene un terminal y otro .

• Las bases nitrogenadas que lo componen son: Adenina (A), Timina (T), Guanina (G), Citosina (C).

• En organismos vivos, se presenta como una doble cadena de nucleótidos, unidas por puentes de hidrógeno.

• La cantidad de Adenina es igual a la de Timina (), y la de Guanina es igual a la de Citosina () (Reglas de Chargaff).

• Las dos hebras son antiparalelas: una va en dirección y la otra en dirección . Una de ellas puede ser codificadora y la otra no codificadora.

• El ADN adopta una estructura de doble hélice. La forma más habitual es la B, con 10 pares de bases por giro.

• Los enlaces G-C son más fuertes que los A-T (debido a los 3 puentes de hidrógeno vs. 2). Las regiones ricas en A-T son más propensas a desnaturalizarse.

• El ADN es desnaturalizado por incremento de temperatura para estudios.

• Posee una hendidura mayor y otra menor. Puede superenrollarse, lo cual es común en bacterias.

• En eucariotas, se encuentra en el núcleo, aunque también en menor cantidad en las mitocondrias. En procariotas, en el citoplasma dentro de los cromosomas.

• El ADN tiene una estructura terciaria.

Funciones del ADN

• Almacenamiento de la información genética.

• Codificación de proteínas.

• Autoduplicación (replicación).

• Asegurar la transmisión a células hijas durante la división celular.

• Proveer la información heredada por las células hijas.

Descubrimiento de la Doble Hélice (Watson y Crick)

Propusieron que el ADN tiene una forma de doble hélice, lo que le permite:

• Reducirse por sí misma (replicación).

• Ser una estructura más fuerte que cadenas paralelas simples.

• Estar estabilizado por puentes de hidrógeno y enlaces fosfodiéster.

Ácido Ribonucleico (ARN)

El ARN es un polímero de ribonucleótidos enlazados por 3' y 5' fosfodiéster. Es el material genético de algunos virus y está presente en todas las células.

Características del ARN

• Desempeña diversas funciones intermedias en la síntesis de proteínas, ya que el ADN no puede actuar solo.

• Varios tipos de ARN regulan la expresión genética, y algunos tienen actividad catalítica (ribozimas).

• Es más versátil que el ADN.

• Está formado por la pentosa ribosa y las bases: Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C), Uracilo (U).

• La información en una tira sencilla de ARN se convierte en su secuencia de nucleótidos.

Tipos de ARN Pincipales

1. ARN Mensajero (ARNm):

   • Moléculas citoplasmáticas de ARN que sirven como molde para la síntesis de proteínas.

   • Transfieren la información genética del ADN a la maquinaria sintetizadora de proteínas.

   • Es el más heterogéneo en tamaño y estabilidad.

   • Su extremo está "rematado" por un trisfosfato de 7-metilguanosina, que se une a un 2-O-metil-ribonucleósido, para ser reconocido por la maquinaria.

   • Se sintetiza en el nucleoplasma de eucariotas y luego se exporta al citosol a través de los poros nucleares.

2. ARN de Transferencia (ARNt):

   • Cortos polímeros (75-80 nucleótidos).

   • Función de transferir información a un aminoácido específico. Existe al menos un ARNt para cada uno de los 20 aminoácidos.

   • Se une a lugares específicos de los ribosomas durante la traducción.

   • Se genera por procesamiento nuclear de una molécula precursora.

   • Tiene una estructura secundaria plegada en forma de hoja de trébol con 4 brazos:

     • Brazo aceptor: Formado por el extremo y , donde se une el aminoácido.

     • Bucle (o brazo) TC: Actúa como sitio de reconocimiento de los ribosomas.

     • Bucle (o brazo) D: Entra en contacto con la enzima aminoacil-ARNt sintetasa, que une cada aminoácido a su ARNt correspondiente.

3. ARN Ribosomal (ARNr):

   • Tipo de ARN más abundante.

   • Conforma los ribosomas, que sintetizan proteínas según la secuencia del ARNm.

   • Actúa como la maquinaria principal en la síntesis de proteínas.

   • Se ha clasificado según su coeficiente de sedimentación en Svedbergs (S) (ej. 5S, 5.8S, 18S, 28S en eucariotas; 16S, 23S, 5S en procariotas).

   • Todas las moléculas de ARNr (excepto el ARN 5S) provienen de un precursor en el núcleo. El ARN 5S tiene su propio precursor en el citoplasma.

Otros Tipos de ARN

• ARN nuclear: En el núcleo y cuerpos de Cajal, con actividad catalítica, transforma bases nitrogenadas.

• ARN mitocondrial: Las mitocondrias tienen su propia síntesis de proteínas con sus tres tipos de ARN.

• ARN interferente (ARNi): Suprimen la expresión de genes específicos mediante ribointerferencias. Se generan por fragmentación de ARN más grandes (20-25 nucleótidos).

• ARN interferente pequeño (siRNA): Se forma por ruptura de ARN viral, creando un complejo proteico que rompe ARNm, bloqueando la expresión génica.

Comparación entre ADN y ARN

Dogma Central de la Biología Molecular

El Dogma Central ilustra los mecanismos de transmisión y expresión genética. Propuesto inicialmente por Crick (1970), postula una unidireccionalidad en la expresión de la información genética: Solo el ADN puede duplicarse y transmitir su información genética. Este proceso consta de tres pasos principales:

1. Replicación: Proceso por el cual se obtienen copias idénticas de una molécula de ADN. Fundamental para la transferencia de información genética a la siguiente generación.

2. Transcripción: Proceso que transfiere la información contenida en secuencias de ADN a una molécula de ARNm.

3. Traducción: Proceso donde el ARNm sirve como intermediario para producir un polipéptido (proteína) según el código genético.

Replicación del ADN

La replicación es el proceso en el que las moléculas de ADN generan otras moléculas idénticas.

Características de la Replicación del ADN

• Semiconservadora: Cada una de las moléculas hijas conserva una de las cadenas originales (cadena "vieja" o molde) y una cadena recién sintetizada.

• Dispersa: (Hipótesis descartada) Proponía que las cadenas hijas tendrían fragmentos de la cadena madre dispersos.

• Conservadora: (Hipótesis descartada) Teoría que una molécula hija sería completamente nueva y la otra completamente original.

• Síntesis simultánea: Ambas cadenas se replican al mismo tiempo.

• Secuencial: Ocurre en un orden específico.

• Bidireccional: La horquilla de replicación avanza en dos direcciones opuestas desde el origen.

• Origen monofocal o multifocal: Puede iniciarse en un solo punto (procariotas) o en múltiples puntos (eucariotas).

• Semidiscontinua: Una cadena se sintetiza de forma continua y la otra de forma discontinua.

El proceso avanza en forma de horquilla de replicación y en dirección (en la hebra molde). Tiene tres fases: Iniciación, Elongación y Terminación.

Fases de la Replicación del ADN

1. Iniciación:

   • La enzima Helicasa rompe los puentes de hidrógeno de la doble hélice, desenrollando el ADN y gastando ATP.

   • La Topoisomerasa (o ADN girasa) evita el superenrollamiento del ADN que se produce por el desenrollado, aliviando la tensión torsional.

   • Las proteínas SSB (Single-Strand Binding proteins) se unen a las hebras separadas para impedir que se vuelvan a unir.

   En esta fase, se prepara el ADN para su duplicación.

2. Elongación: Después de la iniciación, las dos hebras están separadas, una en dirección y otra en .

   • La ADN polimerasa III actúa sobre la hebra molde , sintetizando una nueva hebra complementaria en dirección (cadena adelantada, continua).

   • Dado que la ADN polimerasa solo sintetiza en dirección , la hebra molde (cadena rezagada o discontinua) necesita un mecanismo diferente.

   • Una ARN primasa sintetiza pequeños fragmentos de ARN llamados cebadores, que proporcionan un extremo libre para que la ADN polimerasa III pueda iniciar la síntesis.

   • La ADN polimerasa III sintetiza fragmentos de ADN en la cadena rezagada, conocidos como fragmentos de Okazaki, que parten de estos cebadores.

3. Terminación:

   • La ADN polimerasa I elimina los cebadores de ARN y los sustituye por los nucleótidos de ADN correspondientes.

   • La ADN ligasa sella los espacios entre los fragmentos de Okazaki (mediante enlaces fosfodiéster), uniendo la cadena recién sintetizada.

   • Finalmente, la ADN girasa (una topoisomerasa) actúa para girar y relajar las hélices.

Enzimas y Proteínas Clave en la Replicación

Errores de Replicación y Mutaciones

En el proceso de replicación, pueden ocurrir errores que dan lugar a mutaciones. Estas mutaciones pueden ser:

• Favorables: Tienen mayor probabilidad de perpetuarse, siendo "puestas a prueba" por el medio y permitiendo la evolución de la especie.

• Neutras: No tienen un efecto significativo en el organismo.

• Desfavorables: Perjudican al organismo.

La mutación es la base de la evolución biológica.

Importancia de la Replicación

• Duplicación de las moléculas de ADN para la herencia.

• El ADN nuevo puede ser transcrito a ARNm para la síntesis de proteínas.

Inhibidores de la Replicación y Aplicaciones Farmacológicas

Ciertos medicamentos inhiben la replicación de microorganismos.

1. Antibióticos: Bloquean la síntesis de ADN, ARN, ribosomas o enzimas.

   • Ej: Mitomicina (inhibe la ARN polimerasa).

2. Antivirales: Tratan infecciones virales.

   • Actúan creando nucleótidos análogos que inhiben enzimas virales o bloquean la transcripción inversa o la replicación viral.

   • Ej: Aciclovir (para herpes zóster), que actúa como un antagonista competitivo de la polimerasa viral, impidiendo la síntesis de la nueva cadena de ADN.

3. Medicamentos específicos:

   • Sulfamidas: Inhiben la síntesis de ácido fólico, afectando la síntesis de purinas y ADN (antibiótico).

   • Trimetoprim: Inhibe la dihidrofolato reductasa, agotando el folato esencial para la síntesis de purinas y ADN.

   • Fluoroquinolonas: Antibióticos que impiden la replicación del ADN al actuar sobre la ADN girasa y la ADN topoisomerasa, provocando superenrollamiento.

   • Nitronidazol: Antiparasitario que inhibe la síntesis de ácidos nucleicos en protozoarios y bacterias anaeróbicas.

Transcripción del ADN

La transcripción es el proceso mediante el cual se sintetiza ARN utilizando una hebra de ADN como molde en dirección . La información del ADN (A, T, G, C) se "reescribe" en ARN (A, U, G, C), donde la Timina es reemplazada por Uracilo.

Unidad de Transcripción

Es la porción del ADN que codifica la síntesis de ARN. Las moléculas de ARN se sintetizan por ARN polimerasas. La hebra molde siempre tiene dirección .

Flujo de Información Genética en la Transcripción

La expresión genética ocurre mediante la transferencia secuencial de información: Solo una de las dos cadenas de la unidad de transcripción es transcrita.

Características de la Transcripción

• Selectiva: La síntesis de ARN no es aleatoria; ocurre en sitios específicos con un principio y fin preestablecidos.

• Reiterativa: En algunas zonas, el ADN puede copiarse rápidamente.

Los precursores para la síntesis de ARN son los 4 ribonucleótidos: ATP, GTP, UTP, CTP. La cadena de ARN crece en dirección . La secuencia de bases del ARN es complementaria a la hebra molde de ADN: A-U, G-C, C-G, T-A. Las enzimas clave son las ARN polimerasas.

Tipos de ARN Pincipales en Transcripción

• ARN ribosomal (ARNr)

• ARN mensajero (ARNm)

• ARN transferencial (ARNt)

• ARN nuclear pequeño (ARNsn)

ARN Polimerasa en Procariotas (E. coli)

En bacterias, la ARN polimerasa dependiente de ADN es la única enzima de transcripción. La de E. coli consta de subunidades () que forman la holoenzima.

• La subunidad (factor sigma) se une débilmente a la enzima (enzima núcleo) y reconoce los lugares donde se inicia la síntesis de ARN.

• Las otras cuatro subunidades () realizan la síntesis de ARN catalíticamente.

Fases de la Transcripción

La transcripción tiene cuatro pasos secuenciales:

1. Reconocimiento:

   • La ARN polimerasa interactúa con los promotores (sitios de reconocimiento para el factor ).

   • La holoenzima se une al promotor (complejo cerrado) y favorece la apertura parcial de las cadenas de ADN (complejo abierto).

   • Los sitios de reconocimiento a menudo tienen una longitud de 40 nucleótidos y son ricos en ATP.

2. Iniciación:

   • Comienza la formación del primer enlace fosfodiéster entre dos ribonucleótidos. El primer ribonucleótido de un ARN nuevo suele ser una purina (GTP o ATP).

   • El molde de ADN se lee en dirección , y el ARN se sintetiza en dirección .

3. Elongación (Alargamiento):

   • Se añaden ribonucleótidos, formando nuevos enlaces entre ellos. Las cadenas de ARN crecen progresivamente.

   • Esta etapa la lleva a cabo la ARN polimerasa núcleo, después de liberar la subunidad .

   • La ARN polimerasa se mueve a lo largo del molde de ADN, uniendo los ribonucleótidos a sus bases nitrogenadas complementarias.

   • El ARN sintetizado se desprende del ADN, y la doble hélice del ADN se reconstituye.

4. Terminación:

   • Ocurre cuando la síntesis de ARN se detiene en un sitio específico del ADN.

   • La enzima ARN polimerasa y el ARN recién sintetizado se separan del ADN.

   • En procariotas, la terminación a menudo requiere de un factor proteico llamado rho, que se une a la ARN polimerasa y ejerce su actividad para la separación.

ARN Polimerasas en Eucariotas

En eucariotas, existen varias ARN polimerasas con funciones específicas:

Diferencias entre Transcripción en Procariotas y Eucariotas

• La transcripción en eucariotas es más compleja y larga.

• Ocupa secuencias de ADN más largas.

• La iniciación es más compleja.

Maduración Post-transcripcional del ARN

La transcripción es seguida por un proceso de maduración del ARN, que varía según el tipo de ARN y el organismo.

En Células Procariotas

• ARNm: Generalmente no son procesados; el ARNm transcrito es funcional.

ARNr: Los tres tipos de ARNr (23S, 16S, 5S) se encuentran en una misma unidad de transcripción. La enzima Ribonucleasa III corta específicamente las zonas espaciadoras.

• ARNt: Los precursores de ARNt contienen secuencias adicionales en los extremos y que son eliminadas por ribonucleasas (ej. Ribonucleasa P y Ribonucleasa Q).

En Células Eucariotas

Todos los ARN sufren modificaciones post-

transcripcionales.

• ARNm:

  1. Adición de una caperuza (cap) de 7-metilguanosina al extremo .

  2. Corte en el extremo por una nucleasa y adición de una cola poli(A) (100-200 residuos de A).

  3. Corte de intrones y empalme (splicing) de exones, dando lugar a un ARNm maduro.

  4. Estos procesos son precursores para la salida del ARNm maduro al citosol.

• ARNt:

  • Recorte terminal de los extremos y por endonucleasas y una ligasa.

  • En el extremo se agrega la secuencia CCA (extremo aceptor de aminoácidos).

  • Ocurren modificaciones químicas de bases y nucleótidos.

Inhibidores de la Transcripción

• Actinomicina: Antibiótico que inhibe la elongación de las cadenas de ARN tanto en eucariotas como en procariotas.

• Rifampicina: Derivado semisintético, inhibe la síntesis de ARN solo en procariotas (bacterias). Se une a la subunidad de la ARN polimerasa y bloquea la iniciación. Las polimerasas eucariotas no son sensibles.

• -Amanitina: Toxina de hongo venenoso, potente inhibidor de la ARN polimerasa II en eucariotas, bloqueando la formación de precursores de ARNm.

Sistema de Endomembranas

El sistema de endomembranas es una red de orgánulos membranosos interconectados funcionalmente que abarcan una gran porción del espacio intracelular. No todos los orgánulos membranosos forman parte de este sistema, sino solo aquellos cuyas funciones están conectadas.

Componentes del Sistema de Endomembranas

• Retículo Endoplasmático (liso y rugoso)

• Aparato de Golgi

• Envoltura Nuclear (y el núcleo)

• Endosomas

• Lisosomas

Los orgánulos membranosos autónomos, como mitocondrias y peroxisomas, no forman parte de este sistema.

Ribosomas

Son los orgánulos más abundantes de la célula, complejos macromoleculares de proteínas y ARN. No poseen membrana.

• Morfológicamente varían entre células procariotas y eucariotas.

• Presentan dos subunidades: una pequeña (ej. 40S en eucariotas) y una grande (ej. 60S en eucariotas).

• Se encuentran libres en el citoplasma o adheridos al Retículo Endoplasmático Rugoso (RER).

• También forman parte de estructuras llamadas polirribosomas o polisomas (varios ribosomas unidos a una molécula de ARNm).

• En eucariotas, se sintetizan en el nucléolo.

• Son los encargados de la síntesis proteica (traducción de ARNm a proteínas). El ARN predominante es el ARN ribosomal.

• Presentan un centro activo donde se lleva a cabo la síntesis proteica.

Retículo Endoplasmático

Es un orgánulo que se distribuye por todo el citoplasma, partiendo de la envoltura nuclear. Está compuesto por una red tridimensional de túbulos y sáculos aplanados e interconectados. Se divide en dos sectores según la presencia o ausencia de ribosomas:

Retículo Endoplasmático Liso (REL)

• Libre de ribosomas.

• Compuesto por una red de túbulos intercomunicados.

• Su volumen y distribución varían mucho entre células.

Funciones del REL

• Síntesis de lípidos (incluyendo hormonas esteroides en gónadas y corteza suprarrenal).

• Detoxificación de fármacos y metabolitos.

• Movilización de glucosa (ej. en hígado).

• Almacenamiento de iones (importante para la contracción muscular).

• Desencadenar la forma contráctil del citoesqueleto en el músculo.

• Maduración de proteínas (aunque de forma limitada, algunas chaperonas).

Retículo Endoplasmático Rugoso (RER)

• Principal característica: posee ribosomas adheridos a su cara citosólica.

• Se desarrolla mucho en células con gran síntesis de proteínas de exportación o de membrana.

• Formado por sacos aplanados (cisternas).

• Los ribosomas se unen a receptores específicos en el RER llamados riboporinas.

Funciones del RER

• Síntesis de proteínas destinadas a secreción, membranas, lisosomas o Golgi.

• Translocación de proteínas al lumen del RE.

• Modificaciones post-traduccionales (ej. glicosilación inicial).

• Síntesis de enzimas.

• Liberación de proteínas cuando sea necesario.

• Proteólisis (de proteínas mal plegadas).

Los ribosomas del RER forman polirribosomas o polisomas al unirse a una molécula de ARNm.

Aparato de Golgi

Orgánulo situado entre el RE y la membrana plasmática, presente en todas las células eucariotas (excepto glóbulos rojos y células epidérmicas).

• Formado por unos 80 dictiosomas, y cada dictiosoma por 6-8 cisternas aplanadas.

• Su función principal es completar la fabricación y procesamiento de proteínas y lípidos.

• Posee dos regiones:

  • Cara cis (convexa): Orientada hacia el RE, recibe vesículas de transporte del RE. Incluye la red cis-Golgi y las cisternas cis.

  • Cara trans (cóncava): Orientada hacia la membrana plasmática, desde donde salen las vesículas con productos finales. Incluye las cisternas trans y la red trans-Golgi.

Modificaciones y Funciones en el Golgi

• Modificaciones post-traduccionales: glicosilaciones (complejas), metilaciones, fosforilaciones, proteólisis.

• Secreción celular: las sustancias entran por la cara Cis y son transportadas en vesículas. Al llegar a la cara Trans, son distribuidas como vesículas de secreción.

• Forma lisosomas primarios y acrosomas (en espermatozoides).

Flujo de Proteínas a través del Sistema de Endomembranas

1. En el núcleo, se transcribe la información. El ARNm sale por los poros nucleares.

2. En los ribosomas del RER, se sintetizan las proteínas (polirribosomas).

3. Las proteínas utilizan proteínas de transporte para ir al complejo de Golgi.

4. En el complejo de Golgi, las proteínas se modifican o maduran.

5. Salen en forma de vesículas y pueden:

   • Formar peroxisomas (aunque sus enzimas se sintetizan en ribosomas libres).

   • Formar parte de membranas celulares.

   • Salir por exocitosis para cumplir funciones extracelulares.

Flujo de Lípidos a través del Sistema de Endomembranas

1. Los triacilglicéridos se sintetizan en el RE. Si son lípidos de membrana, se modifican en el RE (a fosfatidiletanolamina, fosfatidilcolina, fosfatidilinositol).

2. Los lípidos que necesitan glucosilación van al aparato de Golgi mediante vesículas de transporte (ej., formación de galactocerebrósidos).

3. Los lípidos son expulsados en vesículas de transporte y pueden:

   • Ser almacenados.

   • Conformar membranas lipídicas.

Mecanismos de Transporte y Secreción Celular

• Exocitosis: Fusión de la membrana de una vesícula transportadora con la membrana plasmática y descarga del contenido vesicular al exterior.

• Endocitosis: Formación de vesículas desde la membrana plasmática para incorporar material al interior.

• Secreción: Descarga del contenido de las vesículas transportadoras al medio extracelular. Puede ser:

  • Constitutiva: Las moléculas se secretan automáticamente a medida que el Golgi emite las vesículas.

  • Regulada: Las moléculas se retienen en vesículas en el citoplasma hasta la llegada de una señal inductora que ordena su liberación (ej. hormonas, neurotransmisores).

Traducción del ADN (Síntesis de Proteínas)

La traducción es el proceso mediante el cual la información genética contenida en el ARNm se convierte en una secuencia de aminoácidos para formar una proteína.

Código Genético

Es el conjunto de normas por las que la información codificada en el material genético (ADN o ARN) se traduce en proteínas. Establece la relación entre la secuencia de nucleótidos y la secuencia de aminoácidos.

• Un codón o triplete es una secuencia de tres bases nitrogenadas que codifica un aminoácido o una señal de puntuación.

• Existe un total de 64 codones: 61 codifican para 20 aminoácidos y 3 son señales de parada.

• El codón de iniciación es AUG (codifica metionina).

• Los codones de terminación son UAG, UGA, UAA.

• Generalmente, existe más de un codón por aminoácido (código genético degenerado), pero solo dos tripletes representan un único aminoácido: AUG (metionina) y UGG (triptófano).

• Un anticodón es la secuencia de tres nucleótidos en el ARNt que se complementa con el codón del ARNm.

Características del Código Genético

• Universal: Es el mismo para todos los organismos (con pocas excepciones en bacterias y mitocondrias).

• Degenerado (o redundante): Un mismo aminoácido puede ser codificado por más de un codón.

• Sin solapamiento y de lectura continua: Una vez que comienza la síntesis, no se detiene hasta el codón de terminación; no hay solapamiento de codones.

Fases de la Traducción

Para que este proceso ocurra, se necesitan ARNm, ARNt, aminoácidos y ribosomas. Cada aminoácido debe ser activado (esterificado a su ARNt específico) antes de la síntesis.

1. Iniciación:

   • Los componentes se asocian: subunidad ribosomal menor, ARNm, y el ARNt iniciador (que lleva metionina y su anticodón se une al codón AUG del ARNm).

   • Este proceso requiere de factores de iniciación (IF-1, IF-2, IF-3) y energía de GTP.

   • Se forma el complejo de iniciación cuando el ARNm y el ARNt iniciador se unen a la subunidad ribosomal menor, y luego se incorpora la subunidad mayor.

   • El ribosoma tiene un sitio P (peptidil) y un sitio A (aminoacil). En la iniciación, el ARNt-Met se sitúa en el sitio P.

2. Elongación:

   • En el sitio A se une el siguiente ARNt cargado con su aminoácido correspondiente, cuyo anticodón complementa al segundo codón del ARNm.

   • La enzima peptidil transferasa (una ribozima en la subunidad ribosomal mayor) forma un enlace peptídico entre los aminoácidos del sitio P y el sitio A.

   • El ARNt del sitio P (ahora descargado) sale del ribosoma.

   • Se produce la translocación ribosomal: el ARNt del sitio A (con la cadena peptídica creciente) se mueve al sitio P, y el ARNm se desplaza un codón, dejando el sitio A libre para el siguiente ARNt.

   • Este proceso es catalizado por factores de elongación (EF-T y EF-G) y requiere GTP.

   • Los pasos se repiten hasta que un codón de terminación entra en el sitio A.

3. Terminación:

   • Cuando uno de los codones de terminación (UAG, UGA, UAA) del ARNm llega al sitio A, no hay ARNt complementario.

   • En su lugar, se unen factores de liberación (proteínas de terminación) al sitio A.

   • Estos factores catalizan la hidrólisis del enlace entre la cadena polipeptídica y el ARNt del sitio P.

   • La cadena polipeptídica se libera del ribosoma, que se disocia en sus subunidades y se libera del ARNm.

Polirribosomas (Polisomas)

Varios ribosomas pueden leer simultáneamente un mismo ARNm, formando polirribosomas o polisomas. Esto aumenta la efectividad y ahorra tiempo en la síntesis de proteínas.

Modificaciones Post-traduccionales

Son cambios químicos que sufren las proteínas una vez finalizada su síntesis para adquirir su funcionalidad correcta.

• Agregación de grupos funcionales u otras moléculas:

  • Metilaciones, acilaciones, fosforilaciones, glucosilaciones, hidroxilaciones, sulfunilaciones, prenilaciones, nitroacilaciones, etc.

• Correcciones en la estructura de la proteína:

  • Plegamiento (para formar la estructura tridimensional correcta).

  • Proteólisis (escisión de péptidos señal o precursores).

  • Modificación de aminoácidos (ej. por proteólisis).

Inhibidores de la Traducción

Lisosomas y Peroxisomas

Estos orgánulos membranosos son cruciales para el metabolismo celular y la eliminación de residuos.

Lisosomas

Son sacos membranosos llenos de enzimas hidrolíticas que intervienen en la degradación de macromoléculas. Su nombre proviene de lysis (destrucción) y soma (cuerpo).

Origen y Composición de Lisosomas

• Se originan a partir de endosomas que reciben material endocitado y enzimas hidrolíticas.

• Se forman en el aparato de Golgi.

• Su característica más sobresaliente es su polimorfismo debido al material endosomado y la combinación de enzimas.

• Contienen alrededor de 40 tipos de hidrolasas ácidas que se activan a pH 5.0 y se inactivan a pH 7.2.

Características Estructurales de Lisosomas

• Forma: Esférica, pero puede cambiar al fagocitar.

• Membrana: Es membranoso, y su membrana interna está glucosidada para protegerle del pH ácido.

• pH: Interno de 5.0, mantenido por una bomba de protones en su membrana.

• Tamaño: a .

• Número: 15 a 20 por célula.

• Localización: Citosol.

Enzimas Hidrolíticas Lisosomales

Endosomas: Precursores de Lisosomas

Los endosomas son orgánulos no membranosos (en células vegetales, en animales son membranosos) que transportan material incorporado por endocitosis.

• Se encuentran en el complejo de Golgi.

• Poseen una bomba de protones en su membrana para mantener un pH ácido (~6).

• Funciones:

  • Reciben material incorporado a la célula (vesículas pinocíticas o fagosomas).

  • Incorporan enzimas hidrolíticas (unidas a receptores de manosa-6-fosfato en el Golgi).

• Una vez en los endosomas, el pH ácido causa la liberación de las enzimas de los receptores. Los receptores regresan al Golgi para ser reciclados.

Tipos de Endosomas

• Endosomas primarios (tempranos): Cerca de la membrana plasmática. Producen vesículas recicladoras o forman endosomas secundarios.

• Endosomas secundarios (tardíos): Cerca del Golgi; se unen a endosomas de migración y facilitan la unión de enzimas.

La transcitosis es el paso de macromoléculas de un espacio extracelular a otro, donde los endosomas cumplen funciones específicas.

Formación y Tipos de Lisosomas

1. La membrana celular se invagina, formando vesículas de endocitosis (o endosomas).

2. Estas vesículas se unen para formar el compartimiento endosómico periférico.

3. Este compartimiento se dilata y disminuye su pH a medida que se adentra en el citosol, formando el compartimiento endosómico interno.

4. Cerca del Golgi, se transforma en compartimiento endolisosomal, que ya tiene carácter lisosómico al recibir hidrolasas ácidas de los lisosomas primarios.

5. Este último compartimiento libera vesículas que se unen a las vesículas del Golgi (con proteínas necesarias) para formar el lisosoma primario.

Clasificación de Lisosomas por Etapa Digestiva:

• Lisosomas primarios:

  • Acaban de salir de la cara trans del Aparato de Golgi.

  • Contienen solo enzimas hidrolíticas, sin haber participado aún en la digestión.

  • Se observan como vesículas pequeñas con contenido homogéneo.

• Lisosomas secundarios:

  • Se forman cuando los lisosomas primarios se fusionan con vesículas que contienen el material a digerir (del interior o exterior celular).

  • Son de mayor tamaño y de contenido heterogéneo.

  • Incluyen:

    • Fagolisosomas (Heterofagosomas): Formados cuando fagosomas (de fagocitosis) se unen a lisosomas primarios. Digieren material externo.

    • Autofagolisosomas (Autofagosomas): Formados cuando un lisosoma primario digiere un orgánulo o componente celular (autofagia). Digieren material interno.

  • Cuerpos multivesiculares: Envoltorios de membrana con pequeñas vesículas adentro, pueden formarse por fusión de lisosomas o incorporación de contenido.

• Cuerpos residuales (Telisomas):

  • Lisosomas secundarios que han finalizado la digestión intracelular y contienen material no digerible.

  • De tamaño variable y contenido heterogéneo.

  • Pueden ser eliminados por exocitosis o acumularse en la célula.

Funciones Principales de los Lisosomas

• Hidrólisis de macromoléculas (proteínas, polisacáridos, lípidos, ácidos nucleicos).

• Endocitosis: Digestión de material incorporado por fagocitosis y pinocitosis.

• Recambio testicular: Renovación de células y matriz extracelular.

• Eliminar desechos de la célula.

• Liberar enzimas al medio intracelular.

• Las enzimas se degradan por proteasomas y se convierten en endosomas.

Patologías por Alteraciones Lisosomales (Enfermedades de Almacenamiento Lisosomal)

• Enfermedad de Tay-Sachs: Ausencia de hexosaminidasa A; afecta el sistema nervioso (acumulación de gangliósidos GM2).

• Enfermedad de Gaucher: Ausencia de glucocerebrosidasa; afecta el hígado y el bazo (hepatoesplenomegalia).

• Enfermedad de Pompe: Ausencia de -glucosidasa ácida; acumulación de glucógeno.

• Enfermedad de Niemann-Pick: Ausencia de esfingomielinasa; afecta el metabolismo de lípidos (acumulación de esfingomielina).

• Enfermedad de Krabbe: Ausencia de galactocerebrósido -galactosidasa; afecta el sistema nervioso.

• Enfermedad de Fabry: Ausencia de -galactosidasa A; afecta sistemas neurológico, gastrointestinal, oftálmico.

• Gota: Acumulación de ácido úrico que puede romper lisosomas.

• Silicosis: Inhalación de polvo de sílice que rompe lisosomas, liberando enzimas al medio.

Sustancias que Afectan los Lisosomas

• Vitamina A: Puede desestabilizar la membrana lisosomal.

• Cortisona e hidrocortisona: Fortalecen la membrana lisosomal.

Autofagia y Heterofagia

• Autofagia: Proceso por el cual la célula elimina orgánulos envejecidos o dañados, formando autofagosomas (que se fusionan con lisosomas). Se intensifica en ayuno prolongado (ej. células hepáticas) para obtener nutrientes de componentes propios.

• Heterofagia: Degradación de material de origen externo (endocitado) por la célula. Los fagosomas o pinosomas se fusionan con los lisosomas.

Peroxisomas

Son orgánulos membranosos ovoides presentes en todas las células eucariotas.

Características de los Peroxisomas

• Número: 70 a 100 por célula.

• Localización: Abundantes en células renales y hepáticas.

• Origen: Se originan por gemación de zonas del RER sin ribosomas.

• Tiempo de vida: 4 a 5 días.

• Tamaño: de diámetro.

• Reproducción: Por fisión binaria.

• Internamente contienen especies de cristales (ej. urato oxidasa).

• Sus enzimas se sintetizan en ribosomas libres y son importadas al peroxisoma a través de un péptido señal SLL.

• Contienen alrededor de 40 enzimas, incluyendo peroxidasas, catalasa, urato oxidasa, aminooxidasas, responsables de la -oxidación de ácidos grasos.

Funciones de los Peroxisomas

• Catabolismo de proteínas (contribuyen).

• Metabolismo de lípidos (25% en humanos), incluyendo y oxidación de ácidos grasos de cadena muy larga, prostaglandinas, xenobióticos y cadenas laterales de colesterol. A diferencia de las mitocondrias, no producen energía en este proceso.

• Detoxificación de sustancias tóxicas (ej. alcohol en hígado).

• Al menos 50 reacciones enzimáticas, donde muchas enzimas oxidan sustratos y producen peróxido de hidrógeno ().

• La catalasa degrada el peróxido de hidrógeno: .

• Biosíntesis de colesterol.

• Gluconeogénesis (en algunas especies).

Patologías por Alteraciones en Peroxisomas

• Síndrome de Zellweger: Mutación en el gen que codifica una proteína de membrana, lo que lleva a la formación de peroxisomas defectuosos ("huecos"). Causa trastornos hepáticos y renales.

Fármacos que Afectan Peroxisomas

• Clofibrato, Bezafibrato: Afectan la síntesis de colesterol y triglicéridos, modulando la actividad peroxisomal.

• Ácido acetilsalicílico.

Citoesqueleto

El citoesqueleto es una red tridimensional de filamentos proteicos que contribuye a la integridad, forma, arquitectura y movilidad celular. Provee soporte interno y ancla de orgánulos. Es una estructura dinámica.

Componentes del Citoesqueleto

• Microtúbulos (MT) ( de diámetro).

• Microfilamentos (FA) ( de diámetro).

• Filamentos intermedios (FI) ( de diámetro).

Microtúbulos (MT)

Son estructuras cilíndricas, largas, rectas y huecas, formadas por la proteína dimérica tubulina ( y ). Se autoensamblan en un proceso dependiente de GTP.

Formación de Microtúbulos

1. Formación de dímeros de tubulina (). Nunca se unen ni .

2. Estos dímeros se unen para formar protofilamentos.

3. protofilamentos se asocian lateralmente para formar un microtúbulo.

4. Se forman en centros organizadores de microtúbulos (COMT), como el centrosoma.

Son estructuras dinámicas estabilizadas por MAPs (proteínas asociadas a microtúbulos). Se encuentran en haces en el axón neuronal y en el aparato motor de cilios y flagelos. Son flexibles pero duros.

Tipos de Microtúbulos

• Citoplasmáticos: Presentes en la célula durante la interfase.

• Mitóticos: Forman el huso mitótico durante la división celular.

• Ciliares: Forman el axonema de cilios y flagelos.

• Centriolares: En cuerpos basales y centriolos.

Funciones de los Microtúbulos

• Relacionados con la forma, el transporte y la división celular.

• Intervienen en el desplazamiento de vesículas de secreción.

• Movimiento de orgánulos y transporte intracelular de sustancias.

• Forman los cilios y flagelos.

• Participan en la división celular (mitosis y meiosis).

• Forman la pared celular (en plantas) y la banda marginal de eritrocitos y plaquetas.

Filamentos Intermedios (FI)

Son filamentos de proteína fibrosa de unos de diámetro. Son los componentes más estables del citoesqueleto, brindando soporte mecánico a los orgánulos debido a sus fuertes enlaces. Organizan la estructura tridimensional interna y participan en uniones intercelulares fuertes.

Proteínas que Conforman los FI

• Citoqueratina: Más de 20 variedades (Tipo I y II), proporcionan resistencia en células epiteliales.

• Vimentina: Rodea la envoltura nuclear y se relaciona con la superficie externa del complejo de los poros nucleares. Presente en células de origen mesenquimal.

• Desmina: En células musculares, responsable del ensamblaje de microfilamentos para formar sarcómeros.

• Neurofilamentos: En axones y dendritas neuronales, facilitan el estado de gel del citoplasma.

• Proteína fibrilar acídica de la glía (GFAP): En astrocitos.

Microfilamentos (FA)

Son finas fibrillas proteicas, como hilos, que miden entre y .

Composición y Formación de Microfilamentos

• Están formados por la proteína contráctil actina, la proteína celular más abundante.

• La actina globular (G-actina, no polimerizada) se enrolla sobre sí misma para formar actina filamentosa (F-actina, polimerizada).

• La F-actina es una doble hélice dextrógira de dos hebras de G-actina.

• La actina se asocia a otras proteínas:

  • Proteínas estructurales: Permiten la unión de los filamentos de actina.

  • Proteínas reguladoras: La más importante es la miosina, que permite la contracción al deslizarse sobre la actina.

Funciones de los Microfilamentos de Actina

• Contracción muscular (asociación con miosina).

• Formación de pseudópodos (movimiento ameboide).

• Mantenimiento de la morfología celular.

• En la citocinesis de células animales, forman un anillo contráctil que divide la célula en dos.

• Son abundantes en estructuras como microvellosidades.

Fármacos que Afectan el Citoesqueleto

• Colchicina: Se fija a la tubulina e impide el ensamblaje de microtúbulos.

• Alcaloides de la vinca (ej. Vinblastina, Vincristina): Similares a la colchicina, pero se fijan en otro sitio de la tubulina. Son quimioterapéuticos.

• Citocalasina B: Impide la polimerización de la actina (microfilamentos).

Cilios y Flagelos

Son apéndices móviles en la superficie de muchas células.

Cilios

• Pequeños apéndices móviles que cubren total o parcialmente muchas células desnudas.

• Forma cilíndrica, diámetro entre y .

• Los más largos se llaman flagelos.

• Se describen como una evaginación digitiforme.

• Compuestos por un eje citosólico (axonema) envuelto por una prolongación de la membrana plasmática.

• Cada cilio nace de un cuerpo basal (cinetosomas).

• Conformación 9+2: 9 pares de microtúbulos en la periferia y 2 microtúbulos centrales.

• Funciones:

  • Se encuentran en epitelios especializados (ej. tráquea, oviducto).

  • Mueven fluidos sobre células estacionarias.

  • Participan en la digestión, ayudando a absorber nutrientes.

Flagelos

• Apéndices con forma de látigo que ondulan para mover las células.

• Más largos que los cilios.

• Estructura interna similar a la de los cilios, también con disposición 9+2.

• Contienen alrededor de 20 proteínas principales y 30 proteínas reguladoras.

• Su función principal es el movimiento celular.

Cilios y flagelos de eucariotas difieren mucho de los procariotas.

Estereocilios

• Apéndices singulares (solitarios) que no son móviles.

• Su esqueleto incluye microfilamentos basados en actina (a diferencia de los microtúbulos del axonema que son de tubulina).

• Desarrollados en ciertos tipos celulares, especialmente células sensoriales (retina, oído interno, neuronas olfativas).

• Destacan en el epitelio del epidídimo, donde contribuyen a la absorción de líquido para la concentración del plasma seminal.

Microvellosidades

Son prolongaciones de la membrana plasmática con forma de dedos, compuestas por actina.

• Sirven para aumentar la superficie de contacto de la membrana plasmática con el medio interno o luz de un órgano.

• Son importantes en superficies absorbentes de células (ej. en riñón forman el ribete en cepillo; en intestino delgado forman la chapa estriada, que contiene enzimas).

Ciclo Celular, Mitosis y Meiosis

El ciclo celular es una secuencia ordenada de procesos que conducen a la formación de una célula y su división, distribuyendo el material celular duplicado en células hijas. La división celular es la fase final, precedida por la duplicación de los componentes principales.

Conceptos Clave de la Herencia

• Gen: Secuencia ordenada de nucleótidos en el ADN que contiene la información para sintetizar macromoléculas (proteínas, ARN). Es la unidad de almacenamiento de información genética y unidad hereditaria.

• Locus: Posición fija en un cromosoma donde se localiza un gen o un marcador.

• Alelo: Cada una de las formas alternativas que puede tener un gen y que se manifiesta en direcciones concretas a ese gen. Valor dominante de un gen cuando rivaliza con otro.

• Genoma: Totalidad de la información genética de un organismo particular, codificada en su ADN.

Fases del Ciclo Celular

El ciclo celular se divide en cuatro fases sucesivas: G1, S, G2 y M.

• M: Mitosis (o Meiosis en células germinales).

• Interfase: Comprende los períodos G1, S y G2. Es donde la célula pasa la mayor parte de su vida, creciendo y preparando para la división.

Interfase

• Fase G1 (Intervalo 1):

  • Síntesis de enzimas necesarias para la replicación del ADN.

  • Período más variable en duración. Las células que no se dividen entran en G0 (estado de quiescencia).

  • Síntesis de ARN y proteínas.

  • Las células aumentan de tamaño debido al aumento de proteínas.

  • La carga genética humana es diploide (2n, 2c).

• Fase S (Síntesis de ADN):

  • Ocurre la replicación del ADN y la síntesis de proteínas cromosómicas (histonas).

  • Cada cromosoma se duplica en el núcleo.

  • Al final, el núcleo contiene el doble de ADN y proteínas que al inicio (2n, 4c).

• Fase G2 (Intervalo 2):

  • Tiempo entre el final de la síntesis de ADN y la mitosis.

  • Síntesis de proteínas para el huso mitótico.

  • Se observan cambios estructurales.

  • Termina cuando la cromatina comienza a condensarse al inicio de la mitosis.

  • La carga genética humana es 2n, 4c.

Duración aproximada de las fases (célula de 16h de vida): G1: 5h, S: 7h, G2: 3h, M: 1h.

Mitosis

Es la división celular que produce dos células hijas idénticas a la célula progenitora, con todos los componentes necesarios para su funcionamiento. Ocurre en todas las células somáticas.

Características de la Mitosis

• Único evento de división celular que resulta en dos células diploides.

• Cada cromosoma se comporta independientemente de su homólogo.

• Proceso relativamente breve (1 a 2 horas).

• El material genético resultante se mantiene constante (2n).

• Termina con la formación de dos núcleos separados (cariocinesis).

• El citoplasma se divide equitativamente (citocinesis).

Fases de la Mitosis

1. Profase:

   • Condensación del material genético para formar cromosomas (cada uno con dos cromátidas hermanas unidas por el centrómero).

   • Se forman los cinetocoros (placas proteicas en el centrómero).

   • Los cromosomas se acercan a la envoltura nuclear.

   • En el citosol, el RE y el Golgi se fragmentan en vesículas.

   • Se forma el uso mitótico.

2. Prometafase (Fase intermedia):

   • Desintegración de la envoltura nuclear.

   • Los cromosomas se desordenan en el citoplasma.

   • El huso mitótico invade el área que ocupaba el núcleo.

   • Microtúbulos del huso se unen a los cinetocoros de los cromosomas.

3. Metafase:

   • Los cromosomas alcanzan su máxima condensación y se alinean en el ecuador de la célula (placa metafásica).

   • Los cinetocoros se orientan hacia los polos opuestos de la célula.

4. Anafase:

   • Partición de la cohesión de los centrómeros, lo que permite la separación de las cromátidas hermanas.

   • Las cromátidas migran hacia los polos opuestos de la célula, adoptando una forma de "U" debido a la tracción de los microtúbulos del cinetocoro.

5. Telofase:

   • Los cromosomas llegan a los polos.

   • La célula se alarga.

   • La envoltura nuclear se reforma alrededor de cada grupo de cromosomas (cariocinesis).

   • Los cromosomas se descondensan.

6. Citocinesis:

   • División del citoplasma, que comienza en la anafase.

   • Se forma un surco de escisión en la región ecuatorial que se profundiza.

   • El citosol y el citoesqueleto se restablecen.

   • Las células hijas tienen la misma forma que la madre y una distribución equitativa de componentes.

Meiosis

Es un proceso de división celular que reduce la carga genética a la mitad, produciendo células haploides. Ocurre en los testículos y ovarios para formar células reproductivas (gametos).

Características de la Meiosis

• Proceso de reducción de cargas genéticas (de diploide a haploide).

• Se obtienen cuatro células haploides al final.

• Los cromosomas homólogos se aparean e intercambian información genética (entrecruzamiento) en la Meiosis I.

• Es el mecanismo para conservar la integridad genética en organismos eucariotas.

• Comienza en la pubertad (generalmente).

Meiosis I (División Reduccional)

1. Profase I: Es la fase más extensa y se divide en 5 etapas:

   • Leptoteno: Los cromosomas comienzan a condensarse.

   • Cigoteno: Los cromosomas homólogos se aparean (sinapsis), formando complejos sinaptonémicos y bivalentes (tétradas).

   • Paquiteno: Se produce el entrecruzamiento (crossing-over) entre cromátidas no hermanas, intercambiando información genética.

   • Diploteno: Los cromosomas homólogos comienzan a separarse, pero permanecen unidos en los puntos de entrecruzamiento (quiasmas).

   • Diacinesis: Los cromosomas alcanzan la máxima condensación y las tétradas se distribuyen en el núcleo. La envoltura nuclear desaparece y el huso se conecta a los cinetocoros.

2. Metafase I:

   • Los bivalentes (pares de cromosomas homólogos) se disponen en la placa ecuatorial.

   • Los cinetocoros de cada cromosoma homólogo miran hacia el mismo polo.

3. Anafase I:

   • Los cromosomas homólogos se separan y se dirigen a polos opuestos (disyunción).

   • Cada cromosoma aún tiene dos cromátidas hermanas, pero con componentes paternos y maternos mezclados debido al entrecruzamiento.

4. Telofase I:

   • Los grupos cromosómicos haploides llegan a sus respectivos polos.

   • Se forma una envoltura nuclear alrededor de cada grupo.

   • Se produce la citocinesis, dando dos células hijas haploides, cada una con cromosomas duplicados (1n, 2c).

Entre la Meiosis I y la Meiosis II puede haber una interfase meiótica breve (intercinesis), sin fase S.

Meiosis II (División Ecuacional)

Es similar a la mitosis y separa las cromátidas hermanas.

1. Profase II:

   • Muy breve, se disgrega la envoltura nuclear (si se formó) y se organiza el huso meiótico.

2. Metafase II:

   • Los cromosomas (con dos cromátidas) se alinean en la placa ecuatorial.

   • Los cinetocoros de cada cromátida hermana se orientan hacia polos opuestos.

3. Anafase II:

   • Las cromátidas hermanas se separan y migran a polos opuestos.

4. Telofase II:

   • Los cromosomas descondensados llegan a los polos.

   • Se forma una envoltura nuclear alrededor de cada grupo.

   • La citocinesis divide el citoplasma, resultando en cuatro células haploides (1n, 1c).

Gametogénesis (Espermatogénesis y Ovogénesis)

La meiosis es clave en la formación de gametos.

Espermatogénesis (En hombres)

1. Las células germinales primordiales en los testículos se duplican por mitosis, formando espermatogonias.

2. Las espermatogonias se desarrollan en espermatocitos primarios.

3. El espermatocito primario (2n, 4c) se divide por Meiosis I, formando dos espermatocitos secundarios (1n, 2c).

4. Los espermatocitos secundarios se dividen por Meiosis II, formando cuatro espermatides (1n, 1c).

5. Las espermatides maduran a espermatozoides.

Ovogénesis (En mujeres)

1. Las células germinales primordiales se dividen en ovogonias.

2. Las ovogonias se transforman en ovocitos primarios (2n, 4c), que inician la Meiosis I y se detienen en Profase I.

3. En la pubertad, los ovocitos primarios completan la Meiosis I, formando un ovocito secundario (1n, 2c) y el primer cuerpo polar.

4. El ovocito secundario inicia la Meiosis II y se detiene en Metafase II hasta la fecundación.

5. Si hay fecundación, el ovocito secundario completa la Meiosis II, formando un óvulo (1n, 1c) y el segundo cuerpo polar.

Cromosomas: Estructura y Estabilidad Genética

Son cuerpos pequeños en forma de bastoncillo que consisten en cromatina (ADN, histonas y proteínas no histónicas) altamente condensada.

• Función principal: Mantener organizada la información genética.

• Poseen una región condensada llamada centrómero y extremos llamados telómeros.

• Pueden tener 4 brazos (dos largos y dos cortos) tras la replicación.

• Generalmente se presentan en parejas de cromosomas homólogos (uno del padre, uno de la madre).

• Cuando intercambian información genética, forman quiasmas.

• Los humanos tienen 46 cromosomas (23 pares): 22 pares autosómicos (diploides) y 1 par de cromosomas sexuales (haploide).

Clasificación de Cromosomas según la Posición del Centrómero

• Metacéntricos: El centrómero se localiza en la mitad, y los cromátidos tienen igual tamaño.

• Submetacéntricos: El centrómero se ubica de tal manera que un brazo es más corto que el otro.

• Acrocéntricos: El centrómero está más cercano a uno de los telómeros, dejando un brazo muy corto y otro largo.

• Subtelocéntricos: El centrómero se ubica en un extremo (a veces usado indistintamente con acrocéntrico en algunas clasificaciones, pero en otras se reserva para un brazo muy pequeño pero presente).

Cariotipo y Anomalías Cromosómicas

El cariotipo es el patrón cromosómico de una persona, expresado a través de un código. En clínica, un cariograma es un esquema (foto) de cromosomas metafásicos ordenados por morfología y tamaño.

• Es de gran importancia para detectar anomalías en embriones y para el tratamiento de enfermedades congénitas.

Disyunción Meiótica y Síndromes

Si no hay una correcta separación de las cromátidas en la anafase (disyunción meiótica), pueden ocurrir anomalías cromosómicas:

• Nulisomía: Falta un par completo de cromosomas.

• Monosomía (): Falta un cromosoma de un par (ej. Monosomía X o Síndrome de Turner: un solo cromosoma X).

• Trisomía (): Presencia de un cromosoma extra (ej. Síndrome de Down: trisomía del cromosoma 21; Síndrome de Klinefelter: un cromosoma X extra en varones, XXY).