Ciclo Celular, Mitosis y Meiosis

Cuando dimos una introducción sobre la célula en la primer entrega de este blog, hablamos sobre los postulados de la teoría celular, uno de ellos decía que las células provienen de otras células, para ello quiere decir que las células existentes se dividen a través de una serie de procesos ordenados que en conjunto se denominan ciclo celular. En el ciclo celular la célula aumenta de tamaño y duplica sus componentes para finalmente dividirse y dar como resultado final a dos células hijas idénticas. El ciclo celular consta de dos fases: la Interfase y la Fase M.

Visión general del ciclo celular

Interfase

La interfase es el periodo más largo de todo el ciclo celular y en ella la célula se prepara para la división, la interfase a su ves se divide en tres fases denominadas G₁, S y G₂

Fase G₁

Durante la fase G₁ la célula aumenta de tamaño y duplica sus organelos y proteínas para luego entregar la mitad de su contenido a la célula hija que se formara al llegar la hora de la división. Durante esta fase se verificará que el material genético de la célula este intacto para su posterior replicación en la fase S

Fase S

A grandes rasgos durante está fase se da la replicación del ADN de la célula (proceso del que ya hablamos cuando hablamos del núcleo en entregas pasadas), cabe aclarar que la todas las células (MENOS LAS SEXUALES, es decir espermatozoides y óvulos) tienen un total de 46 cromosomas (23 pares) o 2n, y al final de esta fase la célula termina con el doble de ADN y de cromosomas, es decir 4n.

Fase G₂

Durante esta fase se verifica que el ADN replicado durante la Fase S, se haya replicado completamente y que no tenga errores. También se sintetiza ARN y las proteínas necesarias para la división celular.

Fase M Mitosis

Una ves terminada la fase G₂ la célula procederá a repartir el material genético y el contenido del citoplasma en dos células hijas que serán idénticas (es decir tendrán la misma cantidad de ADN y organelos). Todas las células se dividirán ´por el proceso de Mitosis, mientras que los gametos lo harán por la Meiosis (de la que hablaremos más adelante). En la mitosis primero se reparte el material genético por el proceso de cariocinesis que consta de 4 fases_ Profase, Metafase, Anafase y Telofase; y luego se dividirá el citoplasma y su contenido por el proceso de citocinesis. ´

Profase

Durante la profase los cromosomas (constituidos por dos cromátides hermanas unidas por el centrómero) se condensan (a tal grado de hacerse visibles al microscopio) y con ello el nucleolo desaparece. Mientras tanto en el citoplasma se comienza a ensamblar el huso mitótico. El centrosoma se divide en dos mitades, y cada una tiene 2 centriolos en un mar de anillos de tubulina γ. Las mitades migran alejándose una del otra a los polos opuestos donde cada una forma un nuevo MTOC. A partir de cada MTOC se forman los microtúbulos astrales, los microtúbulos del cinetocoro y los microtúbulos polares. Todos ellos en conjunto forman el huso mitótico.

Los microtúbulos astrales irradian hacia afuera desde el polo del huso y ayudan a mantener a cada MTOC en su polo celular, y se asegura que el huso este correctamente orientado.

Los microtúbulos del cinetocoro se unen al cinetocoro de las cromátides hermanas y ayudan a la separación de las cromátides hermanas en la anafase, y tiran de ellas hacia los polos de la célula.

Los microtúbulos polares aseguran que cada MTOC este en su lugar.

Prometafase

Una ves formado el huso mitótico las laminas nucleares se fosforilan dando lugar a la degradación y desaparición de la envoltura nuclear, al ocurrir esto los cromosomas quedan dispersos en el citoplasma, pero con sus cromátides hermanas unidas gracias a proteínas como las Cohesinas y Condensinas.

Para algunos autores, los acontecimientos antes descritos los consideran dentro de la profase, otros en la metafase y otros más en una fase aparte denominada Prometafase, que se sitúa entre la Profase y la Metafase.

Aunque en este blog nos centramos en tejidos humanos, es una realidad que este proceso es más apreciable en tejidos vegetales, como en este corte de lirio con la tecnica de Feulgen podemos apreciar la profase y la metafase en dos células

Metafase

Luego que la membrana se rompe los cromosomas se alinean en el ecuador de la célula al unirse al huso mitótico mediante el cinetocoro, una ves unidos se alinean al ecuador y las cromátides hermanas comienzan a perder las proteínas que las mantienen unidas

Anafase

Durante la anafase tiene lugar la separación de las cromátides hermanas que dan lugar a dos cromosomas hijos, los cuales migran hacia polos opuestos en la célula. También empieza a formarse un surco de segmentación en la membrana plasmática, lo que indica la región donde se dividirá la célula   

Telofase

En esta fase los cromosomas ya han llegado a sus respectivos polos. Se vuelve a formar la envoltura nuclear ya que las laminas nucleares se han desfosforilado.

Citocinesis

El surco de segmentación que se formo desde la anafase sigue avanzando hasta que solo quede un pequeño puente de citoplasma que comunique ambas células hijas. Finalmente, ambas células quedaran separadas mediante la constricción del anillo contráctil formado por actina y miosina, el cual rodea a los microtúbulos polares y se encuentra unido a la membrana plasmática. Después de contraerse se produce la despolimerización de los microtúbulos polares que separan ambas células, también los elementos del anillo contráctil y los microtúbulos del huso mitótico se desmantelan quedando como resultado dos células hijas idénticas con el mismo número de cromosomas 2n.

Las células recién divididas pueden entrar inmediatamente a la fase G₁ para repetir el ciclo y dividirse nuevamente o al estado G₀ al cual entrarán cuando ya no se requieran más células. En el estado G_{0 las} células están en un periodo de latencia mas no de reposo, eso quiere decir que mantienen un metabolismo activo, pero no se preparan para dividirse. Tras recibir un estimulo adecuado estimulo la célula puede abandonar G₀ y entrar de nuevo a G_1.

Mitosis

 Meiosis

La meiosis es un tipo de división celular especializada al cual únicamente son sometidas las células sexuales (espermatozoide y ovulo) en la cual una célula haploide 2n forma cuatro células haploides 1n que serán genéticamente distintas entre sí. La meiosis al finalizar tiene dos resultados importantes:

·         Reducción de los cromosomas de un numero diploide 2n a uno haploide 1n. es decir con la mita de cromosomas de la célula que les dio origen

·         Recombinación genética, que garantiza la variabilidad genética 

La meiosis consta de dos proceso denominados meiosis I y meiosis II.

Meiosis I

También llamada división reduccional, es el proceso en el que los pares homólogos de cromosomas se alinean, se separan y se dirigen a los polos opuestos y luego la célula se divide en dos células hijas con la mitad de los cromosomas. El proceso inicia al acabar la interfase, que se desarrolló de forma similar a la de las células somáticas, pero con una pequeña diferencia en la fase S, ya que solo se duplica el ADN a 4n, pero los cromosomas permanecen en 2n. La Meiosis I se divide en: Profase I, Metafase I, Anafase I y Telofase I,

Profase I

Inicia luego de que el ADN se ha duplicado a 4n, es un proceso demasiado largo que se divide a si mismo en cinco fases que son las siguientes:

·         Leptoteno: En esta fase los cromosomas individuales están formados por dos cromátides hermanas unidas por un centrómero, comenzaran a condensarse formando largas cadenas en el núcleo

·         Cigoteno: Los pares homólogos de cromosomas se alinean entre si de forma correspondiente (locus del gen con locus del gen) y hacen sinapsis (se juntan) por el complejo sinaptonémico formando una tétrada

·         Paquiteno: Los cromosomas siguen condensándose, se forman quiasmas (sitios de entrecruzamiento) a medida que se produce el intercambio del material genético al azar entre cromosomas homólogos.

·         Diploteno: Los cromosomas siguen condensándose y luego empiezan a separarse, pero no por completo.

·         Diacinesis: Los cromosomas se condensan al máximo y la envoltura nuclear desaparece liberando los cromosomas al citoplasma   

Metafase I

Durante esta fase los cromosomas homólogos se alinean en pares en el ecuador, y se ensamblan sus cinetocoros en los microtúbulos del cinetocoro, pero las cuatro cromátides hermanas aún siguen juntas

Anafase I

En esta fase las cuatro cromátides se separan en 2 pares de cromátides que migran hacia polos opuestos

Telofase I             

Las cromátides llegan a los polos, se vuelve a formar la envoltura nuclear y se produce la citocinesis dando lugar a 2 células hijas. Aunque el contenido aún es diploide por lo que procede otra división meiótica.

Meiosis I

Meiosis II

También llamada división ecuatorial es el proceso en el cual las dos células generadas en la meiosis I se dividen en dos células hijas de numero haploide totalmente diferentes, Al quedar únicamente pares en lugar de tétradas de cromosomas el proceso es exactamente igual al de la mitosis. Cabe aclarar que entre la meiosis I y II no hay fase S y por ende el ADN no se duplica.

Profase II

Esta fase es más sencilla en comparación a la profase I, ya que no hay recombinación entre los cromosomas. En esta fase la envoltura nuclear desaparece y se forma el huso meiótico

Metafase II

Las cromátides se alinean en el ecuador y se ensamblan por el cinetocoro a los microtúbulos

Anafase II

Las cromátides migran hacía polos opuestos

Telofase II

La envoltura nuclear se vuelve a formar y procede de nuevo el proceso de citocinesis dando como resultado dos células de numero diploide, que tomando en cuenta todo el proceso son cuatro en total.

Meiosis II

Consideraciones Finales de la Meiosis y Diferencias del Proceso en Hombres y Mujeres

Al final de la meiosis la célula va a tener características genéticas distintas a la célula que la genero debido a la recombinación que se produjo en la profase I y la separación de las cromátides recombinadas en la anafase II.

En el hombre la meiosis para la formación de espermatozoides inicia en la pubertad y el proceso es continuo por el resto de la vida del varón. Pero en la mujer la meiosis para la formación de ovocitos la meiosis I inicia en la embriogénesis, y se detiene en profase I en diploteno en el momento del nacimiento, luego la meiosis I se completa en la pubertad, después la meiosis II inicia antes de la ovulación y se detiene en metafase II, y concluye solo si el ovocito es fecundado, esto lo dejaremos cuando veamos aparatos reproductores.

Regulación del Ciclo Celular

Los procesos que ocurren durante el ciclo celular llevan un orden y supervisión estrictos por señales provenientes tanto del medio externo y en el interior de la célula, dichas señales vigilan el progreso del ciclo en sus distintas fases.

Regulación Intracelular

El control intracelular del ciclo consiste a grandes rasgos de proteínas cuya función es activar o inhibir a otras proteínas con funciones diversas que son necesarias durante el ciclo. Dichas proteínas son los Complejos Cinasa Dependiente de Ciclina (CDK)-Ciclina, y proteínas de las familias CIP e INK4.

Los Complejos CDK-Ciclina están formados por dos tipos de proteínas: las Cinasas Dependientes de Ciclina (CDK) y las Ciclinas. Se conocen 6 CDK de las cuales solo se conocen la función de 4 que son las CDK: 1, 2, 4 y 6, y en el caso de las Ciclinas solo se conocen 4 tipos que son: A, B, D y E. Las CDK fosforilan aminoácidos específicos de algunas proteínas, pero solo si están unidas a una Ciclina. Se conocen 6 combinaciones de CDK-Ciclina que actúan favoreciendo el ciclo a lo largo varias fases.

Mientras los complejos CDK-Ciclina favorecen el ciclo, existen otras proteínas que las inhiben y por ende colaboran al control del ciclo celular. Estas proteínas son Inhibidoras de la Cinasa 4 (INK4), y las Proteínas Inhibidoras de CDKs (CIP). Las INK4 se unen e inhiben a los complejos CDK4-Ciclina D, y CDK6-Ciclina D, la única INK4 caracterizada es la p16 (fosfoproteína 16). Las CIP se unen e inhiben a los complejos que tengan CDK 1, 2, 4 y 6, actualmente se conocen las p21, p23 y p53. En conjunto las INK4 y las CIP tienen la función de impedir la proliferación celular y, por tanto, si los genes que controlan estas proteínas sufren mutaciones el ciclo celular se descontrolará y no se podrá detener. Y las células que procedan del mismo tendrán errores. (por ende, los genes que codifican estas proteínas se denominan genes supresores de tumores)

Punto de Restricción y Puntos de Control

El ciclo celular está altamente regulado por los complejos CDK-Ciclina y sus inhibidores, los cuales actúan en un punto de restricción y tres puntos de control, que son una especie de “retenes” en los cuales se promueven o restringen las acciones de las fases del ciclo celular dependiendo el estado de la célula y del medio extracelular.

Punto de Restricción

Este punto se encuentra al final de la fase G₁, se llama así porque si la célula lo pasa se encontrará comprometida irreversiblemente a entrar en el ciclo celular. Los responsables intracelulares del paso por este punto son los complejos CDK4-Ciclina D y CDK6-Ciclina D que liberan al factor de transcripción E2F de la proteína Rb (Proteína del retinoblastoma). Tras ser liberado el factor E2F, estimulará la síntesis de CDK 2 y de Ciclina E necesarias para el paso de G₁ a S y de las enzimas necesarias para la síntesis de ADN. La presencia de CDK4- Ciclina D y CDK6-Ciclina D también disminuye la concentración de p27, cuando el complejo se degrada Rb se vuelve a unir al E2F.

También en este punto de restricción actúan la INK4 p16 y la CIP p27. La p16 inhibe a los complejos CDK4-Ciclina D y CDK6-Ciclina D al impedir que las ciclinas se unan a sus respectivas CDK, lo que conlleva a que E2F no se libere de Rb y por ende no se proceda con el ciclo. La acción de p16 depende de las condiciones externas de la célula, ya que si en el exterior no existen suficientes señales (como mitógenos, factores de crecimiento, nutrientes, etc.) p16 y p27 tienden a acumularse y ser muy activos en la célula. Por otra parte, p27 además de inhibir a los complejos CDK-Ciclina, se encarga de llevar a la célula de G₁ a G₀.

Primer Punto de Control

Se encuentra inmediatamente después del punto de restricción en el que se revisa que: la célula haya crecido lo suficiente, las condiciones extracelulares y que el material genético este intacto. Las proteínas responsables en este punto son el complejo CDK2-Ciclina E que se sintetizo en el punto pasado. Su acción es inhibir al Rb para que no se una a E2F y este haga su trabajo para que estén listas las enzimas requeridas para la replicación del ADN en la fase S. En la inhibición se encuentran las CIP p53 y p21. p53 es uno de los supresores de tumores que en situaciones normales es muy inestable, por lo que se encuentra unido a una proteína llamada Mdm2, pero si existe alguna lesión en el ADN, diversas enzimas ayudan a que p53 se libere, y una ves liberada activa a p21, que inhibirá al complejo CDK2-Ciclina E, y así la célula no pasara a la fase S

Fase S, Sin Punto de Control

Como tal en la fase S no existe un punto de control, pero se sabe que la presencia de l complejo CDK2-Ciclina A para que se lleve a cabo la síntesis del ADN. Recordemos que para la replicación del ADN se requiere un complejo de proteínas denominado complejo de reconocimiento de origen ORC. En G₁ se forma el ORC, tras el cual otras proteínas como mcm y cdc6 se unen para formar el complejo pre-RC. El complejo CDK-Ciclina A se encarga de deshacerse de las proteínas del pre-RC y de unir las enzimas necesarias para la replicación y así se asegura que la maquinaria de replicación no vuelva a armarse hasta que el ciclo haya terminado.

Segundo Punto de Control

El segundo punto de control se encuentra al final de G₂. En esta fase los complejos CDK1-Ciclina A y CDK1-Ciclina B permiten el paso a través del mismo, en conjunto estos 2 complejos se les denomina factor promotor de mitosis (MPF). En el segundo punto se revisa que el ADN se haya replicado completamente y sin errores y que las condiciones externas sean favorables. A grandes rasgos el MPF lleva a cabo funciones indispensables en las primeras fases de la mitosis ya que induce el ensamblaje del huso mitótico y se asegura que los cromosomas se unan a este, también se encarga de la condensación de los cromosomas al activar a las proteínas Condensinas y de desarmar la envoltura nuclear al fosforilarla.

En este punto también actúa la p53 que activa a la p21 y esta a su ves inhibe a los complejos CDK-Ciclina responsables en este punto.

Tercer Punto de Control

Se encuentra en la fase M entre la metafase y la anafase y en el se revisa que los cromosomas se hayan unido al huso mitótico. Si detecta que el cinetocoro de un cromosoma no se unió manda una señal negativa al sistema de control bloqueando la activación de proteínas implicadas en la separación de las cromátides hermanas como APC-cdc20 impidiendo la separación hasta que la señal desparezca

Participación de los CDks en los puntos de control

Regulación Extracelular

La entrada al ciclo celular no es un proceso autónomo de la célula, sino requiere de la activación de los complejos CDK-Ciclina mediante vías de señalización mediante factores denominados mitógenos. Así las células solo proliferan cuando se requieren más.

La mayoría de los mitógenos actúan en la fase G₁ liberando el control negativo del ciclo celular permitiendo la entrada a la fase S. Los mitógenos se unen a receptores de tipo tirosina cinasa de la membrana plasmática, los cuales están acoplados a una proteína G monomérica Ras cambiándola de su estado unido al GDP por una unida al GTP, lo que desencadena un cascada de fosforilaciones por proteínas MAP Cinasas (MAPK) que transmiten el estímulo a moléculas efectoras (otras cinasas de proteínas o factores de transcripción). Toda esta cascada genera la transcripción de genes tempranos que codifican a las ciclinas necesarias en la fase G₁, y a su vez estos activan a otros genes tardíos activando así la maquinaria del ciclo.

Apoptosis: Muerte Celular Programada

Las células de un individuo forman una especie de comunidad organizada que tiene como objetivo mantener las funciones del organismo, en esta comunidad el número de células de esta comunidad está estrictamente regulado. Si una célula ya no es requerida esta se “suicida” por apoptosis. En la apoptosis mueren célula sanas en lugar de células enfermas o dañadas que mueren por necrosis, esto quizá puede parecer un desperdicio, sin embargo, es un proceso necesario para la homeostasis y la morfogénesis: por ejemplo durante la embriogénesis los dedos de la mano quedan separados por la apoptosis del tejido que hay entre ellos en el primordio de la mano, en comparación con aves como los patos donde no sucede este proceso y quedan membranas interdigitales entre los dedos de sus patas.

La apoptosis es una muerte “limpia” ya que la célula que muere no daña a sus vecinas con el contenido de su citoplasma, la célula se condensa, reduce su tamaño, colapsa su citoesqueleto, se destruye la membrana y el ADN se fragmenta. Luego la superficie de la misma cambia para ser reconocida por sus vecinas o para ser fagocitada por los macrófagos

La maquinaria intracelular de la apoptosis depende de una familia de proteasas llamadas caspasas que cortan a una proteína blanco en residuos de aspartato. Dentro de la célula se encuentran inactivas y son activadas por un corte proteolítico que a su ves activa a otras caspasas. Las caspasas rompen proteínas como la laminina que desintegra la membrana nuclear e inactiva a las enzimas que inactivan a las ADNasa que destruyen el ADN.

La entrada a la apoptosis se parece en algo al ciclo celular. Y ese algo es que incluye un todo o nada, es decir, la célula que entra en apoptosis no da marcha atrás. Las señales de muerte pueden originarse a dos niveles: en algunas células se puede inducir apoptosis presentando el ligando Fas en su membrana, el cual se une a un receptor de muerte (Fas) en la superficie celular de la célula blanco, el agregado de Fas y su ligando recluta a los adaptadores que se unen y activan a las caspasas. La célula también en respuesta a daño o estrés puede activar la apoptosis por p53, la cual activa la transcripción de genes que codifican proteínas que promueven la liberación del citocromo c de la mitocondria y este se une en el citoplasma al factor promotor de la apoptosis 1 (APAF1) el cual también activa las caspasas.

Ahora que ya conocemos la estructura de la célula y parte de su funcionamiento básico, es tiempo de hablar de la técnica histológica, proceso por el cual las muestras de tejidos son procesadas para ser preservadas y estudiadas bajo el microscopio, así mismo también en próximas entregas hablaremos de lo que hay fuera de la célula en la matriz extracelular, para lego entrar de lleno al estudio de los diferentes tejidos.

Fuentes 

Gartner, Leslie P. Texto De Histología. 4 ed., Elsevier, 2017.

Arteaga Martínez, Sebastián Manuel, María Isabel García Peláez. Embriología Humana Y Biología Del Desarrollo. 1 ed., Editorial Médica Panamericana, 2014.

Alberts, Bruce et al. Biología Molecular De La Célula. 5 ed., Omega, 2010.

                        

Citoesqueleto

El citoesqueleto es una malla de filamentos proteínicos que se encargan del mantenimiento de la estructura de la célula, la organización de los organelos en el citoplasma y el desplazamiento de los mismos, y de la división celular. El citoesqueleto está formado por tres clases de filamentos que son: Filamentos Delgados, Filamentos Intermedios y Microtúbulos.

Filamentos Delgados

Los filamentos delgados están formados por cadenas de Actina G que se enrollan una con otra para formar la Actina F, solo la mitad de la actina se encuentra en la forma F ya que una mitad de la Actina G está unida a las proteínas como la Profilina y Timosina que evitan que esta se polimerice a la forma F. Los filamentos delgados poseen un Extremo Positivo (o Plumas) de rápido crecimiento y un Extremo Negativo (o Punta) de lento crecimiento. Cuando el filamento alcanza su longitud deseada proteínas fijadoras se unen al extremo positivo para dar fin a su elongación. La Gelsolina es una proteína que evita la polimerización del filamento, mientras que el Polifosfoinositol, un fosfolípido de membrana elimina a la gelsolina promoviendo la elongación. La actina es capaz de cubrir varias funciones al unirse a varias proteínas como:

·         Actinina α: Tiene como función el agrupamiento de filamentos de actina para formar haces contráctiles.

·         Fimbrina: Tiene como función el agrupamiento de filamentos de actina para formar haces paralelos

·         Filamina: Entrecruza filamentos de actina formando una red de tipo gel

·         Miosina II: Contracción por deslizamiento de filamentos de actina

·         Miosina V: Movimiento de vesículas y organelos a lo largo de los filamentos de actina

·         Espectrina: Forma una red de sostén para la membrana plasmática especialmente en eritrocitos

Los filamentos de actina forman haces de longitudes diferentes dependiendo de la función que llevarán a cabo. Se distinguen tres tipos que son: Haces Contráctiles, Redes Tipo Gel y Haces Paralelos.

Haces Contráctiles

Los haces contráctiles tienen filamentos de actina que se disponen de forma paralela entre sí, con los extremos positivo y negativo en direcciones alternas. Los filamentos de actina de estos haces están asociados a la miosina de los tipos I a IX generalmente la II y la V, Tienen como funciones el movimiento de la célula y de sus organelos, participan en la endocitosis y exocitosis, además participan en la formación de haces contráctiles durante la mitosis.

Redes Tipo Gel

Las redes tipo gel proporcionan a la célula su base estructural gracias a la rigidez que le brinda la proteína filamina, que ayuda a el establecimientos de una red de filamentos de actina de alta viscosidad. En la formación de filopodios el gel es licuado por proteínas como la gelsolina que en presencia de ATP y calcio rompe los filamentos de actina e impide que se alarguen

Haces Paralelos

Están formados gracias a proteínas como fimbrina y villina, los haces paralelos densamente empaquetados que conforman el núcleo de microagregados y microvellosidades. Estos filamentos de actina se fijan en la red terminal, una región de la corteza celular formada por una malla de filamentos intermedios y la proteína espectrina que ayudan a mantener la integridad de la misma.

La actina también es importante en el mantenimiento de los contactos focales de la célula en con la matriz extracelular. En estos contactos focales una proteína transmembrana llamada integrina que se une a proteínas de la matriz extracelular como la fibronectina que permite que la célula mantenga su fijación, la región intracelular de la integrina se fija al citoesqueleto al unirse la integrina a la proteína talina, quien a su ves se fija a la vinculina y al filamento de actina.

Filamentos Intermedios

Los filamentos intermedios cumplen con varias funciones entre las que podemos destacar: Soporte estructural de la célula, formar un marco tridimensional deformable para la célula, Anclar el núcleo en su posición, aportar una conexión entre la membrana plasmática y el citoesqueleto, etc.

Las subunidades proteicas que conforman a los filamentos intermedios son de tipos diversos, están formados por ocho tetrámeros de proteínas de tipo bastón, el monómero de cada tetrámero difiere en cada tipo de filamento intermedio, pero su, morfología es similar en el sentido de que un monómero contiene tiene un extremo N (O Cabeza), y un extremo C (O Cola) que están plegados en dominios globulares, mientras que su región media (o Dominio Central), esta formada por una hélice α. Las categorías de filamentos intermedios incluyen: Queratinas, Desminas, Vimetina, Proteínas Acidas Fibrilares Gliales, Neurofilamentos y Láminas Nucleares:

Filamentos Intermedios de Tipo I y II (Queratinas Acidas y Básicas)

Las queratinas dan sostén a los conjuntos de células y proporcionan resistencia y a la tracción al citoesqueleto, la única diferencia entre las queratinas acidas (tipo I) y básicas (tipo II) es su ubicación, las primeras se encuentran en las células epiteliales y las segundas abundan en las células del cabello y de las uñas.

Filamentos Intermedios de Tipo III (Desmina, Vimetina y Proteína Acida Fibrilar Glial (GFAP))

La desmina tiene como función unir las miofibrillas al musculo estriado en torno a los discos Z, por ende, abundan todos los tipos de células musculares, (los trataremos más a detalle cuando veamos musculo).

La vimetina rodea la envoltura nuclear y se asocia al lado citoplasmático del complejo del poro nuclear, se encuentra en células de embriones y en células de origen mesenquimatoso como los fibroblastos, leucocitos y células endoteliales.

La Proteína Acida Fibrilar Glial da sostén a la estructura de las células, y como su nombre lo indica se encuentra en células de la glía como los astrocitos, oligodendrocitos y células de Schwann (que trataremos más adelante cuando veamos sistema nervioso)

Filamentos Intermedios Tipo IV (Neurofilamentos y Sincoilina)

 Los neurofilamentos se encuentran en las neuronas y son clasificados en L, M y H de acuerdo a su masa molecular siendo el L el mas ligero y el H el mas pesado. Forman el citoesqueleto de los axones y dendritas, y ayudan a la formación del estado de gel del citoplasma, (de momento dejaremos todo esto de lado y lo trataremos con mas detenimiento cuando veamos sistema nervioso)

La Sincoilina forma enlaces con la distrobrevina, una proteína presente en las células musculares

Filamentos Intermedios de Tipo V (Laminas Nucleares)

Se encuentran en el recubrimiento de la envoltura nuclear de todas las células, ya que se encarga del control y estructura de la envoltura nuclear, y la organización de la cromatina perinuclear.

Filamentos Intermedios de Tipo VI (Faquinina y Filensina)

Ambos se encuentran en las fibras del cristalino ya que mantienen su transferencia (hablaremos mas de esto cuando veamos ojo)

Proteínas Intermedias de Unión a Filamentos

Cuando estas proteínas se unen a los filamentos intermedios, los integran en una red tridimensional que facilita la formación del citoesqueleto. Algunas de ellas son:

·           Filagrina: Se une a los filamentos de queratina en haces

·         Sinemina y Plectina: Forman mallas intracelulares tridimensionales con la desmina y vimetina

·         Plaquinas: Ayudan al mantenimiento del contacto entre filamentos intermedios de queratina y los hemidesmosomas de las células epiteliales, así como los filamentos de actina con los neurofilamentos.

Microtúbulos (Filamentos Gruesos)

Los microtúbulos son estructuras rígidas, largas, rectas y huecas formadas por tubulina que actúan como vías intracelulares. Cada microtúbulo está formado por 13 protofilamentos paralelos compuestos por heterodímeros de tubulina α y β unidos a un anillo de tubulina γ. Los microtúbulos están polarizados, es decir tienen un extremo positivo (tubulina α) y otro negativo (tubulina β) que deben estabilizarse o de lo contrario se despolimerizarían, el extremo negativo se estabiliza al unirse a la tubulina γ. Los microtúbulos cumplen las siguientes funciones: Aportan rigidez y mantienen la forma de la célula, Regular el movimiento intracelular de organelos y vesículas, Facilitan el movimiento ciliar y flagelar.

Proteínas Asociadas a Microtúbulos

Las proteínas asociadas a microtúbulos son proteínas motoras que ayudan a la traslocación de organelos y vesículas dentro de la célula. Existen diferentes proteínas asociadas a microtúbulos (MAP), que son: MAP 1, MAP 2, MAP 3, MAP 4, MAP Tau y Lis 1, que ayudan a evitar la despolimerización de los microtúbulos y ayudar al movimiento intracelular, (Como dato curioso Lis 1 actúa en el desarrollo embrionario formando los surcos y circunvoluciones en los hemisferios cerebrales).

Otras MAP son responsables directas en el transporte a lo largo del microtúbulo tanto hacia el extremo positivo como hacia el extremo negativo, dichas MAP son la Dineína y la Cinesina. La Dineína en presencia del ATP transporta su cargo hacia el extremo negativo, y Cinesina hace lo mismo, pero en sentido contrario, es decir hacia el extremo positivo.

Centriolos y Centrosomas

Los centriolos son estructuras cilíndricas compuestas por nueve tripletes de microtúbulos, dispuestos en torno a un eje central o axonema en una configuración 9+0 (es decir 9 en la periferia y ninguno en el centro).

En general son estructuras pares dispuestas en perpendicular entre si e integradas en una matriz de material pericentriolar (formada por tubulina γ y pericentrina que interactúa con el extremo negativo de los microtúbulos), dicho complejo se conoce como centrosoma o centro organizador de microtúbulos (MTOC) cuya función es la formación y organización de los microtúbulos, así como a su autoduplicación antes de la mitosis.

En resumen, el citoesqueleto es el encargado de mantener la estructura de la célula y contribuir con el transporte de los organelos y vesículas dentro de la célula, así mismo participan durante el proceso de división celular que veremos en nuestra próxima entrega acerca del ciclo celular.

   

Fuentes

Gartner, Leslie P. Texto De Histología Atlas a Color. 4 ed., Elsevier, 2017.

Mitocondria

Las mitocondrias son organelos en forma de bastón que abundan en la mayoría de las células debido a una de las muchas funciones que llevan a cabo que es vital para la misma, la cual es la producción de energía a través de varios procesos y vías metabólicas que se llevan en su interior como, por ejemplo: la fosforilación oxidativa, ciclo de Krebs, β-oxidación, etc. Además de la producción de energía en forma de ATP y otras moléculas almacenadoras de energía, también participa en la generación de calor, y los primeros pasos de la gluconeogénesis, la β-Reducción, la cetogénesis entre otros.

Las mitocondrias cuentan con una membrana externa lisa y otra interna la cual está plegada, los pliegues de la membrana interna son denominados crestas incrementan el área superficial de esa membrana. El espacio entre ambas membranas se define como el espacio intermembrana, mientras que el espacio delimitado por la membrana interna se denomina matriz.

Esquema de una Mitocondria

Mitocondria vista con microscopio electronico de transmisión

Membrana Mitocondrial Externa y Espacio Intermembrana

La membrana interna es lisa, recubre toda la mitocondria, en ella se encuentran varias proteínas transmembrana denominadas porinas que permiten el paso de moléculas hidrosolubles pequeñas, razón por la cual el contenido del espacio intermembrana es muy parecido al del citoplasma. Además, hay otras proteínas responsables de la síntesis de lípidos mitocondriales en la misma.

Membrana Mitocondrial Interna

A diferencia de la externa está se encuentra plegada en crestas para aumentar su área superficial, delimita el espacio de la matriz. Esta formada principalmente por cardiolipina un fosfolípido que a diferencia de cualquier otro posee cuatro cadenas de ácidos grasos en ves de dos, razón por lo que está membrana es casi impermeable a iones, electrones y protones.

En algunas partes las membranas externas e interna están en contacto. Estas zonas se denominan puntos de contacto, que actúan a modo de vías para la entrada y salida de proteínas y moléculas pequeñas de la matriz. Los puntos de contacto están compuestos de proteínas transportadoras para el acarreo y proteínas reguladoras para el reconocimiento de marcadores y transporte de macromoléculas concretas.

En otros puntos también se da el transporte de macromoléculas hacia la membrana interna, externa o la matriz, solo que en estos no se juntan las membranas, pero poseen moléculas receptoras capaces de reconocer la macromolécula transportada como las portadoras citoplasmáticas que llevan la macromolécula en concreto.

Para que las proteínas destinadas a la mitocondria puedan entrar necesitan tener dos señales, la primera es una secuencia de aminoácidos con carga positiva en su extremo inicial y la proteína de choque térmico 70, La translocasa de la membrana mitocondrial externa reconoce ambas señales y transporta la proteína al compartimiento intermembrana. Otra proteína ubicada en la membrana interna, la translocasa de la membrana mitocondrial interna transloca la proteína del espacio intermembrana a la matriz para luego disociar a la proteína de choque térmico 70 y a la secuencia de aminoácidos.

Otros elementos que encontramos en la misma son proteínas que vistas al microscopio electrónico se asemejan a una paleta de pirulí, las ATP sintasas responsables de la síntesis de ATP, y las Cadenas de transporte de electrones que aportan la energía para la ATP sintasa, también encontramos proteínas de intercambio de ADP/ATP que introducen ADP y sacan ATP de la mitocondria. De estos procesos hablaremos más adelante.

Matriz

La matriz está conformada por un liquido denso rico en proteínas que contiene las enzimas necesarias para la conversión del piruvato en Acetil-CoA, la β-oxidación y el ciclo de Krebs (procesos que veremos más adelantes). Otras cosas que podemos encontrar en la matriz ribosomas, ARNt, ARNm, y sobre todo su propio ADN y las enzimas necesarias para su expresión. También podemos encontrar los granulos de la matriz compuestos por fosfolipoproteínas, calcio y magnesio, su función aun no se conoce, pero se cree que secuestran calcio para evitar la toxicidad del mismo.

Vías Metabólicas y Procesos Mitocondriales

Como mencionamos al inicio la principal tarea de la mitocondria es el suministro de energía para las actividades de la célula, esto lo consigue a través del proceso de fosforilación oxidativa (o síntesis de ATP), pero también por otros procesos metabólicos tanto cíclicos como catabólicos, como es el caso del ciclo de Krebs, la β-oxidación y la Cetogénesis. A continuación, describiremos brevemente estos procesos, si el lector desea saber más información al respecto puede consultar cualquier libro o sitio dedicado a la bioquímica.

Eje Metabólico Central

Antes de explicar los procesos metabólicos de la mitocondria aclararemos algunos conceptos, entre ellos Metabolismo, Catabolismo, Anabolismo y el eje metabólico central: el metabolismo es el conjunto de reacciones químicas y vías que cooperan para la obtención de energía a través de la degradación de moléculas del ambiente o bien para la síntesis de moléculas con funciones especializadas. El catabolismo consiste en la degradación de moléculas grandes a moléculas pequeñas con la subsiguiente liberación de energía. El Anabolismo consiste en la Creación de moléculas grandes a partir de pequeñas con el consumo de energía. Todos estos procesos se rigen por vías metabólicas que pueden ser catabólicas, anabólicas o cíclicas.

El eje metabólico central es el conjunto de vías metabólicas cuyos productos se conectan a otras vías a las que les sirven como sustrato, y viceversa, es decir en otros casos los productos de otras vías se conectan al eje para servir como sustratos. Las vías y procesos que forman parte del eje son: la Glucolisis, La descarboxilación Oxidativa del Piruvato, El ciclo de Krebs, La cadena de transporte de electrones y La Fosforilación Oxidativa. La glucolisis es una vía del metabolismo de carbohidratos que sucede en el citoplasma donde una molécula de glucosa se convierte en 2 piruvatos y libera 2 ATP, al ser una vía citoplasmática nos limitaremos a resumirla con el siguiente esquema, por otra parte, el resto de procesos del eje suceden en la mitocondria por lo que los trataremos con un poco mas de detalle 

                                         

                      

Eje Metabolico Central

Descarboxilación Oxidativa del Piruvato

El piruvato producido por la glucolisis, será convertido en Acetil-CoA, dicho proceso llevado por la mitocondria y catalizado por el complejo multienzimatico denominado Piruvato Deshidrogenasa que consta del funcionamiento acoplado de tres enzimas: la carboxilasa, la transacetilasa y la deshidrogenasa, con la intervención de cinco coenzimas: TPP, Lipoato, CoA, FAD y NAD. El resultado final del proceso es la producción de Acetil-CoA, y la liberación de CO₂ y NADH.

La primer enzima E1. También conocida como carboxilasa, en muchas ocasiones mal llamada piruvato deshidrogenasa, lo cual es un error ya que no actúa como deshidrogenasa sino como descarboxilasa. Está enzima actúa con su coenzima Tiamina Pirofosfato (TPP), un derivado de la vitamina B1. La enzima E1 descarboxila al piruvato desprendiendo CO₂ y dejando al resto del mismo (Resto de Hidroxietilo) unido al TPP.

La enzima E2 o Transacetilasa es la enzima central del complejo por un lado recibe al resto de Hidroxietilo del TPP. Está enzima tiene un “brazo” formado por ácido lipoico el cual está unido a el resto de la enzima, dicho brazo es el encargado de tomar el resto de Hidroxietilo de la TPP, para luego entregarlo a la Coenzima A (CoA) para formar la Acetil-CoA.

La ultima enzima del proceso, la E3 o Deshidrogenasa, no participa directamente en la formación de la Acetil-CoA, pero ayuda a regresar a E2 a su forma original y a formar NADH de forma indirecta. Cuando el resto de Hidroxietilo es entregado a la CoA, el brazo de la enzima E2 se queda con grupos tiol (-SH), de los cuales entrega los hidrógenos al grupo prostético de la E3 que es el FAD, y de está manera se forma FADH, luego este entrega los hidrógenos al NAD que se vuelve NADH quien después entrega los hidrógenos al complejo I de la cadena de transporte de electrones de quien hablaremos más adelante.

Descarboxilación Oxidativa del Piruvato

Ciclo de Krebs

También conocido como ciclo de los ácidos tricarboxilicos o ciclo del ácido cítrico, es una vía metabólica cíclica que sucede en la matriz mitocondrial, en la que se oxida la porción acetato de la Acetil-CoA hasta CO₂, H₂O, 4 pares de hidrógenos que alimentan la cadena de transporte de electrones a través del NADH, y el FADH.

Reacciones del Ciclo

·         Primero se va a condensar el Acetil-CoA y el Oxalacetato para formar Citrato por la Enzima Citrato Sintasa

·         El Citrato se vuelve Isocitrato por acción de la enzima Aconitasa

·         Luego el Isocitrato se vuelve α-Cetoglutarato por la enzima Isocitrato Deshidrogenasa, en el proceso se libera CO₂ y NADH

·         El α-Cetoglutarato se convierte en Succinil-CoA por la enzima α-Cetoglutarato Deshidrogenasa, en el proceso se libera NADH y una Coenzima A entra para formar una Succinil-CoA y el residuo sale como CO₂

·         El Succinil-CoA se vuelve Succinato por la enzima Succinil-CoA Sintetasa, en el proceso se libera una CoA y un GTP

·         Luego el Succinato pasa a ser Fumarato por la enzima Succinato Deshidrogenasa, en el proceso se libera FADH, mismo que será enviado al complejo II de la cadena de transporte de electrones, por ello se dice que el ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones se conectan aquí

·         Después el Fumarato pasa a ser Malato gracias a la enzima Fumarasa

·         Luego el Malato se convierte en Oxalacetato por la enzima Malato Deshidrogenasa, y así este se vuelve a condensar con Acetil-CoA para volver a formar citrato repitiéndose de nuevo el ciclo, en el proceso se forma de nuevo NADH  

Además, los productos que se producen a lo largo del ciclo sirven como sustratos para otras vías que se describen a continuación en el siguiente esquema.

Destino de los productos del ciclo de krebs

También los productos de otras vías se incorporan al ciclo, como lo muestra la siguiente imagen.

Incorporación de productos a otras vias al ciclo de Krebs

Correlación Clínica Encefalopatía y Canceres Asociados al Ciclo de Krebs

Hay enfermedades que se han atribuido a deficiencias en las enzimas del ciclo del ácido cítrico. Debido a las altas necesidades de energía del cerebro, las enfermedades observadas suelen ser formas de encefalopatía (disfunción cerebral caracterizada por deficiencias cognitivas, temblor y convulsiones). Por ejemplo, las encefalopatías se relacionan con mutaciones en los genes que codifican la α-Cetoglutarato Deshidrogenasa, Succinato deshidrogenasa, Fumarasa y Succinil-CoA sintetasa.

Varios cánceres raros también se producen por deficiencias enzimáticas en el ciclo del ácido cítrico. Una forma de cáncer de células renales se origina por mutaciones en la Fumarasa.

Cadena de Transporte de Electrones

La Cadena de transporte de electrones es un conjunto de acarreadores de electrones, situada en la membrana interna, dichos electrones provienen de las coenzimas reducidas al oxígeno. La energía que se libera durante la transferencia de electrones se acopla a varios procesos endergónicos, de los que el más importante es la síntesis de ATP, pero también a el bombeo de Ca2+ al interior de la matriz mitocondrial y la generación de calor en el tejido adiposo marrón.

Componentes de la Cadena de Transporte de Electrones

Complejo I

El complejo I también llamado NADH Deshidrogenasa cataliza la transferencia de electrones del NADH a la Ubiquinona. El complejo está compuesto por una molécula de Mononucleótido de Flavina (FMN) y 7 Centros Hierro-Azufre que son intermediarios en la transferencia de un solo electrón. Primero la NADH reduce al FMN a FMNH al pasarle sus H+, Luego el FMNH₂ le da sus electrones a los Centros Hierro-Azufre DE UNO EN UNO, los cuales luego se pasan a la Ubiquinona un transportados de electrones capaz de aceptar y donar electrones DE UNO EN UNO.

Complejo II

El complejo II o Succinato Deshidrogenasa consta de 4 subunidades proteicas que son: ShdA una flavoproteína con un sitio de unión para el succinato y un FAD unido por un enlace covalente al mismo, ShdB una ferrosulfoproteína con 3 Centros Hierro-Azufre, ShdC, y ShdD son solo proteínas estructurales. El sitio de unión a la Ubiquinona está formado entre ShdC y ShdD, a su vez el dímero actúa como un sitio de unión al grupo hemo el cual evita la fuga electrónica en el complejo para que no se formen radicales de oxígeno. El complejo II media la transferencia de electrones del succinato a la Ubiquinona. Después de la reducción del FAD en el ciclo de Krebs, los electrones son transferidos por los centros hierro azufre para después pasar a la ubiquinona.

Complejo III

El complejo III también llamado Complejo del Citocromo BC_I es un dímero donde cada monómero posee 11 subunidades entre las cuales encontramos a los citocromos Cit-b_L, Cit-b_H y Cit-c_I, y un Centro Hierro-Azufre. Los citocromos son proteínas transportadoras de electrones que contienen un grupo hemo, los cuales son transportados uno a la ves en asociación a un cambio reversible de oxidación en el grupo hemo. La función de del complejo III es transportar los electrones de la ubiquinona reducida al citocromo c, que es un transportador libre de electrones

Ciclo Q

El transporte de electrones por el complejo III es conocido como el ciclo Q, en el proceso las ubiquinonas se difunden entre los donadores de los complejos I y II y el aceptor ósea el complejo III. La ubiquinona dona sus electrones, UNO A LA VEZ, uno primero se desplaza al Cit-c_I, y luego al citocromo c, los productos de esta transferencia son Ubiquinona y dos protones de Ubiquinona reducida que son transferidos al espacio intermembrana luego la ubiquinona pasa su segundo electrón, pero al Cit-b_L y luego al Cit-b_H. El producto de la primera etapa en el ciclo Q es UQ, con la transferencia de un electrón al citocromo c, un segundo electrón al Cit-b_H; dos protones transferidos al espacio intermembrana.  La segunda etapa del ciclo involucra otra ubiquinona reducida que transfiere un electrón al citocromo c de la misma forma que en la primer etapa, luego, el producto Ubiquinona acepta el electrón de Cit-b_H y dos protones de la matriz mitocondrial para formar Ubiquinona Reducida. El efecto neto es que dos electrones y cuatro protones alimentan el espacio intermembrana del lado de la membrana interna para oxidar el citocromo c y contribuir al gradiente de protones. Se forman una molécula de Ubiquinona y una de Ubiquinona Reducida dentro de la membrana con dos protones aportados por la matriz mitocondrial.

Complejo IV

También llamado citocromo oxidasa es un complejo proteínico que cataliza la reducción de 4 electrones de O₂ para formar H₂O, El complejo IV contiene los citocromos a y a3 y tres iones cobre. Dos de éstos forman CuA/CuA, un centro binuclear Cu-Cu; el hemo a3 y el CuB forman un centro binuclear Fe-Cu. Ambos centros aceptan electrones, uno a la vez. Los electrones fluyen del citocromo c al CuA/CuA, luego al citocromo a, de aquí a a3-CuB y por último a O2. Cuatro protones y cuatro electrones son impulsados a través del complejo IV desde la cara externa de la membrana mitocondrial interna hasta la matriz para su entrega al dioxígeno unido al citocromo a3-Fe(II). Se forman dos moléculas de agua, que salen del sitio.

En el complejo IV y el citocromo c hay sitios de unión de ATP reguladores. Cuando la concentración de ATP es alta, el ATP actúa como inhibidor alostérico, se une a estos sitios y causa un decremento en la actividad del transporte de electrones.

La oxidación del NADH resulta en la liberación de una cantidad sustancial de energía, determinada por un decremento en los potenciales de reducción (ΔE°′), en la medida en que los electrones fluyen por los complejos I, III y IV. Se sintetizan aproximadamente 2.5 moléculas de ATP por cada par de electrones que se transfieren entre el NADH y el O2 en la cadena de transporte de electrones. De la transferencia de cada par donado por el FADH que se produce en la oxidación del succinato resultan alrededor de 1.5 moléculas de ATP.

Cadena de Transporte de Electrones

Fosforilación Oxidativa

La fosforilación oxidativa, proceso en el que la energía generada mediante la cadena de transporte de electrones se conserva por la fosforilación del ADP para producir ATP, por medio del complejo ATP sintasa.

Teoría Quimiosmótica

La teoría quimiosmótica fue propuesta por Peter Mitchell en 1961, explica que al pasar los electrones a través de la cadena de transporte de electrones se transportan protones desde la matriz y se liberan en el espacio intermembrana. Como consecuencia, se crea un potencial eléctrico y un gradiente de protones (o ΔpH) a través de la membrana interna. El gradiente electroquímico de protones se denomina algunas veces como la fuerza protón motriz, y es el encargado de impulsar la síntesis del ATP. El ATP se sintetiza a partir de ADP y Pi (Pirofosfato libre) la ATP sintasa también se conoce como complejo V de la cadena de transporte de electrones, el cual contiene un canal de protones. La síntesis de ATP se produce como resultado de las condiciones termodinámicas favorables que produce el flujo de protones a través del canal.

ATP Sintasa y Síntesis de ATP

La ATP sintasa es un compuesto enzimático responsable de la síntesis de ATP, visto al microscopio electrónico parece tener la forma de una paleta de pirulí, está compuesto por dos unidades F₁ y F₀, La primera es la ATPasa activa que está compuesta por las subunidades: α (3), β (3), γ, δ y ε, y la segunda es un canal de protones compuesto por las subunidades: a, b (2) y c (10-12).

ATP Sintasa

ATP Sintasa vista con Microscopio Electronico de Transmisión

La ATP sintasa consta de dos motores giratorios unidos entre sí por un componente estacionario de un motor. el motor F₀ convierte la fuerza protón motriz en una fuerza rotatoria que impulsa la síntesis de ATP catalizada por la unidad F₁. El componente giratorio, el anillo c (formado a partir de las subunidades c), que está unido a un eje central constituido por las subunidades ε y γ, gira dentro del hexámero α. Β de la unidad F1. El componente estacionario (las subunidades b y δ) impide que el hexámero gire.

La síntesis de cada ATP requiere de translocar tres protones a través de la ATP sintasa. (Se requiere la transferencia de otro protón para el transporte de ATP y de OH− fuera de la matriz a cambio de ADP y de Pi.) Cuando los protones fluyen por la F₀, la rotación del conducto de protones (c12, también llamado anillo c) se transmite a la subunidad γ que se proyecta en el núcleo de la unidad F₁. La rotación del eje central lo coloca en tres posiciones posibles respecto a cada dímero α, β. La fuerza protón motriz induce tres rotaciones secuenciales de 120° del hexámero α, β. Conforme procede la rotación, cada uno de los tres sitios de unión a nucleótidos experimenta una serie de cambios conformacionales que dan por resultado la síntesis de ATP.

El mecanismo de la síntesis de ATP mediante la ATP sintasa es el siguiente. En la unidad F₀ cada subunidad c del anillo c consta de dos hélices transmembrana antiparalelas. La hélice del C-terminal de las subunidades c contiene un residuo esencial de aspartato (Asp) que con la protonación causa un movimiento giratorio, el cual a su vez induce la rotación de toda la subunidad. La deprotonación de este residuo hace que la hélice del C-terminal vuelva a su conformación original. Los protones entran en el anillo c a través de un canal en la subunidad α. Al final de este canal, en la interfaz de la subunidad α y la subunidad proximal c, un residuo básico de arginina (Arg) transfiere el protón entrante al residuo de Asp en la subunidad c. Como resultado de la rotación de la subunidad c, se desplaza de la subunidad α. Cuando el siguiente protón pasa por el canal de la subunidad α, el proceso se repite. El efecto neto es la rotación del anillo c en sentido contrario al de las manecillas del reloj. La fuerza de torsión generada por la rotación de la subunidad c hace que el eje central asimétrico (constituido por las subunidades ε y γ) gire en una camisa dentro del hexámero α, β.

 Los sitios catalíticos del hexámero α, β están en las subunidades β. Se encuentran en tres conformaciones en términos de afinidad por los ligandos de nucleótido de adenina: abierta (O) (inactiva con baja afinidad), apretada (T) (activa con alta afinidad) y laxa (L) (también inactiva). La Interconversión entre estas conformaciones es causada por interacción con la subunidad γ giratoria.

 Ocurren básicamente tres pasos en el proceso de síntesis de ATP:

·         ADP y Pi se unen a un sitio L,

·         Se sintetiza ATP cuando la conformación L se transforma en una T,

·         Se libera ATP cuando la conformación T se convierte en O. Conforme la subunidad γ gira e interactúa de manera secuencial con cada subunidad β, cada sitio activo es forzado a pasar por las conformaciones O, T y L.

Sintesis de ATP

Correlación Clínica: Intoxicación por Dinitrofenol

Durante la década de 1930 se comercializó un compuesto llamado 2,4-dinitrofenol, el cual se anunciaba como un “producto milagro” para bajar de peso con una pequeña peculiaridad, SI FUNCIONABA, ya que esta sustancia es un desacoplante de la fosforilación oxidativa, eso quiere decir que separaba el proceso de la fosforilación oxidativa de la cadena de transporte de electrones al colapsar el gradiente de protones e igualar sus concentraciones a ambos lados de la membrana interna con lo que se detiene la síntesis de ATP, pero no la cadena de transporte de electrones. De está manera los alimentos consumidos no son utilizados para producir ATP, sino que se disipan como calor, dando lugar a la perdida de peso, sin embargo, todo lo que se busca por el camino fácil tiene sus consecuencias y el consumo de Dinitrofenol no es la excepción, ya que son requeridas dosis muy pequeñas para que se bloquee la fosforilación oxidativa a tal grado de llegar a concentraciones tan bajas de ATP que resultan incompatibles con la vida. La principal causa de muerte por consumo de Dinitrofenol es la insuficiencia hepática, puesto que el hepatocito requiere un aporte energético alto para la gran cantidad de funciones que realiza, Los signos y síntomas más comunes de la intoxicación por Dinitrofenol son: Hipertermia, Taquicardia, Sudoración, Cefalea, Convulsiones y Debilidad. Aunque el uso del Dinitrofenol como suplemento alimenticio fue prohibido desde 1938 desgraciadamente aún es vendido como tal en varios sitios de internet.

β Oxidación

La β Oxidación es el proceso por el cual los ácidos grasos pares y saturados se degradan por la separación secuencial de fragmentos de 2 carbonos desde el extremo carboxilo, durante el proceso se oxida el carbono β y se libera Acetil-CoA, al romperse el enlace entre los carbonos α y β. Dicho proceso se repite hasta que todo el ácido graso es consumido.

Para que inicie el proceso los ácidos grasos deben activarse mediante la reacción con ATP y CoA por la enzima Acil-CoA Sintetasa que está en la membrana externa formando así Acil-CoA. Para la siguiente fase la Acil-CoA debe entrar a la matriz, pero es impermeable a la membrana interna, así que para poder entrar se une a un transportador llamado carnitina en los siguientes pasos:

·         La Acil-CoA se vuelve Acilcarnitina al pegarse a una molécula de carnitina por la enzima aciltransferasa de carnitina I (CAT I)

·         Una proteína de la membrana interna transfiere la Acilcarnitina a la matriz

·         La Acilcarnitina una vez dentro se convierte nuevamente en Acil-CoA por la enzima aciltransferasa de carnitina II (CAT II)

·         La Carnitina es devuelta a su posición original

Activación y Transporte de Ácidos Grasos

Una ves dentro la Acil-CoA puede proceder a la β Oxidación, que consiste en los siguientes pasos

·         La Acil-CoA se vuelve Trans-α, β-Enoil-CoA por la Acil-CoA Deshidrogenasa, en el procesos se produce un FADH

·         La Trans-α, β-Enoil-CoA se hace L-β-Hidroxiacil-CoA por la enzima Enoil-CoA Hidratasa

·         El L-β-Hidroxiacil-CoA se vuelve β-Cetoacil-CoA por la β-Hidroxiacil-CoA Deshidrogenasa, en el proceso sale un NADH

·         El β-Cetoacil-CoA por acción de la enzima Tiolasa forma Acetil-CoA y Acil-CoA con 2 carbonos menos.

Proceso de beta oxidación

El proceso se repite hasta que la molécula le quedan cuatro carbonos que luego se fragmentan en 2 Acetil-CoA. que se enviaran al ciclo de Krebs

Cetogénesis

La Acetil-CoA formada en el metabolismo de los ácidos grasos entra al ciclo de Krebs y el excedente se usa para la formación de cuerpos cetónicos, dicho proceso sucede en la matriz mitocondrial de las mitocondrias hepáticas a través de las siguientes reacciones.

·         Se unen dos moléculas de Acetil-CoA para formar Acetoacil-CoA por la enzima Acetoacil-CoA Tiolasa, sale CoA en el proceso.

·         La Acetoacil-CoA se une con otra Acetil-CoA para formar Hidroximetilglutaril-CoA (HMG-CoA) gracias a la enzima HMG-CoA Sintasa, en la reacción sale CoA

·         La HMG-CoA se fracciona y forma Acetoacetato y Acetil-CoA gracias a la HGM-CoA Liasa.

·         El Acetoacetato se reduce para formar se reduce para formar β-Hidroxibutirato. La Acetona se forma por descarboxilación del acetoacetato cuando la concentración de este es elevada.  

Los cuerpos cetónicos son utilizados como energía al ser convertidos de nuevo en Acetil-CoA en tejidos como el musculo esquelético, musculo cardiaco y cerebro ya que todas las reacciones descritas antes son reversibles.

Correlación Clínica Cetoacidosis Diabética

La cetosis, se produce durante la inanición y en la diabetes no controlada, una enfermedad metabólica. En ambos trastornos el suministro de energía depende, en gran medida, de las reservas de grasas y de la β-oxidación de los ácidos grasos. Ya que no es utilizada la energía de los carbohidratos, los cuerpos cetónicos al ser compuestos por ácidos carboxílicos y cetonas dan pauta a la disminución del pH, por lo que al acumularse pueden ser tóxicos.

Ciclo de la Urea

El ciclo de la urea es una vía donde se procesan los derivados del catabolismo de proteínas y se genera urea como producto final para la eliminación del nitrógeno sobrante del catabolismo de proteínas

El ciclo consta de las siguientes reacciones:

·         NH₄⁺ HCO₃^- se juntan para formar Fosfato de Carbamoilo por la enzima Carbamoilo Sintasa, el proceso requiere de 2 ATP. Esto sucede en la mitocondria

·          El Fosfato de Carbamoilo reacciona con Ornitina para formar Citrulina por la enzima Transcarbomoilasa de Ornitina, en el proceso sale pirofosfato. Esto se lleva en la mitocondria

·          Después la Citrulina se lleva al citoplasma para que se vuelva Arginosuccinato al reaccionar con aspartato por la enzima Arginosuccinato Sintasa

·         El Arginosuccinato se vuelve Fumarato (Que volverá a la mitocondria para ser introducido en el ciclo de Krebs) y Arginina que será el precursor de la urea, esto se lleva a cabo por la enzima Arginosuccinato Liasa.

·         Para finalizar la Arginina se hidroliza a Ornitina y Urea por la enzima Arginasa

Ciclo de la Urea

Una vez formada la urea por el hepatocito esta sale al torrente sanguíneo y luego llega al riñón donde será expulsada por la orina.

El ciclo de Krebs y el ciclo de la urea están doblemente conectados ya que por una parte el aspartato requerido en el ciclo de la urea sale del ciclo de Krebs y luego el fumarato regresa al mismo.

Teoría de la Endosimbiosis de Lynn Margulis

La teoría de la endosimbiosis fue propuesta por Lynn Margulis en 1967, la cual explica el origen simbiogenético de las células eucariotas, y con ello el origen de organelos como la mitocondria y el cloroplasto como procariotas de vida libre similares a las bacterias. La teoría dice que las mitocondrias eran organismos procariotas que fueron fagocitados por una célula, pero está no los digirió, sino al contrario está los acoplo de tal manera que establecieron una relación con la célula que las devoro, que si se piensa bien es un trato justo ya que la mitocondria provee de energía a la célula hospedera y esta a su ves le ofrece a cambio protección y alojamiento del exterior.

Teoria de la endosimbiosis

En resumen, la mitocondria es un organelo que es necesario para que la célula pueda llevar a cabo todas sus funciones, además de su interesante origen. En nuestra siguiente entrega hablaremos del citoesqueleto.

Fuentes

Gartner, Leslie P. Texto De Histología Atlas a Color. 4 ed., Elsevier, 2017

McKee, Trudy et al. Bioquímica Las Bases Moleculares De La Vida. 5 ed., Mcgraw-Hill Interamericana, 2014.

Nelson, David L et al. Lehninger Principios De Bioquímica. 5 ed., Omega, 2015.