HEXOQUINASA
1. El OH- de la glucosa es atraído al grupo fosfato de la molécula de arriba.
2. El OH- ataca al grupo fosfato y debilita el enlace que mantenía al fósforo con el oxígeno, rompiendo la molécula en esa posición.
OJO: si hay agua, OH- no puede interactuar con el fosfato efectivamente. ¿Qué hace la hexoquinasa?
i. Se une a la glucosa y ATP.
ii. Les saca el agua.
iii. Los orienta para que puedan interactuar.
iv. Enmascara a estos sustratos para que el agua no interactúe con ellos.
ESTRUCTURA DE LA MITOCONDRIA
– Memb. Externa: poco selectiva.
– Memb. Interna: altamente selectiva, impermeable a protones. Forma repliegues o crestas mitocondriales donde están los complejos transportadores de electrones y la ATPsintasa.
– Espacio intermembrana: área entre las membranas donde se acumulan protones.
– Matriz: compartimiento desde donde pasan los protones asociados al transporte de electrones.
CICLO DE KREBS
EN LA MATRIZ MITOCONDRIAL se sacan todos los electrones del piruvato, no hay síntesis de ATP.
– Ya llegó el piruvato a la mitocondria.
– Es tomado por el complejo piruvato deshidrogenasa, el cual rompe sus enlaces del grupo carboxilo liberando anhídrido carbónico y un grupo acetilo que son 2 C. Este complejo también oxida al acetilo quedando unido a una coenzima A, formando la Acetil CoA. Aquí se pierde 1 C de los 3 que tenía el piruvato.
– La Acetil CoA entrega el grupo acetilo y este se ensambla a una molécula de 4 C para formar una de 3 C.
En 3 reacciones de oxidación, participa el NAD+ dando lugar al NADH (como se veía en bioenergética I), en otra reacción de oxidación también participa el FAD formando FADH2 y en otra reacción se forma el GTP. También se obtiene oxaloacetato.
CADENA RESPIRATORIA
(ESPONTÁNEO, EN MEMBRANA INTERNA MITOCONDRIAL)
• No es parte del ciclo de Krebs porque termina con la entrega de NADH para que sean oxidados.
1. El NADH (que se redujo), pierde un H (se oxida, deshidrogena).
2. Sus electrones son tomados por la membrana interna de la mitocondria, para que se unan al oxígeno y formen agua.
3. Dado que el medio es hidrofóbico, los electrones son llevados por los complejos transportadores (complejos, ubicados en la membrana interna), y esto se conoce como cadena de respiración.
TRANSPORTE DE ELECTRONES– EN LA MEMB. INTERNA
El NADH y el FADH2 sintetizados en la matriz por el ciclo de Krebs, transfieren electrones a complejos proteicos de la membrana interna:
cadena transportadora de electrones.
Dos tipos de transportadores:
– Los que transportan átomos de hidrógeno.
– Los que transportan solo electrones.
Cuando un transportador de electrones le entrega electrones a uno de hidrógeno, hacen falta protones, y la membrana se los
roba de la matriz mitocondrial.
Cuando un transportador de hidrógenos le entrega sus electrones a uno de electrones (monocitocromo), sobran los protones y los libera al espacio intermembrana (entre la interna y la externa de la mitocondria). Como la membrana es impermeable a los protones, el transporte de electrones produce la acumulación de protones en una de las caras de la membrana, generando un gradiente.
Son IV complejos (tienen distintos mecanismos para acumular en una cara de la membrana a los protones).
i. NADH-deshidrogenasa.
ii. Succinato-deshidrogenasa.
iii. Citocromo b-c1.
iv. Citocromo Oxidasa (le entrega los electrones al oxígeno para formar agua).
También existen 2 moléculas móviles que son la Ubiquinona o Coenzima Q y el Citocromo C.
El complejo I acepta electrones desde NADH y el II desde FADH2 que se transfieren hasta llegar al citocromo oxidasa, este es el que transfiere los electrones junto a dos protones al oxígeno formando agua. Este
aceptor final (el O
) recibe los electrones de menor energía porque parte de la energía permitió mover vectorialmente los protones desde la matriz hacia el espacio intermembrana. Como la membrana interna es impermeable a protones, se produce un gradiente de ellos que genera la energía electroquímica para la síntesis del ATP a partir de la
ATPsintasa
que se encuentra en la membrana mitocondrial.
A esta cadena transportadora, por ser el O el aceptor final, se le denomina cadena respiratoria.
El acumuló de protones hace girar el sistema rotatorio que vimos antes.
Complejo I:
– Se constituye por más de 40 proteínas con un brazo hidrofílico en amplio contacto con la matriz.
– Toma H desde el NADH y transfiere electrones a través de un sistema de 8 clústeres de átomos de S y Fe que llevan los electrones a las
quinonas.
– Estas transferencias provocan cambios conformacionales que abren 3 vías de paso de protones (alambres de protones
proteicos, la wea roja) donde se mueven 40 veces más rápido que en el agua. Llevan protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana.
Complejo III:
– Formado por citocromos.
– Transporta electrones puros que toma desde las quinonas (que libera protones sobrantes al espacio intermembrana).
– La mitad de los electrones se reciclan para volver a interactuar con las quinonas, pues esta espera hasta capturar 2 electrones y 2 H+.
– Los electrones se entregan a la proteína Citocromo C que está unida a la membrana hacia el espacio intermembrana, esta puede
transportar 1 electrón a la vez al complejo IV.
El citocromo (lo amarillo) transporta hidrógenos, y este complejo solo agarra los electrones, liberando los hidrógenos afuera.
Complejo IV:
– Tiene distintos grupos “heme”.
– Este complejo recibe de a uno los electrones traídos por el citocromo C y los retiene hasta que por cada O logre unirse cuatro
protones para formar dos moléculas de agua, que después son liberados (el H2O y los 2H+) al espacio intermembrana, o sea,
por cada medio O se une 1H+.
Supercomplejos de cadena respiratoria: es la unión de varios complejos, haciéndolo más eficiente.
Cuadro Resumen:
La membrana interna de mitocondria transporta los electrones para trasladar protones hacia afuera, que generará una forma de energía para, por ejemplo, transportar moléculas a través de la membrana. Cuando vuelven, lo hacen a través de la ATPsintasa (difusión pasiva), permitiendo la rotación de la turbina ya vista. Por cada vuelta de la turbina hay formación de 3 ATP.
CLOROPLASTOS Y FOTOSÍNTESIS
La fotosíntesis es el proceso mediante el cual se usan los electrones del agua y la energía del sol para producir energía química en forma de ATP y NADPH, que luego se usa para convertir CO2 en moléculas orgánicas.
El agua se oxida, y no interactúa con CO2.
Esto es un resumen de las reacciones que pasan en la célula, es un proceso endergónico y redox donde el agua se oxida y el NADP se reduce.
Recordatorio Estructura:
– Memb. Externa: permeable a metabolitos de bajo peso.
– Memb. Interna: muy poco permeable, contiene proteínas que regulan el movimiento de metabolitos hacia dentro y fuera del
organelo.
– Memb. Tilacoidal: se encuentran los fotosistemas I y II, la cadena transportadora de electrones y la ATPsintasa. Forma tilacoides
que se encuentran apilados en forma de grana.
– Espacio intermembrana: espacio entre la interna y la externa.
– Estroma: definido por la membrana interna.
CLOROFILA
Son moléculas lipídicas capaces de absorber fotones que están insertas en la membrana tilacoidal (ambiente hidrofóbico). Tienen en una región donde hay resonancia, por eso los electrones están en una nube en constante movimiento.
Hay distintas clorofilas (pigmentos fotosintéticos) para absorber distintas longitudes de onda (360-700nm), porque la luz blanca tiene radiaciones distintas.
Absorción de Luz: Cuando incide la luz, los electrones saltan a orbitales de más energía. Distintos electrones se desplazan más o menos según la calidad de la luz, que después se transfieren a la cadena transportadora de electrones de la membrana tilacoidal.
Fluorescencia: Cuando la clorofila está aislada en solución no puede transferir los electrones y vuelven a su orbital original, liberando calor.
Fotosistemas: se encuentran en la membrana tilacoidal, y son complejos formados por una antena y el conjunto transportador de electrones (también llamado centro de reacción) con el que funciona.
Complejos Antena: complejos de pigmentos con proteínas de membrana que unen a distintas clorofilas. Captan ciertas longitudes de onda.
– Cuando la luz excita a una molécula de clorofila en el complejo antena, la energía se transfiere entre las moléculas rápidamente hasta alcanzar unas clorofilas especiales en el centro de reacción. Estos electrones no exhiben fluorescencia porque cuando salen de la antena van al centro de reacción.
– Las clorofilas especiales capturan los electrones y los transfieren a una quinona que tiene tendencia a entregar un electrón a otra molécula, así va por varias moléculas denominadas en conjunto cadena de transporte de electrones, cuyo destino final es la molécula de NADP+.
Fotoólisis: ruptura de la molécula de agua por la clorofila oxidada formándose oxígeno como producto + 2H*. Así el fotosistema 2 recupera sus electrones (ver lo que viene).
Fotosistemas en vegetales superiores (vía Z).
Electrones son liberados por el fotosistema.
Si nadie los capta, vuelven a su origen.
Si son captados (por los transportadores de electrones), son
llevados a otro fotosistema para llegar al NADP+, pero el de origen (el PS II) los perdió, así que los recupera por la oxidación del agua.
Plastocianina y citocromo están comunicando los fotosistemas. Se oxida agua para formar NADPH reducido.
Todo esto está en la fase clara de la fotosíntesis.
FOTOSISTEMAS (VÍA Z) Y TRANSPORTE DE ELECTRONES
Existen dos fotosistemas en los vegetales superiores con distinta afinidad por electrones que trabajan en conjunto en la transferencia de electrones desde el agua hasta el NADP, formando NADPH.
Fotosistema II (630nm): aquí ocurre la fotoólisis.
Fotosistema I: pierde electrones en respuesta a la luz y son transportados por la cadena de electrones cuyo aceptor final es el NADP+, que se reduce a NADPH. Después la antena de este fotosistema recupera los electrones por parte de la plastocianina que viene del fotosistema 2 (proteína transportadora de electrones parecida al citocromo C de la mitocondria).
Al igual que en la respiración celular, a medida que los electrones fluyen por la membrana en la cadena transportadora de electrones, se forma un gradiente de protones en el espacio tilacoidal, que se mueven a favor de la gradiente a través de la ATPsintasa, generando la energía necesaria para producir ATP.
FASES DE LA FOTOSÍNTESIS
Ambas ocurren en el estroma del cloroplasto.
FASE CLARA: reacciones dependientes de luz, que son el conjunto de transferencia de electrones. Sus productos son 18 ATP y 12 NADPH.
FASE OSCURA/CICLO DE CALVIN: reacciones que no dependen directamente de luz. Es el ciclo primario donde se fija el CO2. Muestra el uso del ATP y NADPH para sintetizar gliceraldehído 3-fosfato (G3P). Este participa en la síntesis de carbohidratos u otras moléculas complejas como lípidos.
FILAMENTOS DE ACTINA.
ESTRUCTURA Y FUNCIÓN: Los filamentos de actina tienen un diámetro de alrededor de 8 nm. Son los que determinarán la forma de la célula y son necesarios para la migración celular y contracción muscular, además de participar en ciertos tipos de complejos de uniones intercelulares como las uniones estrechas, uniones adherentes y adhesiones focales.
LOCALIZACIÓN: La actina es una de las proteínas más abundantes en las células y es extremadamente similar entre los organismos eucariontes. Se encuentra presente en todo el perímetro de la célula y, en células polarizadas con microvellosidades, se encuentran microfilamentos de actina cortical formando redes, desde donde surgen filamentos de actina en haces paralelos, que dan sustento estructural a las microvellosidades. Los microfilamentos de actina cortical están en estrecha relación con las uniones adherentes. Por último, los filamentos de actina están en contacto con las adhesiones focales, que anclan la célula a la matriz extracelular (MEC), por lo que son muy sensibles a los cambios que esta sufra.
POLIMERIZACIÓN: La actina es una proteína globular, capaz de formar polímeros filamentosos denominados microfilamentos. La polimerización de actina es un proceso que requiere ATP, una molécula por cada monómero que se agrega. La polimerización de actina se inicia con la formación de un centro de nucleación; esto es, la unión de tres monómeros de actina que constituye la etapa limitante del proceso. Luego, la adición de nuevos monómeros elonga el filamento. Este filamento tendrá un extremo positivo (+) y uno negativo (-), no refiriéndose a cargas eléctricas, sino a la dinámica de polimerización/despolimerización. La polimerización de actina se verá favorecida en el extremo (+), llegando a ser 10 veces más rápida en esta región, en comparación con el extremo (-). El filamento deja de crecer cuando la tasa de incorporación de monómeros de actina disminuye, llegando a igualar a la de despolimerización de monómeros; esto se conoce como la fase de equilibrio dinámico; es decir, se mantiene la longitud del filamento, aunque sigue polimerizando y despolimerizando. Hay proteínas accesorias que participan en el proceso de polimerización de actina. Por ejemplo, existen proteínas que inhiben el crecimiento del filamento de actina, evitando en el monómero el intercambio de ADP por ATP, lo cual genera un efecto de “tapa” (capping) deteniendo la elongación. Hay Figura 1. Microfilamentos de actina.
4 otras proteínas, como cofilina, que pueden cortar un filamento de actina en otros filamentos más cortos y, al mismo tiempo, favorecer la elongación de estos fragmentos. Por otro lado, las proteínas Arp2/3 (actin-like proteins 2 & 3) permiten la unión de varios filamentos de actina, mediante la formación de un nuevo punto de nucleación que inician desde los mismos filamentos, formando una red. Cada filamento se asocia a otro formando un ángulo de 70 grados.
ACTINA Y DESPLAZAMIENTO CELULAR: El desplazamiento de ciertas células, como los fibroblastos, por ejemplo, o las células metastásicas, participa de manera protagónica el citoesqueleto de actina. Primero, la actina se elonga formando filopodios. Estos son proyecciones de la actina, junto con la membrana plasmática que determinarán la dirección del movimiento celular ya que permiten “explorar el medio”. Esto se llama polarización. Las fibras de actina en este serán paralelas y unidireccionales. Segundo, cuando ya se tiene la dirección de movimiento o polarización, se forma el lamelipodio. Este permite el movimiento de la célula en sí. La actina tendrá una formación reticular gracias al complejo ARP 2/3. A su vez, se desarrollan las fibras de estrés. En estas las fibras de actina se forman en paralelo y en direcciones opuestas, por lo que serán las fibras contráctiles que retraen la parte “trasera” de la célula. Estas fibras de estrés terminan en adhesiones focales, conectadas a la MEC. Cuando ocurre una pérdida de continuidad en el epitelio, como en una herida, el sector es rápidamente invadido por otras células. Este es un reflejo de la migración celular producto de un citoesqueleto activo.
ACTINA EN RECONOCIMIENTO CELULAR: Las adhesiones focales son complejos macromoleculares que comunican el medio intracelular con el extracelular a través de filamentos de actina (específicamente a través de fibras de estrés), que se unen al complejo mediante una proteína llamada vinculina. Uno de sus componentes, las integrinas, son específicas para cada medio, por lo que permiten reconocer la matriz extracelular, censando a las moléculas que se encuentran allí (p. ej., colágeno, fibrina, fibronectina, etc.). Las integrinas también identifican la densidad de la matriz y permiten la mecanotransducción de señales, entre otras funciones.
MICROTÚBULOS:
ESTRUCTURA Y FUNCIÓN: Los microtúbulos son estructuras celulares relativamente grandes, poseen una forma cilíndrica con una parte interna hueca. Tienen un diámetro de aproximadamente 24 nm. Se forman en base a heterodímeros compuestos por tubulina α y tubulina β. Entre las funciones más importantes de los microtúbulos encontramos: – Posicionamiento de los organelos celulares. – Movimiento de cilios y flagelos. – Tráfico intracelular de organelos y vesículas. – Formación del huso mitótico mediante asociación al cinetocoro de los cromosomas durante la división celular.
LOCALIZACIÓN: Los microtúbulos se organizan en torno a un centro regulador de microtúbulos (MTOC). Este puede ser un cuerpo basal o un centrosoma. Un centrosoma está formado por dos centriolos que se ubican de manera perpendicular. Cada centriolo está formado por nueve tripletes de microtúbulos y material pericentriolar, desde donde se anclan los nuevos microtúbulos en su lado (-). Estos se elongan hacia el lado (+) y se distribuyen a lo largo de toda la célula. Figura 3: Microtúbulos
POLIMERIZACIÓN: Al igual que los filamentos de actina, los microtúbulos son polarizados, por lo que crecen mucho más rápido en su extremo (+), sin embargo, esto no quiere decir que no exista crecimiento por el extremo (-). Se forman a partir de dímeros compuestos por un monómero de α tubulina y uno de β tubulina, los que, en un primer paso, se unen longitudinalmente para formar un protofilamento. Posteriormente, 13 protofilamentos paralelos se pliegan para formar al microtúbulo como tal, el cual es un cilindro hueco. Para la elongación del microtúbulo, se agregan unidades de dímeros. Por cada unidad de tubulina que se une a un microtúbulo en crecimiento se utiliza una unidad de GTP. Los microtúbulos poseen una inestabilidad dinámica, es decir, se ensamblan y desensamblan de forma alternada y rápida según la concentración de tubulina que haya en el medio, y si esta tubulina se encuentra unida a GDP o GTP. Esto permite que su tasa de formación sea altamente variable y depende del momento en el que se encuentra la célula. Por ejemplo, habrá una alta síntesis de microtúbulos durante la mitosis y meiosis, ya que estos conforman el huso mitótico. En su extremo terminal (+), los microtúbulos poseen un capuchón de GTP, que impide que el microtúbulo se desorganice. Sin embargo, existen proteínas como la catastrofina, que le quitan el capuchón de GTP y permiten el desensamblaje del microtúbulo. Por otro lado, hay sustancias que ejercen el efecto contrario, como la colchicina, que evita la polimerización de los microtúbulos. Por último, es destacable el taxol, que estabiliza a los microtúbulos (evitando su despolimerización) y se utiliza en la quimioterapia para evitar la división celular en la metástasis de células tumorales. El problema es que es poco selectivo ya que repercute en todas las células, impidiendo el recambio celular en tejidos sanos.
CILIOS Y FLAGELOS: Los microtúbulos también desempeñan un papel fundamental en el movimiento ciliar/flagelar formando parte del axonema. Estos forman parte de cilios y flagelos, estructuras que poseen nueve dobletes de microtúbulos periféricos y un par central. Mediante la interacción con diversas proteínas motoras, como la dineína, causan movilidad. Es interesante recalcar que los cilios tienen un movimiento en paralelo y los flagelos se asemejan a un látigo. Una mutación en las proteínas motoras puede causar inmovilidad en los cilios. Un ejemplo es la disquinesia ciliar primaria, en la cual la dineína mutante causa cilios tiesos que conllevan a una serie de problemas como infertilidad y recurrentes enfermedades respiratorias.
FILAMENTOS INTERMEDIOS:
ESTRUCTURA Y FUNCIÓN: Ya que las células animales no constan de pared celular, requieren de una estructura interna que provea de firmeza ante estímulos deformantes externos. Este rol lo cumplen los filamentos intermedios. Estos tienen un diámetro aproximado de 10 nm y son los que otorgan la fuerza mecánica y la resistencia a la deformación. Por este mismo motivo, son el principal componente del citoesqueleto encargado de la integridad tisular. Si experimentalmente se aplica una fuerza deformante a los distintos componentes del citoesqueleto, los primeros en ceder serán los microtúbulos y luego los filamentos de actina. Sin embargo, los filamentos intermedios no se romperán y resistirán fuerzas muy superiores a los otros componentes del citoesqueleto. Además, proveen de unión intercelular. Existen dos tipos de filamentos intermedios: los citoplasmáticos y los nucleares. Los citoplasmáticos incluyen la queratina (presente en tejido epitelial), la vimentina (presente en tejido conectivo y tejido mesenquimal) y el neurofilamento (presente en neuronas), entre otros, que otorgan la resistencia estructural de los distintos tejidos. Los nucleares incluyen a las proteínas lámina, que le entregan estabilidad y forma al núcleo, estando, además, en contacto con la cromatina (no confundir con laminina, proteína de la matriz extracelular). Ya que los filamentos intermedios citoplasmáticos son específicos de cada tejido, permiten detectar cambios en este mediante su análisis. Por ejemplo, en el caso de los tumores existe un proceso llamado transición epitelio-mesénquima, donde la célula cambia de forma y adquiere la propiedad de moverse en gran cantidad, porque perdió la unión célula-células. Por ende, si se encuentra una masa celular en el epitelio, que se compone de filamentos intermedios de vimentina en vez de queratina, lo más probable es que se trate de un tumor que perdió su diferenciación. Figura 4: Organización de los microtúbulos en cilios y flagelos Figura 5: Filamentos intermedios APUNTES DE BIOLOGÍA CELULAR y MOLECULAR – UNIVERSIDAD LOCALIZACIÓN: Los filamentos intermedios salen de uniones llamadas desmosomas (unión célula-célula) y hemidesmosomas (unión célula-matriz extracelular). Los filamentos intermedios se reflejan, como una horquilla, en las uniones intercelulares. Si están relacionados con los desmosomas, serán fundamentales en la unión intercelular. Por ejemplo, al aplicar una fuerza deformante sobre un epitelio con desmosomas, las células se mantienen unidas debido a las uniones que estos generan entre sí y la relación que estos tienen con los filamentos intermedios. Si se eliminaran dichos filamentos, las uniones célula-célula se pierden, y desaparecería la integridad del epitelio. Si se encuentran en relación con los hemidesmosomas, estarán participando de la unión celular con la lámina basal. Esto también se puede apreciar en el epitelio (Ver anexo 1).
POLIMERIZACIÓN: A diferencia de los microtúbulos y los filamentos de actina, los filamentos intermedios no requieren de energía para su polimerización. Primero, se enrollan entre sí dos monómeros (queratina, vimentina, etc.). Luego, dos dímeros se unen en forma antiparalela y forman un tetrámero. Después, ocho tetrámeros se unen para formar el octámero. El octámero es la base de los filamentos intermedios y se van agregando durante la elongación de este. Esta es la razón por la que tienen tanta resistencia a la deformación. Al componerse de muchas subunidades con una fuerza de interacción relativamente baja, generan una estructura que en su conjunto es muy fuerte.
PROTEÍNAS MOTORAS:
MIOSINA: Las miosinas son proteínas motoras que se asocian a los microfilamentos de actina. Están formadas por una cola y dos cabezas iguales que funcionan de manera independiente. En su unión con actina, se libera un grupo fosfato, lo que permite un movimiento de 100 Å del filamento de actina, produciéndose el deslizamiento.
KINESINA: Las kinesinas son proteínas motoras que se unen a microtúbulos. Están formadas por un dominio de unión a molécula cargo y un dominio de unión a microtúbulo, constituido por dos cabezas motoras que funcionan de forma coordinada, a diferencia de la miosina. En este caso solo una cabeza se une al microtúbulo y luego, a raíz de la liberación del grupo fosfato y el cambio conformacional generado, se une la otra cabeza, produciendo un movimiento coordinado. La mayoría de las kinesinas desplazan moléculas cargo hacia el extremo positivo del microtúbulo. Por último, participan del movimiento de organelos y otros cargos durante la mitosis (separación de los cromosomas), del movimiento de componentes celulares desde el soma de una neurona hacia el axón, entre otros.
DINEÍNA: Las dineínas son otras proteínas motoras que se unen a microtúbulos. Están formadas por un dominio de unión a molécula cargo y un dominio de unión a microtúbulo, constituido por dos brazos que generan el movimiento a través de los microtúbulos. La mayoría de las dineínas desplazan moléculas cargo hacia el extremo negativo del microtúbulo. Finalmente, participan del movimiento de organelos y otros cargos durante la migración celular, exocitosis, movimiento de cilios y flagelos, movimiento del huso mitótico, posicionamiento del núcleo y del aparato de Golgi, etc.