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MEMBRANA PLASMÁTICA
Ingrid Romer – Hernán Sala – Gabriela Gómez – Silvia Márquez
Introducción
Las células están separadas del medio que las rodea por una delgada lámina denominada
membrana plasmática, que define los límites de las mismas.
Hace 3700 millones de años, la formación espontánea de una estructura similar a la
membrana plasmática de las células actuales permitió aparición de los primeros seres vivos.
Sin esta barrera protectora, las células estarían expuestas a los rigores del mundo
externo, no podrían regular su medio interno y, en consecuencia, no serian viables. La
membrana plasmática no aísla a la célula completamente sino que constituye una barrera
altamente selectiva, que tiene la propiedad de regular el intercambio de materiales entre
la célula y el medio que la rodea.
La membrana es una estructura muy delgada: sólo tiene un espesor de 6 a 10 nm (1nm=10-
9m). Por lo tanto, se necesitarían mil membranas plasmáticas apiladas, una sobre otra, para
igualar el espesor de esta hoja de papel. Precisamente debido a su delgadez, cuando se
examina una célula al microscopio óptico convencional, puede observarse sin dificultad el
interior de la misma; en el mejor de los casos podrá apreciarse el contorno de la membrana,
pero nunca podrá distinguirse su ultraestructura. Recién las primeras microfotografías al
microscopio electrónico demostraron que la ultraestructura las membranas era siempre la
misma. Esta estructura se denominó unidad de membrana y la misma no sólo es válida para
la membrana plasmática, sino para casi todas las membranas celulares.
Fig. 4.1 - Microfotografía electrónica de transmisión de
una membrana plasmática. Se pueden ver tres líneas
paralelas, dos líneas densas alos electrones (2,5 - 3 nm)
separada por una capa intermedia clara (3,5-4 nn). Este
aspecto conocido como unidad de membrana no es reflejo
de una estructura trilaminar a nivel molecular, sino es la
expresión de como el osmio, usado como "colorante" se
une a la membrana.
Funciones de la membrana plasmática
Como ya se mencionó, las membranas no son simples barreras sino que:
· Definen la extensión de la célula y establecen sus límites.
· Constituyen barreras selectivamente permeables, dado que impiden el intercambio
indiscriminado de sustancias entre el citoplasma y el medio extracelular. La membrana
plasmática, gracias a sus propiedades fisicoquímicas, está capacitada para transportar de
un lado a otro de la misma determinados solutos, macromoléculas y complejos
macromoleculares. Sin embargo, hay moléculas, que a pesar de ser toxicas para la célula,
pueden ingresar sin dificultad a la misma a través de la membrana. Un ejemplo seria el CO
(monóxido de carbono).
· Controlan las interacciones de la célula con el medio extracelular (tanto con la matriz
extracelular como con otras células vecinas). Permite a las células reconocerse, adherirse
entre sí cuando sea necesario e intercambiar materiales e información.
· Intervienen en las respuestas a señales externas a la célula. La membrana posee
receptores, que son moléculas o conjuntos de moléculas, capaces de reconocer y responder
a señales provenientes del medio extracelular portando información especifica. Cuando
dichas señales llegan hasta la membrana plasmática, se desencadenan señales internas en la
célula, tanto activadoras como inhibitorias de distintos procesos celulares. Como ejemplos
de estas señales externas podemos citar a los factores de crecimiento que favorecen la
división celular o diversas hormonas como por ejemplo la insulina, que aumenta la síntesis de
glucógeno.
Singer y Nicholson propusieron en 1972 un modelo estructural para las membranas al cual
denominaron modelo del mosaico fluido. De acuerdo al mismo las membranas son
“disoluciones bidimensionales de lípidos y proteínas.” Según este modelo, la estructura de la
membrana sería una delgada lamina formada por dos capas superpuestas de lípidos (también
llamadas hemimembranas), con la fluidez propia de los aceites, en la cual se encuentran
insertadas proteínas. Esto le confiere el aspecto de un “mosaico”.
Fig. 4.2 -Esquema del "Modelo del mosaico fluido" de las membranas
Las membranas no son estructuras estáticas ni rígidas. Están formadas por un conjunto de
moléculas hidrofóbicas e hidrofílicas que se mantienen unidas por enlaces, en general, no
covalentes. Una de las principales características de las membranas biológicas es su alto
grado de fluidez. Esto implica que sus lípidos y proteínas pueden desplazarse libremente en
todas las direcciones, pero siempre sobre el plano de la membrana. De allí entonces la
denominación de “mosaico fluido”; a esta propiedad también se la conoce como difusión
lateral.
Como puede observarse en el esquema, las membranas también presentan glúcidos unidos
por enlaces covalentes a lípidos y proteínas. Esto da lugar a los llamados glucolípidos y
glucoproteínas, respectivamente.
Estas membranas carecen de resistencia mecánica y en muchas células, como en el caso de
hongos, bacterias y plantas están reforzadas por paredes celulares.
1. COMPOSICIÓN DE LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS
Todas las membranas biológicas de los seres vivos, tanto la membrana plasmática, como las
de las organelas, están formadas por:
A. Lípidos
B. Proteínas
C. Glúcidos
La proporción de cada uno de estos componentes varía de acuerdo a la función que realiza
cada tipo de membrana. Por ejemplo, las membranas mitocondriales tienen una proporción
muy elevada de proteínas (ver Tabla 1).
Tabla 1 – Composición de las membranas de diferentes células. (Los valores
representados como % peso seco de la membrana)
Glóbulos Rojos
Humanos
Staphiloccoccus
aureus
Mielina
Lípidos 30 a 40 20 60 a 70
Fosfolípidos 20 a 25 20 25 a 30
Àcido fosfatídico < 1 - 0
Fosfatidiletanolamina 5 - 5
Fosfatidilcolina 7 - 10
Fosfatidilserina 5 - 5
Esfingomielina 6 - 5
Cerebrósidos <1 - 10
Colesterol 12 <1 15
Otros Lípidos 3 - 15
Proteínas 60 a 70 40 20 a 30
Glúcidos (o restos de
glúcidos en glicoproteínas)
7 40 Observada en
cortes histológicos
A. Lípidos
La variedad de lípidos presentes en las membranas es muy amplia; sin embargo, todos
poseen una característica en común: son moléculas anfipáticas. Esto significa que sus
moléculas contienen una zona hidrofílica o polar y una hidrofóbica o no polar.
Los fosfolípidos son los lípidos más abundantes en las membranas. Debido a su carácter
anfipático, los fosfolípidos, en un medio acuoso se organizan espontáneamente conformando
la denominada bicapa lipídica. Las cabezas polares están orientadas hacia el medio acuoso
(intra y extracelular) y las colas hidrofóbicas hacia el medio lipídico, es decir, al interior de
la bicapa, constituyendo la matriz de la membrana. A su vez, estas bicapas tienden a
cerrarse espontáneamente sobre sí mismas formando vesículas, es decir, compartimientos
cerrados en toda su extensión tridimensional, similares a una esfera.
Fig. 4.3 - Esquema de un
fosfolípido.
Fig. 4.4 - Corte esquemático de una
vesícula de fosfolípidos.
La bicapa de fosfolípidos funciona principalmente como armazón estructural de la
membrana y como barrera que impide el pasaje de sustancias hidrosolubles a través de la
misma; esto último es debido al carácter fuertemente hidrofóbico de la matriz de la
membrana.
Los fosfolípidos más frecuentes de las membranas son la fosfatidiletanolamina, la
fosfatidilcolina, la fosfatidilserina y la esfingomielina. Los fosfolípidos de las membranas
son DIACILGLICERIDOS.
La estabilidad de las bicapas lipídicas esta dada por:
interacciones hidrofóbicas entre las colas hidrocarbonadas.
fuerzas de van der Waals entre las colas hidrofóbicas.
fuerzas electrostáticas y puentes hidrogeno entre las cabezas polares de los
lípidos, ya sea entre ellos mismos y con las moléculas de agua de los medios extra e
intracelular.
Como se notará todas estas son uniones débiles (no covalentes) y le confieren
simultáneamente estabilidad y fluidez a la membrana.
Las cadenas hidrocarbonadas de los ácidos grasos que forman parte los fosfolípidos
(también denominadas “colas” o grupos acilo), pueden presentarse:
saturados (sin dobles enlaces)
monoinsaturados (con un único doble enlace)
poliinsaturados (más de un doble enlace)
En general, los lípidos de membrana contienen un grupo acilo insaturado y otro saturado en
su estructura.
Fig. 4.5 -Fosfatidiletanolamina-(fosfolípido de
membrana)
Fig. 4.6 - Esquema de un fosfolípido
con una cola saturada y una no
saturada.
La presencia de ácidos grasos insaturados aumenta la fluidez de la membrana, debido al
”quiebre” de las colas a la altura de los dobles enlaces. Esto impide, o al menos dificulta,
que las colas hidrocarbonadas se compacten, restringiendo así las interacciones entre ellas.
El hecho de que uno de los grupos acilo de los fosfolípidos esté saturado y el otro no,
garantiza una buena fluidez dentro del rango de temperaturas fisiológicas. Por otro lado,
cuando las cadenas hidrocarbonadas son cortas, tienen menor superficie para interactuar
entre sí; esto último también favorece la fluidez de las membranas.
El colesterol es un esteroide que se encuentra en un alto porcentaje en la membrana
plasmática de las células animales. Su concentración varía mucho de un tipo de membrana a
otro; en animales hay membranas donde el colesterol constituye hasta el 50% del total de
los lípidos. Contrariamente, la mayoría de las células vegetales y bacterianas carecen de
colesterol.
El colesterol, al ser también una molécula anfipática, presenta una orientación similar a la
de los fosfolípidos: el grupo hidroxilo (polar) se orienta hacia el exterior de la bicapa y el
sector hidrofóbico hacia el interior de la misma.
Fig. 4.7 - Esquema de la ubicación del colesterol en la membrana plasmática
Las funciones del colesterol se pueden resumir de la siguiente mane
Inmoviliza los primeros carbonos de las cadenas hidrocarbonadas. Esto hace a la
membrana menos deformable y menos fluida, es decir, la estabiliza. Sin colesterol,
la membrana necesitaría de una pared celular que le otorgue contención mecánica.
Previene el compactamiento de las cadenas hidrocarbonadas a bajas temperaturas,
ya que evita que las colas se junten, aumenten las interacciones débiles entre las
mismas y se “cristalicen” (adopten una estructura muy compacta).
La cardiolipina es un derivado de los fosfolípidos que se encuentra en la membrana interna
de la mitocondria. El dolicol es un lípido que se halla en el REG e interviene en la
glicosilación de las proteínas.
B. Proteínas (Fig.4.8)
Mientras que los lípidos ejercen principalmente una función estructural, las proteínas no
sólo desempeñan un rol estructural sino que además son las responsables de las funciones
específicas de las membranas biológicas. Estas según su función pueden agruparse en:
enzimáticas, de transporte, receptoras y de reconocimiento. Diferentes membranas
tienen distinta proporción y composición de proteínas, de acuerdo a sus funciones. En otras
palabras, son justamente las proteínas las que le otorgan distintas funciones a las
membranas. Estas en su mayoría son proteínas globulares (estructura terciaria o
cuaternaria).
Según su ubicación en la membrana se clasifican en:
-Proteínas intrínsecas, integrales o transmembrana: Pueden atravesar total o
parcialmente la bicapa, asomando a una o ambas superficies de la misma. Únicamente
pueden ser extraídas de la membrana por medio de detergentes que rompen la bicapa.
Tienen un sector hidrofóbico, que es el que esta insertado en la membrana y una o dos
regiones hidrofílicas, expuestas a los medios intra y extracelulares (ambos acuosos). De lo
anterior se deduce que estas proteínas son moléculas anfipáticas. La porción que atraviesa
la membrana suele presentar una estructura de alfa hélice con una elevada proporción de
aminoácidos hidrofóbicos que interaccionan con las colas hidrocarbonadas de la matriz de
la membrana. El sector proteico (también llamado dominio) expuesto a los medios acuosos
suele tener estructura globular e interacciona con las cabezas polares de los fosfolípidos y
con otras moléculas a través de uniones iónicas y puente de hidrógeno.
Dentro de las proteínas integrales encontramos:
Proteínas monopaso: La proteína “atraviesa” una sola vez la membrana.
Proteínas multipaso: La cadena polipeptídica atraviesa dos o más veces la bicapa
lipídica. Por lo tanto, esta posee varias regiones hidrofóbicas insertadas en la
matriz de la membrana alternadas con sectores hidrofílicos que se exponen hacia
los medios acuosos.
Fig. 4.8 -Asociación de proteínas de membrana con la bicapa lipídica:
Transmembrana, atraviesan la membrana como -helice o como láminas plegadas
cerradas. Periféricas unidas a proteínas transmembrana por interacciones no
covalentes débiles y Periféricas unidas a lípidos mediante uniones covalentes.
Algunas proteínas multipaso atraviesan muchas veces la membrana y forman un cilindro
hueco con un interior hidrofílico por el que pueden pasar moléculas pequeñas solubles en
agua. Este es el principio de las proteínas canal que se analizaran mas adelante.
Las proteínas integrales pueden difundir lateralmente y rotar sobre su propio eje, pero no
pueden realizar movimientos a través del plano de la membrana, o más sencillamente
movimiento flip-flop (ver más adelante). Las proteínas integrales suelen desplazarse
acompañadas de los lípidos que las rodean ya que estos le ayudan a mantener su
conformación.
Sin embargo, algunas proteínas integrales están ancladas a componentes del citoesqueleto y
no pueden trasladarse. De esta manera intervienen en la morfología de la célula, por
ejemplo alargada (o ahusada), cúbica, cilíndrica, etc.
-Proteínas extrínsecas o periféricas: Se encuentran sobre la cara externa o también
interna de la membrana y pueden estar ligadas tanto a las proteínas integrales como a los
fosfolípidos por uniones débiles. Se pueden extraer fácilmente con tratamientos no
drásticos. Cuando estas se ubican del lado citoplasmático de la membrana suelen
interactuar con el citoesqueleto.
C. Hidratos de carbono
Las membranas celulares contienen entre un 2-10% de glúcidos. Estos se asocian
covalentemente a los lípidos (glicolípidos) y a las proteínas (glicoproteínas).
Los glicolípidos (o glucolipidos) presentes en las membranas son los gangliósidos y
cerebrósidos. Los gangliósidos se forman por la unión de un oligosacárido con la ceramida.
La estructura de los cerebrósidos es similar, sólo que el hidrato de carbono no es un
oligosacárido sino una galactosa o una glucosa. (ver capítulo de lípidos)
Los hidratos de carbono de los glucolípidos y las glucoproteínas, en su mayoría
oligosacáridos, suelen ubicarse en la cara no citosólica de la membrana plasmática formando
una estructura llamada glicocálix (Fig. 4.9 y 4.10), cuyas funciones se pueden resumir de la
siguiente manera:
· Proteger a la superficie de la célula de agresiones mecánicas o físicas. Como ejemplo
podemos citar a las células situadas en la luz del intestino delgado que presentan un
glicocálix muy pronunciado.
· Poseer muchas cargas negativas, que atraen cationes y agua del medido extracelular.
· Intervenir en el reconocimiento y adhesión celular. Actúan como una “huella dactilar”
característica de cada célula, que permite distinguir lo propio de lo ajeno.
· Actuar como receptores de moléculas que provienen del medio extracelular y que traen
determinada información para la célula, por ejemplo, receptores de hormonas y
neurotransmisores.
Fig. 4.9 - Microfotografía electrónica de un glicocalix de epitelio
intestinal (izquierda).
Fig.4.10 Esquema del glicocalix de una célula eucariota
Las diferencias entre los grupos sanguíneos se hallan determinadas por ciertos
oligosacáridos muy cortos, presentes en las membranas plasmáticas de los glóbulos rojos o
eritrocitos. Estos oligosacáridos sólo difieren en sus monómeros terminales y están ligados
a una proteína transmembranosa o a una ceramida de la membrana plasmática. Por ejemplo,
los eritrocitos pertenecientes al grupo sanguíneo A, presentan como monosacárido terminal
una N-acetilgalactosamina y los del grupo B una galactosa. Cuando ambos monosacáridos
terminales están ausentes estamos en presencia del grupo 0 (Fig.4.11).
Fig. 4.11 - Grupos sanguíneos
2. FLUIDEZ DE LA MEMBRANA
Como ya se mencionó, las membranas son estructuras dinámicas donde los componentes
pueden desplazarse en todas las direcciones sobre el plano de la bicapa. De ahí que el
modelo reciba el nombre de mosaico fluido.
Fig. 4.12 - Movimientos de los fosfolípidos en una bicapa liplídica
2.1. MOVILIDAD DE LOS COMPONENTES DE LAS MEMBRANAS
Existen tres tipos de movimientos posibles en las membranas:
rotación (sobre su propio eje)
traslación (o difusión lateral) sobre el plano de la membrana.
flip-flop
El movimiento de flip-flop es el intercambio de fosfolípidos de una monocapa (o
hemimembrana) a la otra; esta sumamente restringido, debido a la dificultad que posee la
cabeza polar para atravesar el medio hidrofóbico de la matriz de la membrana. De allí que
no sea un movimiento que ocurra de manera espontánea sino que está mediado por enzimas
denominadas flipasas.
Tanto los movimientos de difusión lateral como el de rotación se llevan a cabo sobre la
misma hemimembrana de la bicapa lipídica.
2.2. FACTORES QUE AUMENTAN LA FLUIDEZ DE LAS MEMBRANAS
-Ácidos grasos insaturados
-Baja concentración de colesterol
-Altas temperaturas
-Colas hidrocarbonadas cortas (dificultan el empaquetamiento)
Factores que favorecen la viscosidad Factores que favorecen la fluidez
Alto grado de saturación y mayor longitud de
las colas hidrocarbonadas.
Menor temperatura del medio
Alto de grado de insaturación y menor
longitud de las colas hidrocarbonadas.
Mayor temperatura del medio
Fig. 4.13 - Esquema de los fosfolípidos de membrana en estado viscoso y
fluído.
2.3. EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA FLUIDEZ
El ascenso de la temperatura aumenta la energía cinética entre las moléculas y, por lo
tanto, el movimiento de las colas hidrocarbonadas. Esto lleva a una disminución de las
interacciones atractivas entre las mismos y a un aumento de los movimientos de rotación y
de difusión lateral. Por el contrario, una disminución de la temperatura vuelve más rígida a
la membrana ya “empaqueta” las colas hidrofóbicas de los fosfolípidos e impide sus
movimientos. Si la temperatura desciende significativamente, la membrana puede llegar a
“cristalizarse”, con la pérdida consiguiente de muchas funciones vitales de la membrana.
Los organismos que habitan regiones donde hay grandes amplitudes térmicas estacionales
varían la composición de los fosfolípidos de sus membranas en forma periódica, asegurando
así una fluidez más o menos constante durante todo el año. Por otra parte, organismos que
habitan ambientes extremos poseen composiciones fosfolipídicas muy particulares en sus
membranas, por ejemplo, los que viven a temperaturas inferiores a los 0ºC tienen
membranas muy ricas en lípidos poliinsaturados.
2.4.. DETERMINACIÓN DE LA FLUIDEZ DE LA BICAPA LIPÍDICA
La fluidez de la membrana se pudo determinar experimentalmente tratando células con
anticuerpos fluorescentes que eran reconocidos y se unían a las proteínas (receptores)
presentes en la membrana plasmática. Gracias a esta técnica, se pudo observar, a través
del microscopio, el desplazamiento de los receptores sobre la superficie de la membrana y
su agrupamiento en un polo de la célula, donde posteriormente ingresaban por endocitosis
(internalización a la célula, ver más adelante).
3. ASIMETRIA DE MEMBRANA
En ambas caras de la bicapa (también denominadas hemimembranas o monocapas) no se
encuentran los mismos tipos de fosfolípidos. Si bien estos en su mayoría se sintetizan en la cara citosolica del retículo endoplasmático liso, luego, por medio de movimientos del tipo
flip-flop (únicamente permitidos en el REL, gracias a la presencia de flipasas), se van
ubicando del lado de la bicapa que les corresponda. Por ej., la fosfatidilcolina y la
esfingomielina predominan en la cara no citosolica de la membrana (Fig. 4.7).
La asimetría estructural de las membranas suele manifestarse a través de una asimetría funcional. Esto significa que las funciones presentes en la cara citosolica no son las mismas
que aparecen en la cara no citosólica. Por ejemplo, en el caso de la membrana plasmática, las
moléculas que intervienen en el reconocimiento celular se ubican casi exclusivamente en la
cara expuesta hacia el medio extracelular, pues no tendría mucho sentido que dichas
moléculas estuviesen expuestas hacia el citoplasma.
4. FUSIÓN DE MEMBRANAS
Las membranas tienen una elevada capacidad para fusionarse entre sí. Por ejemplo, cuando
una vesícula se aproxima a la membrana plasmática, a una cisterna o, inclusive, a otra
vesícula, al entrar en contacto ambas superficies, las dos membranas se fusionan,
constituyendo a partir de ese momento una sola membrana. Este fenómeno explica el
transito de sustancias desde un compartimiento celular a otro, y desde las endomembranas
a la membrana plasmática. (ver más adelante endo y exocitosis). Este es el principio en el
que se basa la administración de fármacos vehiculizadas dentro de liposomas, que son
vesículas fosfolipídicas artificiales que contienen alguna droga de interés terapéutico.
Cuando el liposoma se aproxima a la célula blanco (o target), la membrana del liposoma se
fusiona con la membrana plasmática liberando su contenido directamente en el citoplasma
de la célula. Este fenómeno permite que el contenido del liposoma sólo sea captado por
ciertos tipos celulares y no por otros. Técnicas basadas en esta propiedad de las
membranas se utilizan, por ejemplo, para combatir células tumorales.
Fig. 4.14 -Fusión de dos membranas
5. PERMEABILIDAD DE LAS MEMBRANAS CELULARES
Como ya se ha mencionado la membrana plasmática es una barrera con permeabilidad
selectiva que regula el intercambio de sustancias entre el citoplasma y el medio
extracelular. Sus propiedades aseguran que las sustancias esenciales, como la glucosa, los
aminoácidos y los lípidos entren a la célula fácilmente, que los intermediarios metabólicos
permanezcan en la célula y que los productos de desecho, como la urea, abandonen la misma.
Todo esto permite a la célula mantener el medio interno relativamente constante. La
membrana, debido a sus características hidrofóbicas, es impermeable a la mayor parte de
las moléculas hidrosolubles, como la glucosa, los aminoácidos y los iones en general. En
cambio, las moléculas hidrofóbicas, siempre y cuando su tamaño no sea demasiado grande,
pueden atravesarla fácilmente.
Podemos observar en la figura 4.15, que únicamente atravesarán la membrana las moléculas
no polares y pequeñas como el O2, CO2, N2 e incluso el CO (tóxico), compuestos liposolubles
como los ácidos grasos y esteroides y, además, a pesar de ser moléculas polares, el glicerol,
la urea y el agua. El resto de las moléculas se transfiere de un lado a otro de la membrana
gracias a proteínas integrales que actúan como transportadores; sin estos transportadores
dichas moléculas no pueden difundir a través de las membranas.
Fig. 4.15 - Permeabilidad de la membrana a los diferentes solutos
6. MECANISMOS DE TRANSPORTE TRANSMEMBRANA
Fig. 4.16 - Distintos mecanismos y estructuras utilizados por los solutos para atravesar las
mem-branas de una célula.
Antes de continuar con los mecanismos de transporte es preciso hacer una breve aclaración
acerca del fenómeno de difusión. Si colocamos un soluto en un solvente, las moléculas de
soluto, debido a la energía cinética de las moléculas presentes en la solución, difundirán
desde la zona donde se encuentran en mayor concentración hacia la zona donde se hallan en
menor concentración. Al cabo de un tiempo toda la solución presentará la misma
concentración de soluto. Por ejemplo, si agregamos una gota de tinta a un vaso con agua, la
tinta difundirá a través del líquido y al cabo de un tiempo todo el vaso presentara una
tinción pareja.
Fig. 4.17 - Difusión de una sustancia disuelta en un
solvente.
Para lograr esto no se requiere aporte externo de energía, sino que es suficiente con la
energía cinética propia de las moléculas. Si tenemos en cuenta que la temperatura de un
medio es, de alguna manera, un índice de la energía cinética de las moléculas presentes en
el mismo, es fácil deducir que a mayor temperatura, más importante será el fenómeno de
difusión.
Podemos definir entonces a la difusión como el movimiento de moléculas desde una zona de
mayor concentración hacia una de menor concentración. A la diferencia de concentración
que existe entre una zona y otra se la denomina gradiente.
a) DIFUSION SIMPLE
Cuando la difusión se realiza entre compartimientos separados por una membrana
permeable a ese soluto, se denomina difusión simple y, como ya se dijo, no requiere de otra
energía adicional que no sea el movimiento de las moléculas, desplazándose éstas a favor de
su gradiente de concentración. En otras palabras, la difusión simple no requiere gasto de
ATP, ya que es un fenómeno espontáneo. Las moléculas que se movilizan por difusión simple
a través de la membrana son las no polares y pequeñas, las liposolubles y las polares
pequeñas, pero sin carga eléctrica neta, como el H2O.
En el caso particular del H2O, la difusión simple se denomina ósmosis. El pasaje de agua a
través de la membrana u ósmosis se lleva a cabo siempre en forma espontánea y muy
rápidamente. El H2O difundirá desde el compartimiento de menor concentración de solutos
o medio hipotónico, al de mayor concentración de solutos o medio hipertónico, de modo tal
de igualar las concentraciones en ambos compartimientos. Al cabo de un tiempo, el
resultado serán dos medios isotónicos, o sea, la concentración a ambos lados de la
membrana será la misma.
Fig. 4.18 -Efecto del proceso osmótico sobre una célula viva.
Si colocamos una célula, por ejemplo un glóbulo rojo, en una solución hipertónica (agua
salada, por ejemplo) el H2O tenderá a salir por ósmosis hacia el medio extracelular,
encogiendo o crenando al glóbulo rojo. En cambio, si el medio extracelular es hipotónico
(agua destilada, por ejemplo) el H2O penetrará en la célula, hinchándola y, finalmente,
ocasionando su ruptura o lisis. Cabe hacer aquí una breve aclaración: un medio no es por sí mismo ni hipertónico ni hipotónico; siempre que se use esta terminología lo que se esta
haciendo es comparar un medio con respecto a otro. Por ejemplo, A puede ser hipertónico
con respecto a B y, al mismo tiempo, A también puede ser hipotónico con respecto a C. Es
decir, A tiene una concentración de solutos intermedia. Por otra parte, se dice que dos
medios son isotónicos cuando su concentración de solutos es la misma.
Más adelante veremos (en Acuaporinas) que además de la ósmosis existen otros tipos de
transporte de H2O a través de las membranas biológicas.
Fig. 4.19 - Osmosis. Efecto de los cambios de concentración de soluto en (a) células
animales y (b) células vegetales
b) DIFUSIÓN FACILITADA
Aquellas moléculas que no pueden atravesar fácilmente las membranas por difusión simple
debido a su polaridad y/o a su tamaño (por ej. glucosa, aminoácidos, iones, etc.), podrán
hacerlo si están presentes sus respectivos transportadores. Dichos transportadores son
proteínas integrales de membrana y se los puede agrupar del siguiente modo:
· Proteínas canal o canales iónicos
· Proteínas “carrier” o permeasas
La difusión facilitada ocurre siempre a favor del gradiente, por lo tanto no requiere
gasto de energía adicional. Sin embargo, puede tratarse de un gradiente de
concentración (las moléculas se dirigen del compartimiento de mayor concentración hacia el
de menor concentración) o de un gradiente de potencial eléctrico (el soluto con carga
eléctrica, independientemente de su signo, se desplazará de una zona donde la carga sea
mayor hacia otra donde la carga sea menor).
Estas proteínas transportadoras presentes en las membranas presentan características
muy similares a las enzimas:
· Saturabilidad (se saturan al alcanzar la máxima velocidad de transporte)
· Especificidad (reconocen a sus ligandos a través de un sitio específico)
· Pueden ser inhibidas por determinadas sustancias.
Cuando las proteínas transportadoras se saturan de solutos a transportar, alcanzan su
máxima velocidad de transporte y por lo tanto las moléculas a ser transportadas deberán
esperar a que se desocupen los sitios de unión.
b1) Canales iónicos:
Los canales iónicos son “poros” o “túneles” formados por una o varias proteínas
transmembrana. En general, son de tipo multipaso, con un interior hidrofilico. Existen
canales iónicos en todas las células, tanto en la membrana plasmática como en las
membranas de los organoides. Son altamente selectivos, porque cada canal sólo puede
transportar un tipo de ion (K+, Na+, etc.). Los iones se mueven a través del canal a una
velocidad muy elevada (108 iones por segundo).
El transporte de un ion es impulsado por el gradiente electroquímico. O sea que un ion
puede difundir de un lado a otro de la membrana, gracias a la diferencia de concentración
como a la diferencia de carga eléctrica a ambos lados de la membrana.
La mayoría de los canales no permanecen abiertos permanentemente, sino que se abren en
respuesta a estímulos. Estos estímulos pueden ser tanto la presencia de una sustancia
inductora como una modificación de la carga eléctrica de la membrana (modificación del
potencial eléctrico). Los canales que se abren o cierran en presencia de sustancias
inductoras (ligandos) son llamados dependientes de ligando y los otros, dependientes de
voltaje.
Fig. 4.20 - Diferentes tipos de canales.
b2) Carriers o permeasas:
Al igual que los canales iónicos, las permeasas están formadas por proteínas
transmembrana multipaso. Suelen transportar una gran variedad de iones como el HCO3- y
otras moléculas polares sin carga como la glucosa.
Este tipo de proteínas fijan una única molécula de sustrato (o unas pocas) a la vez, y a
continuación sufren un cambio conformacional reversible que les permite transportar el
soluto de un lado al otro de la membrana (translocación). Aquí vale hacer otra aclaración:
para entender la difusión facilitada no hay que pensar si una sustancia “entra o sale” de la
célula, lo importante es considerar que se está movilizando algo a favor del gradiente (químico o eléctrico) gracias a la acción de proteínas transportadoras. Por esta razón es
que no se requiere de energía adicional, no se requiere gasto de ATP, ya que es el propio
gradiente el que impulsa el pasaje a través de los transportadores.
Este tipo de transporte es siempre sin gasto de energía y a favor del gradiente
electroquímico. La velocidad de transporte es muy inferior al de los canales iónicos.
Fig. 4.21 -Transporte facilitado por medio de una permeasa.
Existen tres tipos de permeasas:
-MONOTRANSPORTADORA O UNIPORTE: Transfieren UN solo tipo de soluto de un lado
al otro de la membrana. (ej.: transporte de glucosa en la mayoría de las células animales,
desde el medio extracelular, la sangre, donde la concentración es mayor, hacia el interior
de las mismas donde es menor)
-COTRANSPORTADORA O SIMPORTE: Transfieren DOS tipos de solutos, ambos en el
mismo sentido.
-CONTRATRANSPORTADORA O ANTIPORTE: Transfiere DOS tipos distintos de solutos
en sentidos contrarios. Es decir, uno ingresa al citoplasma si, y solo si, simultáneamente el
otro sale.
Fig. 4.22 - Tres tipos de transporte mediados por proteínas transportadoras
Los uniportes transportan las moléculas a favor de su gradiente de concentración. Como
ejemplo podemos citar la glucosa y distintos aminoácidos. En cambio, los otros dos tipos de
transporte acoplan el movimiento de un tipo de ion o molécula a favor de su gradiente de
concentración con el de otro tipo de molécula o ion en contra de su gradiente de
concentración. O sea lo que hacen es acoplar un transporte energéticamente favorable con
otro que no lo es. Un ejemplo de COTRANSPORTE sería el transporte de Na+ y glucosa en
la membrana plasmática de las células intestinales (ver más adelante) y uno de
CONTRATRANSPORTE, el transporte de Cl- y HCO3- en la membrana de los glóbulos rojos.
Tanto el cotransporte como el contratransporte, son también llamados transportes
acoplados, ya que no se pueden llevar a cabo si no están presentes ambos tipos de solutos.
Casos particulares de transporte pasivo: Ionóforos y Aquaporinas
IONOFOROS
Fig. 4.23 - Mecanismo de pasaje de iones a través de ionóforos transportadores
móviles
Estas sustancias tienen la propiedad de poder incorporarse a las membranas y aumentar la
permeabilidad a ciertos iones. En general son fabricados por bacterias como mecanismos
defensivos. Existen dos tipos distintos:
-Transportadores móviles: Se unen reversiblemente a un ion que se encuentra en el medio
con mayor concentración, giran en la bicapa y lo liberan en el otro lado de la membrana.
Ejemplo: Valinomicina (Fig.4.23).
- Formadores de canales: Son proteínas con estructura helicoidal, en cuyo interior de la
hélice hay una región hidrofílica que permite el paso de iones monovalentes (con una sola
carga eléctrica). Ejemplo: Gramidicina (Fig. 4.24).
Fig. 4.24 - Esquema de la estructura del canal de gramicidina
ACUAPORINAS
Son canales especiales con estructura helicoidal que permiten el paso selectivo de H20. No
son canales iónicos. En ciertas clases de células, por ejemplo en algunas células renales, se
requiere un mayor transporte de H20 que el logrado exclusivamente con la difusión simple
(osmosis). La estructura de las acuaporinas es semejante a la de los ionoforos formadores
de canales.
c) TRANSPORTE ACTIVO
Las células no pueden depender únicamente del transporte pasivo dado que deben importar,
por un lado, moléculas que están en menor concentración en medio extracelular que en el
citoplasma y, por otro, necesitan mantener constante la composición iónica intracelular.
Ambas funciones se llevan a cabo por medio del transporte activo.
Es un transporte que se realiza en contra del gradiente, ya sea este de concentración o
eléctrico y, en consecuencia, se requerirá gasto de energía en forma de ATP.
El transporte activo se realiza por medio bombas y también presenta formas de
monotransporte, cotransporte y contratransporte.
Posee las mismas características de especificidad y saturabilidad que la difusión
facilitada, aunque difiere de ésta por realizarse contra el gradiente electroquímico. El
transporte activo esta desfavorecido termodinámicamente (es endergónico) y se da
solamente cuando está acoplado (directa o indirectamente) a un proceso exergónico como,
por ej., la conversión de ATP a ADP + Pi. Debido a esto, las bombas se suelen denominar
ATPasas de transporte.
Existen muchos tipos de ATPasas distintas. Aquí vamos a hablar de las más importantes,
que son la Bomba de Na+-K+ (bomba sodio –potasio)y la de K+/H+.
Fig. 4.25 - Esquema de la ATPasa.
Las sustancias que se movilizan por transporte activo son en muchos casos las mismas que lo hacen a través de difusión facilitada, la diferencia fundamental es que en el primer caso lo hacen en contra del gradiente mientras que en el segundo lo hacen a favor.
Bomba Na+/K+
Está presente en todas las membranas plasmáticas de las células animales. También se la
conoce como Na+-K+ ATPasa. Es un complejo proteico formado por cuatro subunidades,
todas ellas proteínas integrales de la membrana plasmática.
Su función es expulsar Na+ al espacio extracelular e introducir K+ al citosol. Ambos son
movilizados en contra de su gradiente electroquímico, estableciendo así diferencias de
concentración y carga entre el espacio extra e intracelular para ambos iones. Debido a que
se esta transportando simultáneamente dos solutos distintos en sentidos opuestos,
estamos en presencia de un sistema de contratransporte. Es importante recordar que, si
bien el Na+ sale y el K+ ingresa a la célula, ambos lo hacen en contra de su gradiente y, en
consecuencia, hace falta hidrolizar ATP para movilizarlos.
La Bomba Na+-K+ tiene simultáneamente funciones de proteína transportadora y de ATPasa
(hidroliza ATP para obtener energía). Por lo menos un tercio de la energía que consume una
célula animal se destina para impulsar esta bomba. En las células nerviosas, donde la
actividad eléctrica es sumamente importante, este valor asciende al 60%. Cada ATPasa
puede hidrolizar hasta 100 moléculas de ATP
Mecanismo de acción de la Bomba Na+/K
1) Tres iones de Na+ se unen al dominio citoplasmático de la ATPasa, debido a la gran
afinidad que existe entre ambos.
2) Luego se hidroliza el ATP y se fosforila la proteína. Esto lleva a un cambio
conformacional en la misma.
3) Esto permite la translocación de los iones Na+ hacia el espacio extracelular.
4) A continuación, dos iones K+ del medio extracelular, donde su concentración es menor, se
unen a un sitio receptor de K+ accesible ahora desde el exterior de la célula. La unión del
K+ con la proteína induce la liberación del fosfato.
5) La desfosforilación de la bomba, restituye la conformación original.
6) Esto permite la translocación de los iones K+ hacia el citoplasma. Se puede comenzar
nuevamente el proceso. Por cada molécula de ATP que se hidroliza se posibilita el
transporte de 3 iones Na+ hacia espacio extracelular y de 2 iones K+ al citoplasma.
Las transferencias de iones se hallan acopladas, y por lo tanto no pueden realizarse una
independientemente de la otra.
Fig. 4.26 Mecanismo de acción de la ATPasa Na+/K+
Las funciones de la bomba de Na+/K+ son:
a) Mantener diferencias en las concentraciones de Na+ y K+ intra y extracelulares.
b) Generar un potencial eléctrico de membrana, que es una diferencia de voltaje, o sea de
carga, entre ambos lados de la membrana. Al bombear tres iones en una dirección y sólo
dos en otra, se genera un potencial eléctrico negativo del lado interno de la membrana con
respecto al externo. El lado citosólico es normalmente más negativo que el espacio
extracelular.
c) Intervenir en la regulación del volumen celular.
d) Generar diferencias de concentración de Na+ o K+ para que otros transportadores
pasivos utilicen indirectamente la energía potencial acumulada en este gradiente. Como
ejemplo podemos citar al:
-COTRANSPORTE Na+/GLUCOSA (ya citado en difusión facilitada). Esta situación se da
en las membranas apicales de las células del intestino delgado o en membranas de células
renales, donde deberá absorberse glucosa desde la luz del intestino o de los túbulos
renales, aunque las concentraciones extracelulares sean bajas. Gracias a la acción de la
bomba Na+-K+ se expulsan iones Na+ a través de la membrana basal de la célula. De este
modo, la concentración de Na+ intracelular se mantenida baja. En la región apical de la
membrana se encuentra una permeasa pasiva cotransportadora de Na+ y glucosa. El Na+
ingresa de este modo a favor de su gradiente electroquímico al interior de la célula y
arrastra a la glucosa con él, que ingresa de este modo en contra de su gradiente de concentración, gracias al sistema de cotransporte. Este tipo de transporte también se
denomina transporte acoplado a gradientes iónicos o TRANSPORTE ACTIVO
SECUNDARIO (ya que indirectamente está ligado a una bomba).
Posteriormente, la glucosa atravesará la célula y saldrá por difusión facilitada, a favor de
su gradiente de concentración, hacia el torrente sanguíneo.
Fig. 4.27 Mecanismo de co-transporte Na+/glucosa en epitelio intestinal
Hay otro tipo de ATPasa, presente en las membranas internas mitocondriales y de
cloroplastos, que juega un papel muy importante en la obtención de la energía. Actúa como
una ATPsintetasa (sintetiza ATP), gracias al gradiente de H+ que se genera a ambos lados
de las membranas internas de cloroplastos y mitocondrias. Dicho proceso se verá con
detenimiento en los capítulos de Respiración y fotosíntesis.
Existen otro tipo de bombas, como las de las membranas del Retículo endoplasmático liso
de las células musculares, que se encargan de bombear iones Ca++ hacia el interior del REL y
mantener baja la concentración citosólica Ca++ , o las de los lisosomas, que bombean H+ hacia
el interior de los mismos, disminuyendo así el pH intralisosomal.
d) TRANSPORTE EN MASA (Fig. 4.28)
Hasta aquí analizamos el modo en el que los iones y las pequeñas moléculas atraviesan la
membrana celular. Pero como ingresan o abandonan la célula partículas de mayor tamaño.
Esto se realiza por medio del TRANSPORTE EN MASA. Este tipo de transporte involucra
siempre gasto de ATP, ya que la célula realiza un movimiento general de su estructura (en
particular de la membrana plasmática y del citoesqueleto -ver funciones del citoesqueleto-
).
El mecanismo por medio del cual los materiales entran a la célula se denomina endocitosis y
aquel por el cual la abandonan, exocitosis.
d1) ENDOCITOCIS
En este proceso una extensión de la membrana rodea progresivamente al material que será
internalizado, luego se produce una gemación o invaginación de la membrana, y finalmente
ésta se separa de la membrana, formando una vesícula endocítica. Posteriormente, el
material incorporado es digerido por los lisosomas.
Las fibras de actina y miosina del citoesqueleto intervienen en este proceso.
Se distinguen 3 tipos de endocitosis:
-Fagocitosis
-Pinocitosis
-Endocitosis mediada por receptor
A) Fagocitosis: Implica la ingestión de partículas de gran tamaño, como microorganismos,
restos celulares, inclusive de otras células, por medio de vesículas llamadas fagosomas.
Estos fagosomas suelen presentar un gran tamaño.
La fagocitosis sólo se da en determinados tipos de células. En algunos organismos
unicelulares (protistas) constituye un modo de alimentación: engloban grandes partículas,
por ej. bacterias, por medio de prolongaciones de la membrana plasmática llamados
pseudópodos y las internalizan, formándose así un fagosoma o vesícula fagocítica.
Posteriormente será degradada por las enzimas lisosomales. Para ampliar consultar en la
bibliografía: Lisosomas.
En los animales sólo se da en algunas células altamente especializadas, llamadas células
fagocíticas (macrófagos de los tejidos y glóbulos blancos sanguíneos denominados
neutrófilos). En estos casos la función no es de índole nutricional, sino defensiva. Las
células fagocíticas defienden nuestro organismo contra infecciones, ingiriendo
microorganismos patógenos. Otra función sería eliminar células muertas o dañadas, o restos
celulares (por ejemplo glóbulos rojos no funcionales). El proceso fagocítico se desencadena
por la unión del material a endocitar con ciertos receptores de la membrana plasmática que
reconocen al mismo.
B) Pinocitosis: Es la incorporación de fluído y de partículas disueltas en él por medio de
pequeñas vesículas. Es un proceso inespecífico y la velocidad de ingestión es muy elevada.
Por ejemplo, un macrófago puede ingerir por hora un cuarto de su volumen celular. El
tamaño de estas vesículas endocíticas en mucho menor que el de los fagosomas.
C) Endocitosis mediada por receptor: En muchos aspectos es similar a la anterior, salvo
que en este proceso, la endocitosis es mucho más selectiva. Determinadas moléculas
(ligandos) que la célula desea incorporar son reconocidos por receptores específicos,
ubicados en la membrana plasmática. Los ligandos se unen a estos receptores y estos
complejos ligando-receptor confluyen, gracias a la fluidez de la membrana, a determinadas
zonas de la misma, donde serán endocitados. La invaginación de la membrana se denomina en
este caso fosita revestida. Esto se debe a que las vesículas presentan en su cara citosolica
un revestimiento de proteínas características, en este caso de clatrina. La función de la
misma, sería entre otras, permitir que se produzca la invaginación.
A continuación se forma la vesícula recubierta o revestida que se fusionará con un
conjunto de vesículas llamadas endosomas, donde se clasifican las moléculas endocitadas y
se las separa de los receptores.
Este proceso puede incrementar mil veces la eficiencia de internalización de un
determinado ligando, sin tener que incrementar la absorción de fluido extracelular.
Un ejemplo importante de este proceso es la captación de colesterol por las células
animales. El colesterol, debido a su carácter hidrofóbico, es transportado por la sangre
unido a proteínas, formando complejos llamados lipoproteínas de baja densidad (LDL).
Estas LDL se unen a receptores ubicados en la superficie celular y los complejos LDL-
receptor son internalizados en vesículas revestidas y luego transferidas a los endosomas,
previa liberación de la cubierta de clatrina. En el interior de los endosomas, el LDL se
disocia del receptor y este es reciclado nuevamente a la membrana plasmática para captar
nuevamente LDL.
Fig.4.28- Tipos de transporte en masa
d2) EXOCITOSIS
Es el proceso inverso a la endocitosis. En este caso, material contenido en vesículas
intracelulares también llamadas vesículas de secreción es vertido al medio extracelular.
La secreción de sustancias comienza generalmente con estímulos provenientes del medio
extracelular, que inducen a las vesículas de secreción, ubicadas en las cercanías de la
membrana, a fusionarse con la misma y volcar su contenido al medio extracelular. Así por
ejemplo se liberan las proteínas de exportación (ver funciones del Aparato de Golgi) y los
neurotransmisores (para ampliar esto ultimo consultar Sinapsis nerviosa en la bibliografía)
En este caso, la membrana de la vesícula pasa a “formar parte” de la membrana plasmática.
Es decir, hay ganancia de membrana, mientras que en la endocitosis hay pérdida de
membrana.
AUTOEVALUACIÓN
1. Esquematice el modelo de mosaico fluido de la membrana plasmática. Indique sus
componentes.
2. Enumere las funciones más importantes de la membrana plasmática.
3. Conteste las siguientes preguntas con respecto a la estructura de la membrana
plasmática:
a) ¿Cuál es la característica común a todos los lípidos de membrana?
b) ¿Por que se dice que la membrana plasmática es asimétrica?
c) ¿De qué depende el grado de fluidez de la membrana?
d) ¿Dónde espera encontrar más proteínas en la membrana interna de una mitocondria o en
el retículo liso? ¿Por qué?
4. Resuelva el siguiente problema: En sus estudios sobre las células, Ud. descubre una nueva
proteína, a la que llama esgfun. Esta proteína tiene un dominio A extracelular y un dominio
C intracelular. Ud. descubre que esgfun es móvil, recorre lo largo de toda la membrana en
15 minutos. No importa cuantas veces la observe, el dominio A siempre está del lado
extracelular y el C del lado intracelular.
a) Explique por qué se mantienen los dominios de esta manera.
b) Si Ud. fuera capaz de extraer todo el colesterol de esta membrana, qué cambios
observaría en los movimientos de esgfingolípidos?.
5. Clasifique a los distintos tipos de transporte considerando los siguientes criterios :
a) Gasto de energía: pasivos (sin gasto) o activos (con gasto).
b) Uso de proteínas transportadoras: mediado (uso) o no mediado (no uso).
c) Número y dirección de partículas transportadas: uniporte, simporte y contratransporte.
6. Realice un cuadro comparativo donde indique las semejanzas y diferencias entre el
transporte activo y la difusión facilitada.
7. Explique los distintos tipos de ionóforos.
8. Resuelva el siguiente problema: A Ud. se le provee de un cultivo de células en su medio
de cultivo. Se encuentran en dicho medio muchas células por ml. Se le agrega una sustancia
“X” y se puede medir la concentración interna de esta sustancia a través del tiempo de esta
manera ud puede conocer como es tomada por las células. Describa (use gráficos recuerde
los de enzimas) como podría determinar si “X” entró a la célula por difusión simple,
transporte facilitado o transporte activo. Puede asumir que tiene al alcance de su mano
todas las técnicas que necesita.
9. Conteste las siguientes preguntas sobre tipos de transporte
a) ¿Qué tipo de mecanismo utiliza la glucosa para ingresar a las células epiteliales del
intestino desde la luz de este al interior de las mismas. ¿De dónde se obtiene la energía?
b) Los iones de Ca++ son eficientemente incorporados en muchas células vivientes, incluso
cuando esto se realiza en contra de gradiente. Proponga un mecanismo para explicar esto.
c) Las neuronas y otras células excitables tienen membranas que son polarizadas. Existe
una diferencia de voltaje que es negativo en el interior de la célula y positivo en el exterior.
Explique cómo esta polarización es mantenida en una neurona en reposo. ¿Cuáles son los
iones más importantes que participan? ¿existen iones más importantes que otros? ¿Cómo se
crea y se mantiene esta diferencia de potencial?
d) Basado en sus conocimientos sobre los distintos tipos de transporte através de la
membrana, proponga un mecanismo para explicar como estransportada la galactosa al
interior de las células epiteliales del intestino.Incluya un diagrama de su mecanismo elegido
(existe más de unaposibilidad, Ud. necesita solamente explicar uno)
e) ¿Cuáles son los distintos mecanismos por los que puede ingresar el agua y los iones en la
célula?
f) Describa los mecanismos de transporte en masa y cite ejemplos.
Responda las siguientes preguntas de opción múltiple:
1. En que se diferencian las membranas de una célula eucariótica:
a- los fosfolípidos se encuentran solo en algunos tipos de membrana.
b- solo algunas membranas tienen permeabilidad selectiva.
c- solo algunas membranas tienen lípidos anfipáticos.
d- algunas proteínas son propias de cada membrana.
e- todas son correctas.
2. ¿Cuál de los siguientes procesos incluye todos los demás de la lista?
a- ósmosis.
b- difusión de un soluto a través de la membrana.
c- difusión facilitada.
d- transporte pasivo.
e- transporte de un ion a favor de gradiente.
3. Si una ameba es isotónica respecto a una solución que es hipertónica para un
cangrejo, ¿en cuál de estos organismos ocurrirá un ingreso netos de agua al sumergir
ambos en la solución?
a- en la ameba.
b- en el cangrejo.
c- en ninguno de los dos.
4. ¿Cuál de los siguientes factores podrían influir en la fluidez de la membrana?
a- una proporción grande de fosfolípidos insaturados.
b- una baja temperatura.
c- una proporción grande de fosfolípidos saturados.
d- un potencial alto de membrana.
e- ninguna es correcta.
5. Las células incorporan lipoproteínas utilizando:
a- fagocitosis
b- endocitosis mediada por receptor.
c- exocitosis.
d- transporte activo.
e- endocitosis a granel.
EL NÚCLEO CELULAR
Silvia Márquez- Andrea Lassalle- Viviana Sabbatino- Gladys Gálvez
INTRODUCCIÓN
El núcleo es la estructura más destacada de la célula eucarionte, tanto por su morfología
como por sus funciones. Su tamaño es variable (5 a 10 mm) al igual que su ubicación siendo
en la mayoría de los tipos celulares central.
El núcleo tiene tres funciones primarias, todas ellas relacionadas con su contenido de ADN.
Ellas son:
1. Almacenar la información genética en el ADN.
2. Recuperar la información almacenada en el ADN en la forma de ARN.
3. Ejecutar, dirigir y regular las actividades citoplasmáticas, a través del producto de la
expresión de los genes: las proteínas.
En el núcleo se localizan los procesos a través de lo cuales se llevan a cabo dichas
funciones. Estos procesos son:
1. La duplicación del ADN y su ensamblado con proteínas (histonas) para formar la
cromatina.
2. La transcripción de los genes a ARN y el procesamiento de éstos a sus formas maduras,
muchas de las cuales son transportadas al citoplasma para su traducción y
3. La regulación de la expresión genética.
ESTRUCTURA DEL NÚCLEO (Fig. 10.1)
El núcleo está rodeado por la envoltura nuclear, una doble membrana interrumpida por
numerosos poros nucleares. Los poros actúan como una compuerta selectiva a través de la
cual ciertas proteínas ingresan desde el citoplasma, como también permiten la salida de los
distintos ARN y sus proteínas asociadas.
La envoltura nuclear es sostenida desde el exterior por una red de filamentos intermedios
dependientes del citoesqueleto, mientras que la lámina nuclear, la cual se localiza
adyacente a la superficie interna de la envoltura nuclear, provee soporte interno.
El núcleo también tiene un nucleoplasma, en el cual están disueltos sus solutos y un
esqueleto filamentoso, la matriz nuclear la cual provee soporte a los cromosomas y a los
grandes complejos proteicos que intervienen en la replicación y transcripción del ADN.
Los cromosomas aparecen ocupando lugares específicos. Los genes que codifican productos
relacionados, aunque estén localizados en diferentes cromosomas, pueden estar ubicados
próximos en el núcleo interfásico. Por ejemplo, los cromosomas humanos 13, 14, 15, 21 y 22
poseen un gran número de genes que codifican para ARNr. Dichos cromosomas están
agrupados de tal forma que los genes de los ARNr están todos juntos y confinados en el
nucléolo, el lugar donde se sintetizan, procesan y ensamblan los ARNr. Esta separación
física asegura que los ARNr puedan ser eficientemente ensamblados dentro de las
subunidades ribosomales.
En el núcleo, los genes transcripcionalmente activos tienden a estar separados de los
inactivos. Los activos se encuentran ubicados centralmente, mientras que los silentes están
confinados próximos a la envoltura nuclear.
Tan pronto como las células entran en mitosis o meiosis, los fragmentos de la matriz
nuclear dirigen la condensación de los cromosomas, constituyéndose en la parte central de
los mismos.
Fig. 10.1 - Esquema de un núcleo interfásico
LA ENVOLTURA NUCLEAR
La envoltura está formada por dos membranas concéntricas interrumpidas por poros
nucleares y por la lámina nuclear.
Fig. 10.2- Microfotografía electrónica de la envoltura nuclear
Las membranas delimitan un espacio de 10 a 50 nm, el espacio o cisterna perinuclear. La
membrana externa en contacto con el citoplasma tiene ribosomas adheridos, que
sintetizan las proteínas que se vuelcan al espacio perinuclear. El espacio perinuclear se
continua con el REG.
La membrana interna posee proteínas integrales que le son propias, que se unen a la lámina
nuclear y a los cromosomas.
La lámina nuclear, capa fibrosa de 10 a 15 nm en la que apoya la membrana interna, está
formada por proteínas del tipo de los filamentos intermedios, polímeros de lamina o
laminina nuclear. Ellas se unen a las proteínas integrales de membrana.
La fosforilación de las laminas provoca el desensamble de la lámina nuclear causando la
ruptura de la envoltura al inicio de la división celular.
La lámina nuclear confiere estabilidad mecánica a la envoltura nuclear. Además, al
interactuar con la cromatina participa en la determinación de la organización tridimensional
del núcleo interfásico.
Si bien la formación de la lámina no se requiere durante los pasos iniciales, la organización
de la envoltura es indispensable para el crecimiento posterior y el mantenimiento de su
integridad. Las laminas se incorporan luego que la cisterna perinuclear rodea al ADN y se
inicia el transporte entre el núcleo y el citoplasma. (Fig. 10.3)
La envoltura nuclear es un derivado del sistema de endomembranas, siendo esto evidente al
inicio de la división celular, cuando la envoltura se desorganiza y pasa a formar parte del
sistema de cisternas y vesículas del retículo endoplásmico.
La aparición de la envoltura nuclear permitió que los eucariontes aislaran los procesos
genéticos principales, como la autoduplicación del ADN o la síntesis de ARN. Además esto
posibilitó que el ARNm se modifique dentro del núcleo antes de ser traducido en los
ribosomas. Estas modificaciones no ocurren en los procariontes, ya que a medida que la
ARN polimerasa sintetiza el ARN, simultáneamente el extremo 5’ se une al ribosoma y
comienza la traducción.
Fig. 10.3 - Mecanismo de formación y desintegración de la membrana nuclear
COMPLEJOS DE PORO NUCLEAR
La envoltura nuclear presenta estructuras discoidales llamadas complejos de poro nuclear
(CPN) (Fig. 10.4).
El número de CPN es variable, incrementándose a medida que aumenta la actividad celular.
En una célula de mamífero hay entre 3000 a 4000 complejos de poro. Cada CPN es una
estructura macromolecular compleja constituida por un gran número de proteínas de
disposición octamérica. Está formado por:
Ocho columnas proteicas, que forman las paredes laterales del poro.
Un anillo externo, formado por ocho unidades proteicas.
Un anillo interno, también con estructura octamérica.
Proteínas de anclaje que fijan cada columna al espacio perinuclear.
Proteínas radiales que se proyectan desde las columnas hacia la luz del poro, a manera de
diafragma
Proteínas fibrilares fijas al anillo interno y externo. En la cara nuclear convergen para
formar una canastilla o cesta. A lo largo de estas fibrillas se ubican nucleoporinas que
intervienen en el transporte de sustancias a través del poro.
Un poro central o abertura.
Fig. 10.4 - Esquema del complejo de poro nuclear
La luz de los CPN suele presentarse obturada por las proteínas que circulan a través del
poro, como por las carioportinas (Kap) que actúan como eficientes transportadores en el
tráfico núcleo/citoplasma.
Los CPN presentan uno o varios canales acuosos a través de los cuales las pequeñas
moléculas solubles en agua difunden (transporte no regulado). Las moléculas de mayor peso
molecular son transportadas en forma activa, por lo que requieren energía y moléculas
transportadoras.
Se importan dentro del núcleo:
Las proteínas sintetizadas en el citoplasma necesarias para ensamblar los ribosomas.
Los factores de transcripción requeridos en la activación o inactivación de los genes.
Los factores de empalme necesarios en el proceso de maduración de los ribosomas.
Las moléculas y macromoléculas ensambladas y exportadas desde el núcleo al citoplasma
incluyen:
Las subunidades ribosomales
ARNm
ARN de transferencia
Factores de transcripción que son devueltos al citoplasma para ser reutilizados.
Los mecanismos implicados en el transporte a través del poro son diferentes al transporte
de proteínas en las membranas de otros organelos . Por ejemplo, las proteínas nucleares son
transportadas a través del poro manteniendo su conformación plegada, por el contrario las
proteínas que no se localizarán en el núcleo se despliegan durante el transporte.
Los complejos de poro nuclear hacen de la envoltura nuclear una barrera selectiva entre el
núcleo y el citoplasma. Estos complejos constituyen la principal vía de comunicación entre el
compartimiento nuclear y citoplasmático de la célula ante el pesado tráfico molecular. Aun
cuando las proteínas pequeñas y otras moléculas viajan a través de los canales periféricos,
las proteínas de gran tamaño deben poseer una etiqueta para ingresar por el canal central.
Estas proteínas sintetizadas en el citoplasma contienen la señal de localización nuclear
(nuclear signal localization, NSL).
Tampoco los ARN pueden salir de núcleo por sí mismos. Ellos salen a través del
complejo de poro con una proteína especial que posee una señal nuclear de exportación
(nuclear export signal, NES). Ambas NSL y NES consisten en una secuencia corta de
aminoácidos, muchos de los cuales tienden a estar ubicados centralmente dentro de
las proteína.
Observemos en la Fig. 10.4, como las proyecciones filamentosas desde la cara citosólica del
complejo pueden enlazar proteínas, conduciéndolas dentro del poro central. Los filamentos
citosólicos, el poro central y la canasta nuclear se proyectan dentro del compartimiento
nuclear. Se cree que la canasta puede ser un área importante de paso para la preparación
de las ribonucleoproteínas (RNP) antes de ser exportadas.
Las moléculas de mayor tamaño requieren de una proteína “transbordadora” o
carioportina. La superfamilia de carioportinas esta integrada por: importinas . exportinas y
transportinas .
IMPORTACIÓN DE PROTEÍNAS (Fig. 10.5)
Las importinas son heterodímeros, formados por dos subunidades, la subunidad-a se une a
la NSL de la proteína nuclear permitiendo la unión con la subunidadad-b. Esta unión origina
una “importina funcional” que lleva unida a la proteína nuclear a ser transportada.
El complejo importina funcional se pone en contacto con los filamentos citosólicos, donde
guiado por las nucleoporinas (Nup), llega al poro central. La translocación de complejo
importina/carga es regulado por la pequeña RanGTPasa [1] , que se une a la subunidad b de
la importina. Esta b-importina es la encargada de interactuar con el poro provocando su
dilatación y posibilitando el ingreso de la proteína nuclear. La translocación de proteínas es
un proceso activo. Cuando el complejo penetra al interior del núcleo, las subunidades de
importina se separan y la carga es liberada. La disociación de las subunidades causa
entonces un nuevo cambio en su forma, dejando al descubierto la NES de cada subunidad.
Otras proteínas en el poro central reconocen la NES y retornan las subunidades al
citoplasma.
Fig. 10.5 - Modelo de mecanismo de importación a través del CPN
EXPORTACIÓN DE ARN
Los ARN maduros se asocian a proteínas llamadas transportinas, las cuales actúan como
transbordadores permitiendo el pasaje de ARN al citoplasma. En la fig. 10.6 se esquematiza
como el ARNm es llevado fuera del núcleo. Los ARNm maduros que presentan la poli A se
asocian con varias proteínas, formando una partícula de ribonucleoproteína (RNP). Estas
partículas se mueven linealmente a través de la canasta nuclear. Al igual que las importinas,
las RNP son recicladas hacia el núcleo. En el citoplasma, las CRBP ( del inglés, cytoplasmic
RNA-binding proteins) reemplazan a las RNP para guiar a los ARNs a sus destinos
citosólicos correctos.
Fig. 10.6 - Modelo de mecanismo de exportación de ARNm a través del CPN
CROMOSOMAS Y CROMATINA
El núcleo contiene los cromosomas de la célula. Cada cromosoma consiste en una molécula
única de ADN con una cantidad equivalente de proteínas. Colectivamente, el ADN con sus
proteínas asociadas se denomina cromatina. La mayor parte de las proteínas de la
cromatina consisten en copias múltiples de cinco clases de histonas.
Estas proteínas básicas son ricas en residuos de arginina y lisina cargados positivamente.
Por esta razón se unen estrechamente con los grupos fosfatos (cargados negativamente)
del ADN.
La cromatina también contiene pequeñas cantidades de una amplia variedad de
proteínas no histónicas y RNP. La mayoría de ellas son factores de transcripción (por
ej., el receptor esteroide), siendo su asociación con el ADN pasajera. Estos factores
regulan que parte del ADN será transcripta en ARN.
NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LA CROMATINA
La observación a través del microscopio óptico de un núcleo interfásico, nos permite
distinguir dos tipos de cromatina. La eucromatina o cromatina laxa, de localización
central, y la heterocromatina o cromatina densa, en la periferia del núcleo (Fig.10.7).
La heterocromatina representa aproximadamente el 10% del total de cromatina y es
considerada transcripcionalmente inactiva (Fig. 10.8).
La eucromatina se encontraría al menos en dos estados, la eucromatina accesible, que
representa alrededor del 10%, donde se encuentran los genes que se están transcribiendo y
la eucromatina poco accesible, más condensada (pero menos que la heterocromatina), donde
están los genes que la célula no está transcribiendo.
Si el núcleo celular se incuba con nucleasas, enzimas que digieren el ADN, las secuencias
que primero se digieren son las que portan los genes expresados por la célula, lo que
corrobora el menor grado de condensación de la eucromatina.
Fig. 10.7 - Microfotografía electrónica del núcleo de un hepatocito. a. eucromatina; b. RER
Fig. 10.8 - Microfotografía electrónica del núcleo de un linfocito. a. eucromatina; b.
heterocromatina, c. mitocondria
Fig. 10.9 - H1 y formación de la fibra de 10 nm
Cuando el cromosoma en interfase se esparce artificialmente sobre agua, tiene la
apariencia de un collar de perlas. Las perlas son los nucleosomas, las unidades de
enrollamiento de la cromatina. (Fig. 10.10b)
Los nucleosomas están formados por un centro o "core" de histonas. Dicho centro
posee dos copias de cada una de las siguientes histonas: H2A; H2B; H3 y H4
Alrededor del centro de histonas, 146 pares de bases del ADN se enrollan en dos vueltas.
La unión de las histonas al ADN no depende de una secuencia particular de nucleótidos, sino
de la secuencia de aminoácidos de la histona. Las histonas son unas de las moléculas más
conservadas durante el transcurso de la evolución. La histona H4 en el ternero difiere de la
H4 de la planta de poroto en sólo 2 residuos de aminoácidos de una cadena de 102.
Alrededor de 60 pares de bases de ADN unen un nucleosoma con el próximo. Cada región
de unión es el ADN espaciador. La quinta histona, la H1, conecta a los nucleosomas y actúa
como una banda de goma, manteniéndolos juntos dentro de una misma cuerda enrollada.
Esta estructura se conoce como fibra de 10nm, siendo el primer grado del
empaquetamiento de la cromatina. (Fig. 10.9)
Los nucleosomas se organizan, a su vez, en fibras de 30nm (solenoide), girando a
manera de resorte alrededor de un eje virtual. Esta estructura es mantenida por la
interacción de las H1 de nucleosomas cercanos. (Fig. 10.10c)
En el siguiente nivel de empaquetamiento, las fibras de 30 nm se organizan en una
serie de bucles o asas superenrolladas (Fig. 10.10d; Fig. 10.11). Estos bucles se
estabilizan gracias a la interacción con las proteínas de la matriz nuclear o andamiaje
nuclear (“scaffold”).
Fig. 10.10 - Modelo de empaquetamiento de la cromatina
Cada bucle de cromatina representa un dominio funcional o unidad de replicación (Fig.
10.10e). Estos dominios contienen alrededor de 100.000 pares de bases, extensión de ADN
suficiente para acomodar varios genes de tamaño promedio. Algunos genes, sin embargo,
pueden abarcar varios dominios adyacentes de un cromosoma. Cada cromosoma puede tener
cien o más dominios.Durante la profase, los cromosomas aparecen en forma más
condensada, alcanzando la cromatina su mayor nivel de condensación en metafase(Fig.
10.10f). La organización de los cromosomas envuelve la fosforilación de la H1 y otras
proteínas, lo cual causa el plegamiento y empaquetamiento aún más compacto de la
cromatina. El andamiaje o matriz nuclear se convierte en el centro de la estructura del
cromosoma, y como la compactación continúa, éste se pliega modo de acordeón.
Fig. 10.11- Empaquetamiento de la fibra de 30 nm
El grado de condensación de los dominios de cromatina se mantiene principalmente debido a
la asociación con la matriz nuclear y a proteínas asociadas como la topoisomerasa II o
girasa, encargada de controlar el grado de superenrollamiento del ADN (Fig. 10.11). La unión
entre la cromatina y la matriz se da a nivel de zonas altamente conservadas, denominadas
secuencias SAR o MAR (scaffold associated regions/ matrix attachment regions). Las SAR
son regiones de varios cientos de pares de bases ricas en residuos de adenina y timina,
abundantes en la heterocromatina.
Con coloraciones especiales los cromosomas, revelan diferencias estructurales de
importancia funcional. Las bandas oscuras consisten en cromatina altamente
condensada, mientras que las bandas claras se corresponden con cromatina más laxa.
El examen de la cromatina en bandas claras y oscuras revela que ambos tipos de
cromatina están acomodados en bucles de distintos tamaños y que a su vez se
proyectan desde el andamiaje plegado. El andamiaje está muy plegado en la
heterocromatina, y es más lineal en las bandas de eucromatina, formando bucles más
amplios. Las histonas de la eucromatina están fuertemente acetiladas. Estos cambios
afectarían el grado de empaquetamiento de la eucromatina, haciéndola más accesible
para la transcripción de sus genes.
Las características de la hetero y eucromatina son:
Tabla 10.1 - Características de la Cromatina
Tipo de cromatina Estado físico Cambio químico Tipo de genes Replicación
Eucromatina Laxa Acetilada Activos
Fase S
temprana
Heterocromatina condensada Metilada Silentes Fase S tardía
Los cromosoma en metafase también poseen un revestimiento de RNP. Dicho revestimiento
deriva de los componentes del nucléolo. Estos cromosomas se constituyen en el vehículo
para dividir el material nucleolar entre las futuras células hijas. El empaquetamiento de la
cromatina permite confinar al ADN dentro del núcleo La molécula de ADN de un cromosoma
humano contiene 50 x 106 pares de nucleótidos en el cromosoma más pequeño (1.7 cm con la
molécula extendida) a 250 x 106 pares de nucleótidos en el más largo ( 8.5 cm). Midiendo
extremo con extremo el total de cromosomas de una célula humana diploide, el ADN se
extiende más de 2 metros. El empaquetamiento del ADN en forma de cromatina, no
solamente le permite entrar dentro de los límites del núcleo, sino también lo protege del
ataque de las nucleasas.
EL CROMOSOMA EUCARIOTA (Fig. 10.12)
Cada cromosoma eucariota consiste en una molécula simple de ADN de alrededor de 150
millones de pares de nucleótidos.
La molécula de ADN en el cromosoma eucariota es lineal, por lo tanto posee dos
extremos (en contraste con el cromosoma bacteriano que es circular).
La molécula de ADN de un cromosoma típico eucariota contiene:
Un conjunto lineal de genes que codifican para ARN y proteínas interrumpido por
Muchas secuencias de ADN no codificante.
El ADN no codificante incluye:
Secuencias de aproximadamente 170 nucleótidos de ADN satélite, repetidas miles de
veces, que corresponden al centrómero.
Secuencias repetitivas en los extremos del cromosoma llamadas telómeros.
Múltiples secuencias señalizadoras altamente conservadas, denominadas origen de
replicación (ORI) , necesarias para que se realice la duplicación del ADN en un tiempo
breve.
Fig. 10.12- Secuencias de un cromosoma eucariota estable en las diferentes etapas del ciclo
celular
El centrómero es una constricción primaria localizada centralmente o hacia los
extremos de cada cromosoma.
El ADN centromérico como ya mencionamos es altamente repetitivo y se encuentra siempre
condensado siendo parte de la heterocromatina.
Fig. 10.13- Síntesis de telómeros por la telomerasa. a) La telomerasa se une al telomero; b)
La telomerasa alarga los extremos de la cadena 3`; c) La telomerasa avanza; d) La ADN
polimerasa sintetiza la cadena retrasada.
Los telómeros son cruciales en la vida de la célula. Ellos son necesarios para la duplicación
completa del cromosoma, los protegen de las nucleasas, evitan que los extremos del
cromosoma se fusionen entre sí y facilitan la interacción del cromosoma con la envoltura
nuclear.
Los telómeros de las células humanas contienen la secuencia 5'TTAGGG3, que se repite
aproximadamente 2000 veces.
5 '... ..TTAGGG TTAGGG TTAGGG TTAGGG TTAGGG TTAGGG..... 3 '
3 '... ..AATCCC AATCCC AATCCC AATCCC A..... 5 '
La cadena rica en guanosina corre en dirección 5' a 3', extendiéndose 12 a 15 nucleótidos
más allá de la cadena rica en citosina, formando un apéndice en una de las cadena en cada
extremo del cromosoma. Este desnivel se mantiene de generación en generación por medio
de una enzima especial, la telomerasa, que agrega nuevas unidades al extremo 3' de la
cadena rica en guanosina (Fig. 11.13).
La telomerasa es una ribonucleoproteína, la cual provee un molde de AAUCCC que guía la
inserción de la secuencia TTAGGG. Entonces la telomerasa es una retrotranscriptasa,
sintetiza ADN a partir de un molde de ARN.
Las células con telomerasa activa pueden compensar el acortamiento de los telómeros
durante la duplicación del ADN.
La telomerasa activa se encuentra solamente en:
Las células de la línea germinal, incluyendo células troncales embrionarias
Eucariotas unicelulares
Células cancerosas
Los cromosomas se diferencian por la ubicación del centrómero
Durante la mayor parte de la vida de la célula, los cromosomas son demasiado largos y
tenues para ser vistos bajo un microscopio.
Fig. 10.14- Microfotografía electrónica de un cromosoma metafásico
Antes de que una célula se divida, cada cromosoma se duplica (durante la fase S del ciclo
celular).
Al inicio de la división celular, los cromosomas duplicados se condensan en estructuras que
pueden teñirse con facilidad (por ello denominadas cromosomas), pudiéndose observar bajo
el MO.
La condensación es tal que el cromosoma es aproximadamente 10.000 veces más corto que
la molécula de ADN que contiene (Fig. 10.14). A primera vista, los cromosomas duplicados se
mantienen juntos por el centrómero. Mientras están juntos, es común llamar a cada parte
del cromosoma duplicado, cromátida hermana.
Esto no debe confundirnos, cada una de las "cromátidas hermanas" es un cromosoma
completo. El cinetocoro es una estructura proteica discoidal que forma parte del
centrómero y ayuda a separar las cromátidas hermanas. Es el sitio de unión con los
microtúbulos del huso, que contienen los motores de dineína que tiran a los cromosomas en
la anafase. Además proveen una plataforma para ensamblar y movilizar las proteínas que
construyen el huso.
La posición del centrómero, determina el largo de los brazos del cromosoma; en base a esto
se puede clasificar a los cromosomas en: (Fig. 10.15)
Metacéntricos: el centrómero en posición central determina brazos de igual longitud
Submetacéntricos: un par de brazos es más corto que el otro, pues el centrómero se
encuentra alejado del centro.
Acrocéntricos: el centrómero se halla próximo a uno de los extremos, por lo tanto uno de
los brazos es casi inexistente.
Fig. 10.15- Tipos de cromosomas
Los cromosomas acrocéntricos poseen una masa de cromatina llamada satélite, en el
extremo del brazo corto. El satélite se halla aislado del resto del cromosoma por la
constricción secundaria. La zona aledaña al satélite de los cromosomas acrocéntricos
contribuye a formar el nucléolo (Fig. 10.16)
El más corto de los dos brazos del cromosoma se llama p; el más largo es el brazo q.
Fig. 10.16- Partes de un cromosoma mitótico.
Todas las especies tienen un número característico de pares de cromosomas homólogos
llamado número diploide (2n). El número diploide del hombre es 46.
El cariotipo es una representación gráfica o fotográfica de los cromosomas presentes en el
núcleo de una sola célula somática de un individuo. Cada miembro del par de cromosomas
homólogos proviene de cada uno de los padres del individuo cuyas células examinamos.
El cariotipo de la mujer contiene 23 pares de cromosomas homólogos, 22 pares son
autosomas y el par restante, cromosomas sexuales, ambos " X".
El cariotipo del hombre contiene los mismos 22 pares de autosomas y 1 par de cromosomas
sexuales, un cromosoma sexual "X" y un cromosoma sexual "Y" (un gen en el cromosoma Y
designado SRY es el que pone en marcha el desarrollo de un varón, por lo tanto determina
el sexo).
El análisis del cariotipo involucra la comparación de cromosomas por su longitud, la
ubicación de los centrómeros y la ubicación y los tamaños de las bandas G.
Durante la mitosis, los 23 pares de cromosomas humanos se condensan y son visibles con un
microscopio óptico.
Preparación de un Cariotipo: La preparación de un cariotipo normalmente involucra
bloquear las células (glóbulos blancos) durante la mitosis con colchicina y marcar los
cromosomas condensados con tinción Giemsa. La tinción marca las regiones de los
cromosomas que son ricos en pares de nucleótidos entre A -T produciendo una banda
oscura, la banda G. Luego de la tinción, los cromosomas se fotografían, se recortan y se
ordenan de acuerdo a su longitud. Los de igual tamaño se aparean según la ubicación de su
centrómero.
Una error común es suponer que cada banda representa un sólo gen. En realidad las bandas
más pequeñas contienen más de un millón de pares de nucleótidos y potencialmente cientos
de genes. Por ejemplo, el tamaño de una banda pequeña es igual a toda la información
genética de una bacteria.
El análisis del cariotipo es una de muchas técnicas que nos permiten investigar las miles de
enfermedades genéticas que se pueden encontrar en los seres humanos.
Fig. 10.17 - Cariotipo femenino normal: Los autosomas se ordenan en grupos por tamaño y
posición del centrómero.
Fig. 10.18 - Mapa estándar (Idiograma) de patrones de bandeo del cromosoma 2. Los
números corresponden a las regiones y bandas. A la derecha , idiograma del cariotipo
humano masculino.
El nucléolo
En el nucléolo tiene lugar la formación de subunidades ribosómicas, la síntesis y
procesamiento de ARNr y actualmente se considera que desempeña un importante papel en
la regulación del ciclo celular. [2]
El nucléolo es un aglomerado de fibras de cromatina de distintos cromosomas. En el
hombre, los pares 13,14, 15, 21 y 22, aportan sectores de cromatina que forman el nucléolo.
Todos estos cromosomas son acrocéntricos y presentan constricciones secundarias
denominadas organizadores nucleolares (NOR), donde están los genes que codifican ARNr
(Fig. 10.19).
Fig. 10.19 - Esquema de nucléolo indicando los bucles de los 10 cromosomas con los genes
para el ARNr
Fig. 10.20 - Microfotografía electrónica del nucléolo. NE, Envoltura nuclear; NO.
Organizador nucleolar; PG, Zona granular; PF, Zona fibrilar.
El nucléolo aparece como una estructura simple carente de componente membranoso, en la
que diferenciamos dos regiones:
Una zona fibrilar central, formada por ADNribosómico y ARNr naciente
Un zona granular periférica donde los gránulos están formados por las subunidades
ribosómicas en proceso de ensamblado (Fig. 10.20).
Los nucléolos, al igual que la envoltura nuclear desaparecen en la mitosis y se reorganizan
alrededor de los segmentos de ADNr, que como su nombre lo indica, codifica ARNr. Siendo
el ARNr el más abundante dentro de los tipos de ARN, existen múltiples copias del gen que
lo codifica. El genoma humano presenta alrededor de 200 copias del gen para ARNr. Estos
genes que promedian los 10.000 nucleótidos se localizan en tándem. Cada gen está separado
por ADN espaciador y presenta asociado una molécula de ARN polimerasa I. De cada
enzima parten perpendicularmente los ARNr nacientes, tomando la apariencia
característica de un árbol de navidad. Cada gen produce un transcripto llamado ARNr 45S
que será luego procesado (Fig. 10.21)
El tamaño del nucleólo varía entre células y en la misma célula según su actividad,
pues si bien la velocidad de transcripción puede acelerarse, el ensamblado de las
subunidades ribosomales requiere de un tiempo más o menos constante; es por ello que
en los nucléolos grandes observamos mayor proporción de componente granular.
Fig. 10.21 - Microfotografía electrónica de los genes nucleolares (ADNr) durante la transcripción.
Observe como la longitud de los transcriptos primarios aumenta a medida que nos alejamos del punto
de inicio.
AUTOEVALUACIÓN
1) La eucromatina se caracteriza por:
a- ser transcripcionamente inactiva
b- teñirse debilmente
c- presentarse altamente condensada
d- formar parte de genes que no se expresan
2) En el nucléolo se sintetizan:
a- Precursores de ARNr
b- ARNt
c- Pre ARNm
d- ARNm
3) Los organizadores nucleolares aportan información para la síntesis de:
a- ARNm
b- ARNr
c- ARNt
d- Ribosomas
4) La composición química y función de las histonas son respectivamente:
a- proteínas básicas y forman parte en la estructura de la cromatina
b- proteínas básicas cuya única función es regular la expresión de los genes
c- son proteínas ácidas e intervienen en la estructura de la cromatina
d- son proteínas ácidas e intervienen en la síntesis de ADN polimerasa.
5) El andamiaje o matriz nuclear:
a- está formado exclusivamente por láminas
b- se asocia a la cromatina a nivel de las SAR/MAR del ADN
c- está más replegado en la eucromatina
d- se desorganiza durante la división celular
6) Presentan señal de localización nuclear:
a- las hormonas esteroides
b- todas las riboproteínas
c- los factores de transcripción
d- todas las anteriores son correctas
7) Los dominios funcionales de la cromatina:
a- aparecen por empaquetamiento de la fibra de 10 nm
b- dependen exclusivamente de la interacción con la H1
c- representan individualmente un gen
d- funcionan como unidades de replicación del cromosoma.
8) El pasaje de moléculas a través de los CPN:
a- no es regulado y requiere de etiquetas o señales en las moléculas transportadas
b- no es regulado para moléculas pequeñas y solubles que circulan por los canales
periféricos
c- siempre es regulado y no depende del tamaño de la molécula a transportar
d- requiere que todas las moléculas a ser transportadas tengan una NSL
9) ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es FALSA con respecto a la telomerasa?
a- es la enzima encargada de formar los telómeros
b- es una ARN polimerasa
c- se inactiva poco después del nacimiento
d- las células cancerosas conservan la telomerasa siempre activa
10) Un investigador inyecto un cultivo celular con suero anti-laminina, y observó:
a- que la células no pudieron dividirse
b- que las células luego de la mitosis no pudieron organizar su envoltura nuclear
c- que los complejos laminina/antilamina se acumularon dentro del núcleo
d- que la envoltura nuclear formada resulto frágil e inestable
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