Biología Celular y Molecular: Conceptos Fundamentales
Exportación de Subunidades Ribosomales del Núcleo al Citoplasma
¿Qué tipo de señales, proteínas, estructuras y enzimas participan en el proceso de exportación de las subunidades ribosomales desde el núcleo al citoplasma celular? ¿Cómo se lleva a cabo este transporte?
Las subunidades ribosomales deben poseer **señales de exportación** que son reconocidas por un **receptor de exportación** (una carioferina). Este complejo se une a **Ran-GTP** (en su estado activo) y sale del núcleo a través del **poro nuclear** mediante interacción con las nucleoporinas. Mientras el complejo atraviesa el poro, Ran hidroliza el GTP a **GDP**, lo que inactiva a Ran y provoca la disociación del complejo, liberando el receptor de exportación y las subunidades ribosomales en el citosol. Ran-GDP y el receptor de exportación regresan al núcleo a través del poro nuclear para ser reutilizados.
Haploidía y Variabilidad Genética en Gametos
Defina haploidía y explique cómo, durante el proceso meiótico, podemos obtenerla en nuestros gametos. Además, explique cómo podemos llegar a tener variabilidad genética dentro de nuestras células germinales maduras.
La **haploidía** es el estado de una célula cuyo núcleo contiene una única dotación cromosómica, es decir, un solo juego de cromosomas homólogos (ya sea de origen materno o paterno).
Este estado se logra durante la **meiosis I**, específicamente en la **metafase I**, cuando los cromosomas homólogos se alinean en pares en el plano ecuatorial de la célula. De esta manera, cada cromosoma homólogo se une a las fibras del huso meiótico y es arrastrado hacia un polo opuesto, resultando en células hijas con una única copia de cada cromosoma (haploides).
La variabilidad genética en las células germinales maduras se genera principalmente por dos mecanismos durante la meiosis:
Entrecruzamiento (Crossing Over): Ocurre durante la **profase I**, donde los cromosomas homólogos forman tétradas e intercambian segmentos de material genético, creando nuevas combinaciones alélicas en los cromosomas.
Segregación independiente de los cromosomas homólogos: Durante la **metafase I**, la orientación aleatoria de los pares de cromosomas homólogos en el plano ecuatorial asegura que cada célula hija reciba una combinación única de cromosomas maternos y paternos, contribuyendo significativamente a la diversidad genética.
Funciones Diferenciales de ADN Polimerasas I y III
Explique por qué la ADN polimerasa III permite la polimerización del ADN y no la ADN polimerasa I, y por qué la ADN polimerasa I es la que reemplaza los cebadores o primers y no la ADN polimerasa III.
La **ADN polimerasa III** es la principal enzima de polimerización del ADN en la replicación bacteriana, a diferencia de la ADN polimerasa I, debido a su alta **procesividad**. Esto significa que puede adicionar un gran número de desoxinucleótidos a la hebra molde de ADN de forma continua sin disociarse. En contraste, la **ADN polimerasa I** tiene una baja procesividad, lo que la haría ineficiente para la síntesis masiva de ADN.
Por otro lado, la **ADN polimerasa I** es la encargada de reemplazar los cebadores (primers) porque posee una actividad **exonucleasa 5′-3’** que le permite remover los ribonucleótidos de los cebadores y, simultáneamente, sintetizar ADN en su lugar. La ADN polimerasa III carece de esta actividad exonucleasa 5′-3′, por lo que no puede realizar esta función de eliminación y reemplazo de cebadores.
Secuencia de Shine-Dalgarno y el Inicio de la Traducción
Defina la secuencia de Shine-Dalgarno y explique qué función cumple en el proceso de traducción y cómo esto se lleva a cabo. Explique cómo esta función se lleva a cabo en eucariotas.
La **secuencia de Shine-Dalgarno** es una secuencia consenso rica en purinas (AGGA) presente en el ARNm de procariotas, localizada unos pocos nucleótidos antes del codón de inicio (AUG) de la traducción. Esta secuencia presenta complementariedad de bases con una región específica del **ARNr 16S** de la subunidad ribosomal menor de procariotas.
Su función principal es anclar el ARNm a la subunidad ribosomal menor, posicionando el codón de inicio (AUG) en el **sitio P** del ribosoma, lo que es crucial para el inicio preciso de la traducción en procariotas.
En eucariotas, el proceso de inicio de la traducción es diferente. La subunidad ribosomal menor se une al **cap 5’** del ARNm y luego se desplaza a lo largo de la secuencia (proceso de escaneo) hasta encontrar el primer codón AUG, que es reconocido como el inicio de la traducción. La **cola poli-A** en el extremo 3′ también contribuye a la eficiencia de este proceso al interactuar con el cap 5′ y circularizar el ARNm.
Mecanismos de Desensibilización de Receptores sin Down-regulation
¿Cuáles son los mecanismos para desensibilizar receptores sin Down-regulation?
Existen varios mecanismos para desensibilizar receptores sin que se produzca una disminución en su número en la superficie celular (down-regulation). Estos mecanismos, a menudo agrupados bajo el término **taquifilaxia** o desensibilización aguda, permiten una rápida disminución de la respuesta celular sin que el receptor sea degradado:
Secuestro del receptor: El receptor es internalizado (secuestrado) de la membrana plasmática mediante endocitosis, lo que lo aísla del ligando y reduce la señalización. Posteriormente, el receptor puede ser reciclado de vuelta a la superficie celular.
Inactivación del receptor: El receptor puede ser modificado covalentemente (ej. por fosforilación por quinasas específicas como las GRKs) de manera que su capacidad para activar las proteínas de señalización intracelular se reduce, incluso si sigue unido al ligando.
Inhibición por proteínas reguladoras: Proteínas reguladoras (ej. **arrestinas** en receptores acoplados a proteína G) se unen al receptor activado, impidiendo su interacción con las proteínas de señalización intracelular (como las proteínas G), lo que bloquea la transmisión de la señal.
Composición y Ensamblaje de Filamentos Intermedios
¿Cómo se componen los protofilamentos y filamentos de los filamentos intermedios? ¿Cómo se ensamblan y desensamblan?
Los monómeros de los **filamentos intermedios (FIs)** se caracterizan por tener dominios globulares en sus extremos N-terminal y C-terminal, y una región central en forma de **hélice alfa (α-hélice)**.
El ensamblaje de los filamentos intermedios sigue una jerarquía:
Dos monómeros se enrollan entre sí para formar un **dímero enrollado (coiled-coil)**.
Dos dímeros se asocian de forma antiparalela y escalonada para formar un **tetrámero**.
Los tetrámeros se asocian lateralmente, extremo con extremo, para formar un **protofilamento**.
Ocho protofilamentos se empaquetan helicoidalmente para dar lugar al **filamento intermedio maduro**.
A diferencia de los microtúbulos y los filamentos de actina, el ensamblaje y desensamblaje de los filamentos intermedios no requiere hidrólisis de ATP ni GTP. En cambio, estos procesos están regulados principalmente por la **fosforilación y desfosforilación** de residuos de serina en los monómeros: la fosforilación generalmente promueve el desensamblaje (desarme), mientras que la desfosforilación favorece el reensamblaje.
Enfermedades Asociadas a Filamentos Intermedios
¿Qué enfermedad se produce por déficit de filamentos intermedios y cuál es su causa?
Una enfermedad emblemática asociada a defectos en los filamentos intermedios es la **epidermólisis bullosa simple (EBS)**, causada por mutaciones en los genes que codifican las **queratinas** (un tipo de filamento intermedio).
Estas mutaciones comprometen la integridad estructural de la red de queratina en los queratinocitos de la epidermis, lo que disminuye drásticamente la resistencia mecánica de la piel. Como resultado, incluso una fricción o presión mínima puede provocar la ruptura de las células y la formación de ampollas, ya que las células no pueden soportar las fuerzas de tracción y se desprenden fácilmente.
Transporte Vesicular entre RE y Golgi
¿Por qué el transporte entre RE y Golgi ocurre en vesículas?
Aunque el **retículo endoplasmático (RE)** y el **aparato de Golgi** son compartimentos topológicamente equivalentes (es decir, su lumen es funcionalmente continuo con el espacio extracelular), el transporte de moléculas entre ellos no se produce por continuidad directa de membranas, sino a través de **transporte vesicular**.
Este mecanismo vesicular es crucial porque permite:
Direccionar cargas específicas: Asegura que solo las proteínas y lípidos destinados a otros compartimentos o a la secreción sean transportados.
Mantener la identidad de los compartimentos: Cada orgánulo conserva su composición y función enzimática distintiva.
Controlar el flujo de moléculas: Evita la difusión incontrolada de enzimas o proteínas entre compartimentos.
El transporte vesicular implica la formación de vesículas recubiertas: las vesículas **COPII** median el transporte anterógrado (del RE al Golgi), mientras que las vesículas **COPI** median el transporte retrógrado (del Golgi al RE). Estas vesículas se desprenden de un compartimento y se fusionan con el siguiente. Es importante destacar que las vesículas atraviesan el **ERGIC (compartimento intermedio retículo-Golgi)**, que actúa como una estación de control y clasificación antes de que las cargas lleguen al Golgi.
Transporte Anterógrado y Retrógrado: Definición y Proteínas Clave
¿Qué es el transporte anterógrado y retrógrado? ¿Qué proteínas están involucradas en cada caso?
El **transporte anterógrado** es el movimiento de proteínas y lípidos desde el retículo endoplasmático (RE) hacia el aparato de Golgi y, posteriormente, a otros destinos celulares (como lisosomas o la membrana plasmática). Este proceso se inicia con la formación de vesículas recubiertas de **COPII** en el RE, las cuales se fusionan para formar un clúster vesicular que madura en el compartimento intermedio retículo-Golgi (ERGIC) antes de fusionarse con la cara cis del Golgi.
El **transporte retrógrado** es el movimiento inverso, que devuelve proteínas y lípidos desde el Golgi (y el ERGIC) de vuelta al RE. Este transporte es mediado por vesículas recubiertas de **COPI**. Las proteínas residentes del RE que accidentalmente escapan al Golgi suelen poseer secuencias de recuperación específicas, como la señal **KDEL** (para proteínas luminales) o **KKXX** (para proteínas transmembrana), que son reconocidas por receptores específicos en el Golgi y empaquetadas en vesículas COPI para su retorno al RE.
Ambos tipos de vesículas utilizan el citoesqueleto para su movimiento: las vesículas anterógradas se desplazan a lo largo de los microtúbulos hacia el extremo positivo (+) utilizando **quinesinas**, mientras que las vesículas retrógradas se mueven hacia el extremo negativo (−) con la ayuda de **dineínas**, siguiendo la polaridad de los microtúbulos.
Adhesión Celular a la Matriz Extracelular en Cultivo
¿Qué ocurre en el experimento en placa de Petri donde las células se adhieren a la matriz extracelular? ¿Qué señales reciben y qué uniones establecen?
En un cultivo en placa de Petri, las células se adhieren a la **matriz extracelular (MEC)** artificial mediante **integrinas**, que son proteínas transmembrana que reconocen y se unen a componentes específicos de la MEC como el colágeno, la fibronectina y la laminina. Estas adhesiones iniciales se estabilizan y organizan en estructuras especializadas denominadas **contactos focales**. En los contactos focales, las integrinas se conectan al citoesqueleto de actina a través de un complejo de proteínas adaptadoras intracelulares, como la talina y la vinculina.
La unión de las integrinas a la MEC no solo proporciona anclaje físico, sino que también activa cascadas de señalización intracelular (como las vías **PI3K/Akt** y **MAPK**), que son cruciales para la **supervivencia** y la **proliferación celular**.
A medida que las células proliferan y entran en contacto, también establecen **uniones célula-célula**:
Uniones adherentes: Mediadas por **cadherinas** que se conectan a los filamentos de actina del citoesqueleto.
Desmosomas: También mediadas por **cadherinas** (desmogleínas y desmocolinas) que se unen a los filamentos intermedios.
Uniones estrechas (tight junctions): Sellan el espacio intercelular, regulan el paso de sustancias y contribuyen a la polaridad celular.
Estas interacciones con la MEC y entre células son fundamentales para que las células crezcan, sobrevivan, proliferen y mantengan una estructura organizada en el cultivo.
Resistencia a Fármacos y Bombas ABC en Quimioterapia
a) Explique cómo se produce la resistencia a esas drogas. Para responder esta pregunta, debe especificar qué son las bombas ABC, la forma en que funcionan estos tipos de proteínas y el rol que cumplen en este proceso.
b) Sugiera un tratamiento para evitar la acción de estas bombas en contra de la quimioterapia. Argumente brevemente su elección.
a) Mecanismo de Resistencia a Fármacos por Bombas ABC
Las **bombas ABC (ATP-Binding Cassette)** son una familia de proteínas transportadoras integrales de membrana que utilizan la energía de la hidrólisis de dos moléculas de ATP para bombear activamente diversas sustancias (incluyendo fármacos) fuera de la célula, actuando como eflujo de xenobióticos.
Dado que muchos fármacos quimioterapéuticos son sustratos para estas bombas, son expulsados activamente de la célula tumoral hacia el medio extracelular, impidiendo que alcancen concentraciones intracelulares efectivas para ejercer su acción citotóxica.
La **resistencia a las drogas** se desarrolla cuando las células tumorales, expuestas a la quimioterapia, aumentan la expresión génica de estas bombas ABC. Una mayor cantidad de bombas en la membrana celular resulta en una expulsión más eficiente del fármaco, lo que reduce su eficacia y confiere resistencia a la célula.
b) Estrategia de Tratamiento para Evitar la Resistencia
Una estrategia para contrarrestar la resistencia mediada por bombas ABC sería la **coadministración de inhibidores de las bombas ABC** junto con el fármaco quimioterapéutico. Estos inhibidores (como el verapamilo o la ciclosporina A) se unen a las bombas ABC y bloquean su actividad de eflujo, permitiendo que el fármaco quimioterapéutico permanezca dentro de la célula tumoral y ejerza su efecto.
Argumento: Cambiar el tipo de droga puede ser una opción, pero la sobreexpresión de bombas ABC a menudo confiere resistencia a múltiples fármacos (resistencia multidroga). Un inhibidor de la bomba ABC aborda directamente el mecanismo de resistencia, permitiendo que el fármaco original sea efectivo por más tiempo o que se utilicen dosis más bajas, reduciendo la toxicidad.
Gamma-Tubulina, Microtúbulos y Tratamiento Tumoral
Uno de estos fármacos bloquea la gamma-tubulina y detiene significativamente el crecimiento del tumor. Al respecto:
a) ¿Cuál es el nombre, ubicación y función de la estructura donde forma parte la gamma-tubulina? ¿Por qué su inhibición sería útil para tratar un tumor?
b) Se observó que, adicionalmente, el fármaco inhibía la actividad GTPasa de la tubulina. Indique qué propiedad dinámica presentan los microtúbulos y explique cómo se vería modificada por la inhibición de esta actividad.
a) Gamma-Tubulina: Ubicación y Función
La **gamma-tubulina (γ-tubulina)** se localiza principalmente en el **centrosoma**, que es el principal centro organizador de microtúbulos (MTOC) en las células animales. El centrosoma está compuesto por dos centriolos (estructuras cilíndricas formadas por microtúbulos) dispuestos perpendicularmente y rodeados por una matriz pericentriolar (MPC), donde se encuentra la γ-tubulina formando complejos anulares (γ-TuRCs).
Su función principal es actuar como un sitio de **nucleación** para el ensamblaje de nuevos microtúbulos, es decir, es el punto de partida para su crecimiento.
La inhibición de la γ-tubulina sería útil en el tratamiento de tumores porque, al impedir la nucleación de microtúbulos, se interrumpe la formación del **huso mitótico**. Sin un huso mitótico funcional, las células cancerosas no pueden llevar a cabo la segregación cromosómica y la división celular, lo que detiene su proliferación y puede inducir apoptosis.
b) Inestabilidad Dinámica de Microtúbulos y Efecto de la Inhibición de GTPasa
Los microtúbulos exhiben una propiedad intrínseca llamada **inestabilidad dinámica**, que consiste en la alternancia entre fases de crecimiento (polimerización) y acortamiento (despolimerización) en sus extremos.
La inestabilidad dinámica se basa en la hidrólisis de GTP por la **β-tubulina** en el extremo de crecimiento del microtúbulo. Si se inhibe la actividad GTPasa de la tubulina, la hidrólisis de GTP a GDP no ocurrirá. Esto significa que los dímeros de tubulina en el extremo del microtúbulo permanecerán unidos a GTP, formando un “casquete de GTP” estable. Como resultado, los microtúbulos no podrán despolimerizarse (acortarse), ya que la unión entre los dímeros de tubulina-GTP es mucho más fuerte que la de tubulina-GDP. Esto llevaría a una **estabilización excesiva de los microtúbulos**, impidiendo su dinámica normal de crecimiento y acortamiento, lo cual es esencial para la formación y función del huso mitótico y, por ende, para la división celular. En el contexto de un tumor, esta estabilización impediría la correcta formación y función del huso mitótico, deteniendo la división celular y el crecimiento tumoral.
Localización de Proteínas en el Espacio Intermembrana Mitocondrial
Una proteína soluble del espacio intermembrana mitocondrial cumple una función en la respiración celular. Si su gen se encuentra en el ADN nuclear, explique detalladamente cómo esta proteína logra quedar ubicada en el espacio donde cumple su función. Mencione todo lo requerido en el proceso desde que comienza su traducción hasta quedar en el espacio intermembrana.
Una proteína soluble destinada al espacio intermembrana mitocondrial, cuyo gen se encuentra en el ADN nuclear, es inicialmente traducida en **ribosomas libres** en el citosol. Durante su traducción, la proteína sintetiza un **péptido señal N-terminal** (presecuencia mitocondrial) que es reconocido por el complejo **TOM (Translocase of the Outer Mitochondrial membrane)** en la membrana externa de la mitocondria.
Para su translocación, chaperonas citosólicas como las **Hsp70** mantienen la proteína en un estado desplegado. La proteína es entonces translocada a través del canal TOM. Una vez en el espacio intermembrana, la proteína es dirigida al complejo **TIM23 (Translocase of the Inner Mitochondrial membrane)** en la membrana interna, ya que ambos complejos (TOM y TIM23) están funcionalmente acoplados.
A medida que la proteína atraviesa TIM23 hacia la matriz mitocondrial (mitosol), su péptido señal N-terminal es escindido por una **peptidasa señal de la matriz**. Sin embargo, para las proteínas del espacio intermembrana, la proteína recién sintetizada contiene un **segundo péptido señal hidrofóbico** interno. Este péptido señal es reconocido por el complejo **OXA (Oxidase Assembly)** en la membrana interna. El complejo OXA inserta transitoriamente la proteína en la membrana interna. Posteriormente, una segunda peptidasa (o la misma peptidasa señal de la matriz si el péptido es accesible) escinde este segundo péptido señal, liberando la proteína soluble en el espacio intermembrana, donde finalmente se pliega de forma correcta con la ayuda de chaperonas del espacio intermembrana.
Desensibilización Farmacológica: Taquifilaxia
Un fármaco experimenta una disminución gradual y sostenida al ser administrado en forma continua o repetida. Esta reducción en la respuesta no estaba asociada a una disminución del número de receptores.
a) ¿Cómo se denomina a este proceso de desensibilización?
b) Indique cuáles son los mecanismos que se asocian a una mantención del número de receptores y la ausencia de respuesta. Argumente su respuesta.
a) Denominación del Proceso
Este proceso de desensibilización, caracterizado por una disminución rápida y sostenida de la respuesta farmacológica sin una reducción en el número de receptores, se denomina **taquifilaxia**.
b) Mecanismos de Taquifilaxia
Los mecanismos que explican la taquifilaxia (manteniendo el número de receptores en la superficie) incluyen:
Inactivación del receptor: El receptor sufre una modificación conformacional o covalente (ej. fosforilación) que reduce su capacidad para interactuar con las proteínas de señalización intracelular, incluso si sigue unido al ligando.
Desacoplamiento del receptor de sus efectores: Proteínas reguladoras (como las **arrestinas** en el caso de GPCRs) se unen al receptor activado, impidiendo su interacción con las proteínas G o con otras moléculas de señalización aguas abajo.
Inactivación de proteínas de señalización intracelular: Componentes de la cascada de señalización intracelular (ej. enzimas, segundos mensajeros) pueden ser inactivados o agotados, lo que interrumpe la transmisión de la señal a pesar de que el receptor esté activado.
Producción de proteínas inhibidoras: La activación prolongada del receptor puede inducir la expresión de proteínas que actúan como inhibidores de la vía de señalización.
Secreción de Glucagón: Vía Secretora
El Glucagón es una hormona peptídica que es producida y secretada hacia el torrente sanguíneo. Explique los pasos que debe seguir esta hormona desde que se traduce en los ribosomas hasta que sea secretada por dichas células.
El **glucagón**, al ser una hormona peptídica destinada a la secreción, sigue la vía secretora. Su ARNm comienza a traducirse en **ribosomas libres** en el citosol. Una vez que se sintetiza el **péptido señal N-terminal**, este es reconocido por la **partícula de reconocimiento de señal (SRP)**, que detiene temporalmente la traducción y dirige el complejo ribosoma-ARNm-polipéptido naciente hacia el **retículo endoplasmático rugoso (RER)**, donde se une a un receptor de SRP.
El ribosoma se acopla a un translocador (ej. complejo Sec61) en la membrana del RER, y la proteína comienza a translocarse hacia el lumen del RER. El péptido señal se inserta en la membrana del RER y es rápidamente escindido por una **peptidasa señal**. Una vez en el lumen del RER, la proteína se pliega correctamente, asistida por chaperonas como la BiP.
Las proteínas correctamente plegadas son empaquetadas en **vesículas recubiertas de COPII** que brotan del RER. Estas vesículas se fusionan entre sí para formar el **ERGIC (compartimento intermedio retículo-Golgi)**, que luego se fusiona con la cara cis del aparato de Golgi.
Dentro del Golgi, el glucagón atraviesa las cisternas (cis, medial, trans), donde sufre diversas **modificaciones postraduccionales** (ej. glicosilación, proteólisis de precursores). Desde la red trans-Golgi (TGN), el glucagón es empaquetado en **vesículas secretoras** que se dirigen a la membrana plasmática para ser liberadas al torrente sanguíneo mediante **exocitosis** (secreción constitutiva o regulada, dependiendo del tipo celular y la señal).
Cultivo Celular: Adhesión, Proliferación y Confluencia
Para realizar cultivos celulares, se necesita que pocas células que se vierten sobre una placa de Petri (sobre una matriz extracelular artificial) lleguen a confluencia, es decir, que la placa quede completamente cubierta (en monocapa) por estas células. Explique cómo las células logran este objetivo. Para responder esta pregunta, considere factores como: adhesiones celulares (célula-célula y célula-matriz), matriz extracelular, supervivencia y proliferación.
Para lograr la confluencia en un cultivo celular, las células inicialmente establecen **uniones célula-matriz extracelular (MEC)**. Esto se logra principalmente a través de **integrinas**, proteínas transmembrana que conectan la MEC artificial (ej. colágeno, fibronectina) con el citoesqueleto intracelular. La adhesión a la MEC es fundamental para la **supervivencia celular**, ya que muchas células requieren este anclaje para evitar la apoptosis (anoikis).
Una vez adheridas, las integrinas activan vías de señalización intracelular que promueven la **supervivencia** y la **proliferación celular**. Esto impulsa a las células a dividirse activamente por **mitosis**, aumentando su número y extendiéndose por la superficie de la placa de Petri.
A medida que las células proliferan y la densidad celular aumenta, comienzan a establecer **uniones célula-célula** con sus vecinas. Ejemplos incluyen:
Uniones adherentes: Mediadas por **cadherinas** que se conectan a los filamentos de actina.
Desmosomas: También mediadas por **cadherinas** que se unen a los filamentos intermedios.
El establecimiento de estas uniones célula-célula, junto con la alta densidad celular, desencadena un fenómeno conocido como **inhibición por contacto**. En este punto, las células reciben señales que priorizan la **supervivencia** y el mantenimiento de la estructura de la monocapa, mientras que las señales de **proliferación** disminuyen drásticamente, deteniendo la división celular una vez que se alcanza la confluencia.