Aparato de Golgi y Lisosomas

Características del Aparato de Golgi.

Camilo Golgi

El aparato de Golgi es un tipo de orgánulo visible solo bajo el microscopio electrónico. Está constituido por membranas. Fue identificado de forma indirecta mediante estudios de microscopía óptica. Está constituido por una serie de membranas donde hay una gran actividad enzimática. Tratándolo con una serie de sustancias (sobre todo técnicas de plata), puede lograrse la precipitación de parte de su contenido. Fue identificado por Camilo Golgi y está formado por una serie de membranas lisas, sin ribosomas, que forman una serie de cisternas de forma cóncavo-convexa.

Viene asociado a una serie de vesículas. Estas tienden a ser muy electrondensas en la zona o cara cóncava del Golgi y menos electrondensas en la cara convexa. En las zonas cercanas al Golgi aparecerá frecuentemente retículo endoplasmático liso, así como unas estructuras tubulares entre las vesículas grandes y las cisternas, que aportan una morfología similar al retículo.

Aparato de Gogi.

El aparato de Golgi tiene dos zonas, la zona cóncava que se conoce como cara o zona cis y la zona convexa que se conoce como cara o zona trans.

La cara cis está relacionada con la llegada de paquetes (vesículas) del retículo. En la cara tans aparecen zonas de vesículas con las que se están sacando productos del Golgi y que serán dirigidos a otras zonas de la célula. Este modelo se ha ido complicando con el tiempo, se han ido identificando cada vez más fenómenos relacionados con el movimiento de sustancias. Ahora también se habla de una zona media o intermedia entre la zona cis y la trans.

En cambio esta separación no se puede atener a criterios morfológicos, ya que todas las membranas del aparato de Golgi son muy parecidas. Las diferencias residen en los enzimas que encontramos dentro de cada cisterna. Estos hallazgos son confirmados por métodos bioquímicos, con procesos de aislamiento y mediante métodos morfológicos basados en técnicas histoquímicas, induciendo a un precipitado electrondenso por medio de enzimas. Es decir, técnicas que provocan precipitados en lugares o cisternas donde aparezca un enzima determinado.

Así, obtenemos diferentes precipitados para diferentes enzias y nos damos cuenta de que hay cisternas en las que encontramos determinados tipos de enzimas y cisternas donde determinados enzimas no aparecen.

El modelo se completa con un nuevo término, hablándose de red trans del golgi. Se aplica a la zona relacionada con la zona trans, donde podemos encontrar, incluso, túbulos ramificados. Al retículo que aparece en la zona cercana al Golgi se le denomina retículo endoplasmático de transición y es el encargado de enviar a este orgánulo las vesículas.

Aparato de Golgi y sistemas de endomembrana

 El Golgi está presente en todos los tipos celulares, excepto aquellos, como el espermatozoide o el eritrocito, en el que la síntesis protéica se ha detenido. La cantidad de Golgi que aparece en una célula es muy variable y está en relación con el grado de actividad de la célula (es decir, células más activas poseen cantidades mayores de Golgi). Se coloca en algunas zonas de forma prioritaria, concretamente en las cercanías del núcleo. Esta localización prioritaria es más evidente en células polarizadas.

Aparato de Golgi cercano al núcleo

En las células vegetales, en ocasiones, hay muchos grupos membranosos, con veinte o más sistemas de membrana unidos. Se les denomina dictiosomas y al conjunto de todos los dictiosomas de la célula se les denomina aparato de Golgi. En animales, en cambio, hay poco más de un aparato de Golgi.

No hay comunicación directa cisterna a cisterna en un mismo aparato de Golgi. Lo que si podemos encontrar es comunicación entre cisternas iguales de dos aparatos de Golgi diferentes, por medio de túbulos que los unen. Las moléculas pasan de cisterna a cisterna por medio de vesículas.

Sistemas de endomembrana

Funciones del aparato de Golgi.

El Golgi interviene en diversos procesos. En él terminan los procesos de glucosidación y se les da los últimos retoques a las proteínas que deben ser glicosiladas. Intervienen también el el empaquetamiento de productos que van a ser enviados a determinadas direcciones. Para que las proteínas sean enviadas correctamente deben ser marcadas específicamente.

El Golgi se encarga en el direccionamiento de productos. Se encamina en una dirección determinada. Se conocen muchos de estos procesos, como la sulfatación de proteínas, fosforilación de azúcares y en determinadas proteínas, glicosidación concreta.

Glicosidación.

Hay dos grandes bloques de glicosidación: crear oligosacáridos ricos en manosa y la adicciónn de oligosacáridos complejos.

En los ricos en manosa se retoca el árbol que había sido adicionado en el retículo. Se quedará con los azúcares que ya traía y se retiran algunos, pero no se añaden nuevos azúcares. En cambio, el la incorporación de oligosacáridos complejos si que añadimos algunos azúcares nuevos. En este caso no hay moléculas como el glicol. Los fenómenos de glicosidación se producen en varias zonas del aparato de Golgi, sobre todo en las cisternas del medio.

En el aparato de Golgi también se añaden azúcares a las proteínas en puntos que no habían sido marcados en el retículo. Se denomina O-glicosidación, frente a los otros tipos de marcaje que se denominan N-glicosidación. En la O-glicosidación los azúcares se unen a un aminoácido serina. Así se modifican, por ejemplo, los proteoglicanos, que son componentes muy importantes del tejido conjuntivo.

Otro proceso importante es el retoque proteolítico de ciertas proteínas. Es un complemento a la fabricación de proteínas, hay proteínas que, en vez de ser codificadas por ARNm diferentes, son fabricadas como poliproteínas, proteínas enormes no funcionales que llevan secuencias independientes importantes, es decir, una macroproteína constituida por varias proteínas importantes independientes. En el aparato de Golgi se recortan, dando lugar a las proteínas independientes y funcionales.

En resumen, en el aparato de Golgi puede recortarse una proteína, eliminando trozos de proteínas que deben ser eliminados para que la proteína sea funcional. O se trocea la proteína, dando lugar a varias proteínas funcionales a partir de una gran proteína inicial que no es funcional. Este tipo de cortes tienen lugar, por ejemplo, en la fabricación de algunas hormonas.

Hay un problema: cómo las proteínas van pasando a través del aparato de Golgi y se van seleccionando, teniendo en cuenta que las cisternas son independientes y diferentes. Algunas proteínas hechas en el retículo van pasando por las cisternas y se quedan encerradas en una ciesterna u otra. Debe haber un mecanismo de señalización por defecto, o un mecanismo de señalización individual y de avance (que indique si se debe quedar en una cisterna o seguir y avanzar a la siguiente).

Las proteínas llegan a la primera cisterna en bloque. Van pasando de una cisterna a otra. O bien las proteínas tienen unos marcadores para que las transporten a la siguiente vesícula (individual y de avance) o bien las proteínas están marcadas para quedarse en una cisterna concreta. Sabemos que las proteínas sin marcaje fluyen por defecto.

Fabricación y direccionamiento del proteínas del lisosoma.

El lisosoma es un orgánulo celular que puede sr considerado una vesícula que aparece en el citplasma. Analizando su contenido, nos damos cuenta que posee muchos enzimas hidrolíticos y el pH de su interior es muy bajo. Se trata de un orgánulo identificado antes mediante análisis bioquímico que por visualizacion. Se trata de un orgánulo intermedio en una serie de reacciones que tienen lugar en la célula.

El lisosoma, en un momento dado, hará una digestión de productos. Los residuos o bien se liberan o bien se quedan en la célula hasta que esta se muere, formando parte del proceso de envejecimiento celular. Ocurre por ejemplo en las neuronas, que acumulan lipofuscinas en su interior.

Fabricación y direccionamiento de proteínas al Lisosoma

 En el caso de los macrófagos, en ocasiones se introducen incluso bacterias completas y ocurre un proceso semejante, mediante el cual la bacteria fagocitada se degrada.

Hay otro caso muy especial, la degradación de propios orgánulos celulares. Por ejemplo, tras administrar barbitúricos a un animal, en el hígado se acumula gran cantidad de retículo endoplasmático. Tras el fin de la administración, el exceso de retículo debe ser eliminado. Ocurre también, por ejemplo, con mitocondrias que se han quedado viejas. Una zona de retículo puede envolver a la mitocondria, formándose la cubierta secundaria. Y sucede el mismo proceso que cuando se ha fagocitado algo del exterior, uniéndose a la vesícula los paquetes o vesículas procedentes del aparato de Golgi y llegándose a la vesícula que denominanos endolisosoma o lisosoma. Pero en estos caso se habla de fagosoma o heterofagosoma cuando lo que se digiere proviene del exterior (como en el caso de los macrófagos) y de autofagosoma cuando se digieren orgánulos propios.

Los enzimas hidrolíticos son empaquetados en el aparato de Golgi. Para ello deben ser marcados ya en las cisternas cis del aparato de Golgi. En ellas se produce una fosforilación del árbol de azúcares, concretamente a nivel de residuos de la manosa. Se acumularán residuos de manosa 6 fosfato. Suele haber varios azúcares marcados, es decir, el marcaje tiene lugar en más de un azucar.

El proceso, por lo tanto, comienza con proteínas fabricadas en el retículo endoplasmático rugoso, que son enviadas a la cara cis del aparato de Golgi donde son marcados. En la red trans del aparato de Golgi son empaqutadas y de esta forma constituirán el lisosoma.

La cuestión es cómo sabe el Gogi qué azúcares tiene que marcar. La fosforilación tiene lugar por dos enzimas distintos. Primero tiene lugar una N-glicosidación que posteriormente es retirada por otro enzima y sustituido por manosa. Se postula que hay una región señal que aparece en las proteínas hidrolíticas. Esta región se une al enzima y se induce al marcaje. Una vez marcados, van pasande de cisterna en cisterna.

Cuando lega a la zona trans, se postula la existencia de dos grandes tipos de vesículas, las tapizadas con clatrina las no tapizadas con clatrina. Las primeras están relacionadas con el transporte altamente selectivo. Las segundas no se encargan de un transporte selectivo.

Las vesículas con clatrina se localizan a nivel de la red trans. Las otras vesículas aparecen, sobre todo, entre el retículo y el Golgi (todas las proteínas van en dirección al Golgi) y en las que hay entre cisterna y cisterna del Golgi y en la red trans del Golgi.

En la red trans del Golgi las proteínas marcadas son identificadas por una zona en la que se forma una vesícula revestida, ya que poseen receptores específicos en la cara interior en la que se reconocen los enzimas. Se forma una vesícula con los enzimas hidrolíticos. La vesícula perderá la envuelta de clatrina posteriormente, pero los receptores siguen en la membrana, de forma que se acumulan en el interior los enzimas hidrolíticos.

Marcaje de vesículas en el Golgi

 En cuanto a cómo hace para que la vesícula llegue al orgánulo adecuado, se postiula la exisencia de un tercer alemento asociado a la manosa 6 fosfato. Se trata de una proteína marcadora que será reconocida por los lisosomas. Es decir, se reconocerá a una serie de receptores del prolisosoma.

Unión de vesículas al lisosoma

 Para el resto de orgánulos no hay receptor. Este mecanismo es, además, de ida y vuelta. Una vez se han fusionado las vesículas con el lisosoma, regresarán al Golgi trozos de membrana con los receptores. Es decir, existe un mecanismo de reciclaje. La existencia de este mecanismo de ida y vuelta se ha demostrado mediante técnicas de marcaje. Se conoce el receptor de la Manosa 6 fosfato, el otro receptor se postula. Los receptores quedan pegados cuando en el lisosoma hay un pH bajo.

Los marcadores de Manosa 6 fosfato también aparecen en la membrana. Se debe a que un paquete puede perderse. Los receptores de la membrana se encargan de expulsar los enzimas hidrolíticos, enviándolos al exterior de la célula.

Existe una enfermedad en la que hay un error genético que afecta a una fotofofomerasa. En el tejido conjuntivo les falta el marcador, eliminándose por lo tanto al exterior grandes cantidades de enzimas hidrolíticos (las vesísculas no encuentran al Prelisosoma). El hecho de que en este tipo de enfermedades no funcionen los sistemas lisosomales en determinados tipos celulares, pero si funcionen perfectamente en otros nos habla de que existen sistemas diferentes en diferentes células.

Otras rutas dirigidas por el aparato de Golgi.

Otra ruta del aparato de Golgi se encarga de llevar sustancias empaquetadas en el Golgi a la membrana plasmática, para renovarla o expulsar sustancias al exterior. No se han identificado marcadores. Se postula que hay dos rutas, la constitutiva y la regulativa.

En la constitutiva encontramos una ida continua de vesículas a la membrana. No están marcadas de una manera específica, es decir, se trata de la ruta que siguen las vesículas por defecto al no ser marcadas de una manera específica.

En la regulativa las proteínas empaquetadas no son liberadas continuamente. Las vesículas se encuentran en el citoplasma cierto tiempo hasta que llega una señal. En esta ruta se habla de vesículas con clatrina y receptores específicos. Tiene lugar una condensación. Las vesículas acumulan en su interior un material muy denso, casi sin agua. Acumulan gran cantidad de una determinada sustancia. Esta condensación se lleva a cabo por mecanismos complejos que no están del todo claros. Se cree que está mediado por cambios de pH, interviniendo en el retardo entre la formación de la vesícula y su salida. Se cree que está asociado a problemas de empaquetamiento, es decir, hasta que no están totalmente llenos los receptores, no se da orden de salida.

Anatomía Celular: Retículo Endoplásmico

Se trata de uno de los sistemas de endomembrana más desarrollados. Dependiendo de la actividad de la célula, puede encontrarse con mayor o menor abundancia. Si bien no iene porque aparecier plenamente desarrollado en un momento determinado de la vida celular, si lo encontraremos en alguna de sus fases. Hay células que se diferencian en un momento dado y que pueden llegar a perder todo o parte de su retículo, aunque en su fase juvenil si que aparecerá en relativa abundancia; esto ocurre por ejemplo en los eritrocitos, o los espermatozoides (en sus fases adultas presentan muy poco retículo, ya que en su maduración lo pierden, ya que en sus fases juveniles sí que presentan retículo en abundancia).

Se trata de una estructura que se suele dividir en dos grandes tipos o grupos, el retículo liso y el rugoso. No hay una diferencia o falta de continuidad neta entre ambos, se trata de la misma estructura aunque con una estructura, composición lipídica y protéica que les confiere unas ciertas características diferenciales. Pero realmente se trata de una estructura común, que si pudiésemos extender comprobaríamos que uno y otro se encuentran conectados. Además, en algunas células encontraremos conformaciones de retículo particulares, que no se adaptan a ninguno de estos dos tipos.

Tipos de retículo endoplásmico

Las diferencias entre el retículo liso y el rugoso se encuentra en que el rugoso presenta una serie de estructuras, a modo de gránulos electrondensos, pegados a la membrana. Estos gránulos son en realidad otro orgánulo celular asociado: ribosomas. Además, la morfologíaa general del retículo rugoso es un poco diferente al del liso, ya que el rugoso está formado por cisternas aplanadas, alargadas, comunicadas entre si por conexiones más estrechas (pudiendo aparecer también ciesternas independientes). Los ribosomas siempre están anclados a la hemimembrana que mira hacia el citoplasma, es decir, hacia el exterior del retículo (al encontrar zonas con muchas cisternas paralelas, puede inducir a error).

Orgánulos celulares

En el retículo liso no hay ribosomas. Además, se trata de estructuras tubulares, forma una especie de madeja de tubos.

Función del Retículo Endoplasmático.

           

retículo endoplasmático puede aislarse con relativa facilidad. Para su estudio se fragmentan las células, induciendo que se separen las membranas interiores. El retículo tenderá a cerrarse sobre si mismo, formando microsomas. Estos microsomas son activos y de esta manera ha podido analizarse su función.

Para esta serie de estudios se realiza la extracción recurriendo a células con mucho retículo. Normalmente se eligen hepatocitos (células del hígado), que poseen gran cantidad de retículo tanto liso como rugoso. El retículo rugoso es especialmente fácil de separar, ya que presenta mucha densidad debido a los ribosomas. En un gradiente de densidad, se separa formando una banda bien definida. En el caso del retículo liso, no se separa con tanta facilidad y por eso debe recurrirse a una célula con mucha cantidad de retículo liso, de forma que sea más probable su aislamiento.

El retículo interviene en la biosíntesis de proteínas, encargándose de fabricar proteínas transmembranales de los orgánulos celulares y de la membrana celular. También fabrica proteínas de los lisosomas. Esta función es desarrollada básicamente por el retículo rugoso.

También interviene en la biosíntesis lipídica. Son exportadas, posteriormente, a los sistemas de membranas celulares. De esto se encargará, fundamentalmente, el retículo liso.

Por otro lado hay una función de glicosidación. Se encargaría de una glicosidación parcial de las proteínas. Se para en un estadío de glicosidación concreto y después en el aparato de Golgi se completará el trabajo. Es decir, en el retículo endoplasmático, concretamente en el rugoso, comienza la glicosidación de las proteínas y los lípidos.

También posee una cierta función de detoxificación. Esta función corre a cargo del liso. De ahí que se encuentre muy desarrollado en células epaticas. El retículo realiza una transformación de ciertas moléculas para que puedan ser metabolizadas o eliminadas por el sistema del limpieza del organismo. Por ejemplo, en el caso de sustancias hidrófobas, capaces de fusionarse con la membrana, puede ser transformada para convertirla en una molécula hidrófila, que pasará al citoplasma donde podrá ser eliminada o limpiada. A veces esto puede resultar un arma de doble filo, hay sustancias que no son especialmente dañinas y al ser modificadas por el retículo se transforman en sustancias tóxicas o cancerígenas.

El retículo es una estructura que puede crecer y decrecer rápidamente. Un tóxico, como los barbitúricos, que son eliminados por el retículo, provocan la proliferación del orgánulo. Este hecho se ha aprovechado para aislar retículo, ya que si suministramos barbitúricos a un animal de laboratorio, nos aseguramos de que el retículo sea más abundante en los hepatocitos. Cuando quitamos los barbitúricos de la dieta del animal, el retículo se reduce rápidamente, siendo digerido o reciclado por la propia célula.

El retículo endoplasmático liso también interviene en procesos metabólicos como la glucogenolisis, es decir, la degradación del glucógeno. Esta función es especialmente evidente en los hepatocitos (el hígado es una de las reservas de glucógeno).

Finalmente, interviene en procesos de secuestro de calcio. El calcio es una molécula importante que interviene en muchos fenómenos, desde la adhesión celular hasta la contracción muscular. En las células musculares, por ejemplo, hay acúmulos de un retículo especial denominado retículo sarcoplásmico (a las células musculares se les denomina sarcómeros). Se trata de una modificación del retículo endoplasmático liso, que posee en su membrana una ATPasa asociada encargada del transporte de iones de calcio. Cuando se necesita una contracción, este calcio que se acumula en el retículo se libera al citoplasma. La concentración de calcio intracelular es menor que la extracelular, el calcio está muy controlado. Hay, en todas las membranas de los componentes celulares y en las membranas del retículo transportadores de calcio que controlan su concentración. No se sabe si existen especializaciones del retículo liso en todas las células o si esta función, en células normales, es llevada a cabo por un retículo endoplásmico liso normal. La proteína identificada encargada de acumular el calcio se denomina calciosecuestrina, que es capaz de inmovilizar el calcio dentro de las cisternas.

Componentes del retículo endoplasmático.

La membrana del retículo es ligeramente más estrecha que la plasmática. Su composición es normal, pero existe una gran diferencia en cuanto a las proteínas de membrana que encontramos en la membrana celular respecto a la del retículo. Hay proteínas relacionadas con el anclaje de los ribosomas, denominadas genéricamente riboforinas (no está claro que se trate de un solo tipo de proteína). Provocan una unión mediada por fuerzas débiles (aunque al anclaje también colabora el péptido en formación cuando el ribosoma del retículo está trabajando).

En el retículo endoplásmico no hay continuidad, hay una diferenica protéica. No hay movimientos de proteínas desde el retículo rugoso al liso. Puede ser que se formen microislas de proteínas asociadas, lo cual hace que la movilidad se reduja. O bien se forman anclajes a otras proteínas. No obstante, se trata solo de hipótesis, sin que se sepa realmente qué mecanismos son los que actúan.

Hay proteínas que se forman en el interior del retículo y alguna parte de la proteína formada tendrá algún tipo de señal que hace que no pueda salir del interior. Otras proteínas se fabricarán fuera y entrarán o difundirán al interior. Y un grupo de proteínas se asociará a la membrana del retíclo. El marcaje es necesario para explicar que algunas proteínas nunca se muevan del retícuo.

En la membrana del retículo liso también hay protéinas, destacando dos citocromos, el B5 y el P450. Son cadenas de transporte de electrones, parecidos a las de la mitocondria. Pero no se produce respiración, ni fosforilación oxidativa. Se trata de un sistema para metoxilar compuestos, realizando por ejemplo reacciones relacionadas con la detoxificación.

Biosíntesis protéica asociada al Retículo.

Hay dos grandes ciclos de síntesis protéica, a nivel citoplasmático o en relación con las membranas del retículo endoplasmático. Existe otro ciclo menor y paticular de síntesis protéica, asociado a algunos orgánulos especiales, principalmente en las mitocondrias y cloroplastos.

La biosíntesis de proteínas en el retículo conlleva una serie de procesos previos que indicarán a la maquinaria si la proteína tiene que quedarse en la membrana del retículo. En cualquier caso, comienza en el hialoplasma. Los ribosomas capturan el ARNm en el hialoplasma. Lo consiguen gracias a lo que se denomina péptido señal. Cuando una proteína se fabrica en el laboratorio por medio de ribosomas libres, se obtiene una proteína de mayor longitud de lo normal. Debe existir, por lo tanto, algún trozo del péptido que se perdía entre la tradución y la síntesis en los ribosomas. Lo primero que sintetiza es la señal de reconocimiento. En el hialoplasma hay partículas de reconocimiento que se unen al péptido señal y al ribosoma. Bloquean la zona e inducen el desplazamiento del conjunto al retículo endoplásmico rugoso. En el retículo hay un apartícula que reconoce a la partícula de reconocimiento del hialoplasma. De este modo, se une al conjunto. La primera partícula de reconocimiento se desprende y vuelve al hialoplasma.

Fabricación de proteínas en el retículo

El ribosoma detiene su trabajo hasta que llega el retículo. Sin embargo, hay excepciones. En algunos organismos este proceso no se lleva a cabo de esta forma, sino que se realiza la síntesis en el citoplasma y posteriormente la proteína es dirigida al retículo.

El sistema del péptido señal permite identificar algunos tipos de proteínas. Puede darse el caso de que existan varias eñales. Si tenemos una protéinas, en forma de cadena polipeptídica, la señal de unión a la membrana del retículo endoplásmico estará constituida por aminoácidos hidrófobos. Esa zona, ese trozo, marcará la zona transmembranal de la proteína. De forma que una proteína puede tener una ovarias de estas zonas de señalización, de forma que podrá atravesarl la membrana una o varias veces. Existen varias posibilidades. El péptido puede soltarse de su señal, quedando por lo tanto encerrada en el interior del retículo. O no soltarse de la señal, quedando por lo tanto la proteína enganchada o atravesando la membrana del retículo. En el siguiente esquema se omite el ribosoma, para simplificar el esquema.

Sistema del péptido señal

Los péptidos señal también se usan para indicar qué trozos de la proteína van a quedar en contacto con la membrana. Puede tener uno o varios trozos hidrófobos. Cuando aparece un trozo hidrófobo al final del la proteína, como se indica en el esquema, se está señalizando que la proteína quedará anclada en la membrana. Si esto ocurre, el extremo amino de la proteína quedará siempre hacia el interior de la membrana del retículo y el extremo caboxilo quedará hacia la parte exterior.

Pero en ocasiones las proteínas están en la membrana en el otro sentido, con el grupo amino haia el exterior y el carboxilo hacia el interior. Esto se consigue incluyendo un péptido señal hidrófobo a mitad de la proteína, quedando este incluido a mitad de traducción y forzando a salir al exterior al extremo amino.

Péptido señal: extremo amino en el exterior

Las protéinas transmembranales con varios pasos y múltiples hélices se integran gracias a la aparición de múltiples secuencias de péptido señal. Debemos tener en cuenta que las secuencias de péptido señal irán apareciendo duante el proceso de síntesis, es decir, durante la propia fabricación de la proteína en el retículo.

Péptido señal en proteínas transmembranales

En el retículo se forman la mayoría de las proteínas de membrana, tanto de la plasmática como de otros orgánulos como el Golgi.

Se consideraba que el péptido señar era muy específico, pero hoy se considera que no lo es tanto. Sencillamente, se juega con zonas hidrofóbicas. Comienzan a fabricarse péptidos con péptidos señal, que al ser zonas hidrofóbicas se van insertando en la membrana.

El plegado de proteínas y la unión de varias proteínas entre si es un proceso problemático. La proteína, al ser fabricada de forma lineal y ser una molécula con radicales cargados, debería unirse a otras proteína o moléculas cargadas y precipitar. Se conocen dos sistemas para evitar estas combinaciones indeseadas entre proteínas. Una de ellas se encuentra en la cavidad del retículo y separa unas proteínas de otro, sobre todo aquellas que tienden a unirse. Otro sistema que se ha identificado se encargaría de controlar la formación de puentes disulfuro. Existe una proteína en el retículo que se encarga de romper los puentes disulfuro inadecuados, facilitando o ayudando a que se formen proteínas con los puentes disulfuro adecuados.

La glicosidación también es un fenómeno muy importante. Las características de una proteína depende de su glicosidación. Se realiza en el Golgi, pero comienza en el retículo. Se hace un marcaje de las proteínas que deben ser glicosidadas. Se ponen una serie de 14 azúcares, que actuará como árbol de azúcares identificativos. El árbol de azúcares se va uniendo según se va formando la proteína.

En el retículo no hay azúcares libres. Hay una ruta general, se unen a una base mediante gasto energético. Así formamos el azúcar activado. El dolicol, que se encuentra en la membrana del retículo endoplasmático rugoso, es el aceptor del azucar. El dolicol hace un movimiento flip-flop introduciendo el árbol de azúcares en la cavidad del retículo. Se rompe el enlace del árbol de azúcares con el dolicol y así queda introducido en el interior. Es un proceso difícil de entender, sobre todo a nivel energético.

Otro proceso que tiene lugar en el interior del retículo es la fabricación de proteínas que se unen a fosfolípidos mediante enlaces no muy fuertes. Se fabrican, por ejemplo, las proteínas encargadas de unirse al fosfatidil inositol. La función de estas proteínas no es muy conocida. Puede ser que se unan para destruir marcadores. Se sueltan con relativa facilidad. Un ejemplo clásico son la N-cam, que median en fenómenos de adhesión celular en las células nerviosas. Harían desaparecer proteínas de la superficie celular.

En el retículo también tienen lugar procesos de biosíntesis lipídica. Tiene lugar en el retículo endoplasmático liso. Hay dos grandes bloques de rutas, las que foman los lípidos de membrana y las que fabrican hormonas esteroideas y se encargan de la biosíntesis del colesterol.

Esta biosíntesis lipídica se da en todas las células vivas. Las membranas deben movilizarse y deben renovarse. La fabricación de hormonas, en cambio, solo se da en algunos tipos celulares, como las células del testículo o la corteza suprarrenal. Esta biosíntesis suele vanir asociada con mitocondrias de crestas tubulares, resultando un símbolo inequívoco de que la célula fabrica hormonas y lípidos esteroideos.

Con respecto al resto de lípidos, su fabricación se lleva a cabo hacia el citosol. La biosíntesis solo se produce en la hemicapa que mira al citoplasma. Esto acarrea una desigualdad de membrana importante, cada cara de la membrana debe tener unas características especiales. Para lograr esta diferencia hay procesos de flip-flop de lípidos. Cambian de cara en la bicapa Lippidica. Existen unas proteínas que se encargan de transportar a los lipidos de un lado a otro de la bicapa, aunque no son ni bien conocidas ni se han aislado en muchos casos. Es el sistema que logrará equiparar los lípidos.

Los lípidos son necesarios para todos los sistemas de membrana. Todos estos sistemas están en contacto con el aparato de Golgi y con el retículo. Las mitocondrias no entran dentro de este sistema, ya que son orgánulos muy característicos, con su propio material genético incorporado y ribosomas para fabricar buena parte de sus proteínas. La mitocondria no tiene biosíntesis lipídica, a la mitocondria no llegan vesículas, posee proteínas especiales encargadas de recoger ciertas proteínas del retículos, que las protegen (las proteínas hidrófobas que necesita la mitocondria no pueden vagar por el citoplasma, debido precisamente a su carácter) y las llevan a la mitocondria.

Las membranas del retículo endoplasmático se continúan con la membrana nuclear. La membrana externa del núcleo es una continuación del retículo en la que, en muchas ocasiones, podemos observar ribosomas adheridos (debemos recordar que el núcleo es una doble membrana, con una parte externa y una interna).

Variabilidad genética y mutación

 La variabilidad genética no surgió repentinamente. Todo proviene de un grupo de células procariotas iniciales. La evolución se produjo porque el material genético se ha podido ir modificando de generación en generación. Hasta ahora, hemos estudiado la herencia como un proceso que mantiene intacta la información, tanto en la replicación y reparación del ADN como en la mitosis. Pero hay procesos que introducen variabilidad. En las células eucariotas estos procesos son, básicamente, la mutación y la reproducción sexual. En procariotas existen métodos distintos, ya que además de la mutación encontraremos la conjugación o la transducción.

La mutación.

Entendemos por mutación cualquier cambio en el material genético que, perfilado a nivel bioquímico, es cualquier cambio en secuencia, orden o número de nucleótidos. Una vez se ha producido, este nuevo gen mutado sigue utilizando los mismos mecanismos de la reproducción.

Tipos de mutaciones.

Podemos clasificar las mutaciones en distintos tipos.

Por un lado tenemos las aberraciones cromosómicas o mutaciones de gran magnitud, que implican cambios como la variación en el número de cromosomas (individuos 3n en vez de 2n, o con tres cromosomas de uno de los tipos, por ejemplo) y alteraciones estructurales, visibles con el microscopio óptico, como grandes delecciones, duplicaciones o traslocaciones, por ejemplo.

Por otro lado tenemos las mutaciones génicas, que afectan a un gen o a un carácter concreto. Puede decirse que afectan a un gen o cistrón.

Las mutaciones son errores y como tales son poco frecuentes. Se llama tasa de mutación a la probabilidad de que tenga lugar una mutación concreta en una célula o un individuo. Esta tasa ronda los 10-5. Por ejemplo, la probabilidad de la hemofilia es de 3.10-5.

Las mutaciones son espontáneas, pero las tasas pueden aumentarse por distintos factores o agentes mutagénicos. Por ejemplo, la radiación ultravioleta, así como rayos α, β o γ, que modifican las bases provocando más errores aunque existan correcciones específicas.

Si realizamos una gráfica con las mutaciones según la dosis, observamos que obtenemos una línea recta, en la cual se ve que el porcentaje de mutación aumenta linealmente al aumentar la dosis de radiación.

Relación radiación/mutaciones

 También existen los mutágenos químicos, que tienen una especificidad en su actuación. Tienen un efecto más retardado, pudiendo no actuar sobre la primera generación y actuar después de la segunda, o después de varios ciclos.

Existen otros mutágenos físicos, como los ultrasonidos, o incluso los cambios bruscos de temperatura.

Las mutaciones son errores, es decir, son accidentales y al azar. Son accidentes del sistema Bioquímica, porque derivan de que los sistemas de reparación hayan funcionado mal. Por otro lado, recalcan el factor del azar, porque nunca es predecible en una especie qué individuo puede presentar una determinada mutación aunque sepamos el porcentaje de individuos que van a presentar mutaciones.

Otro aspecto es que las mutaciones se presentan independientemente de que sean beneficiosas, perjudiciales o indiferentes, siendo lo segundo, es decir, que sean perjudiciales, lo más frecuente. Las mutaciones no tienen porque mejorar la especie.

Por ejemplo, si cultivamos una bacteria sensible a un antibiótico en presencia del antibiótico, siempre encontraremos alguna colonia que sobrevive. Parece lógico pensar que el medio indujo la mutación. Pero se trataría de un error, la mutación ya estaba presente entre las bacterias originales, pero no se había manifestado.

Bases moleculares de la mutación.

El elemento más simple que podemos identificar en el ADN son un par de bases. Son la unidad mutacional o mutona.

Las mutaciones se dividen en dos grupos, las sustituciones de pares de bases y las alteraciones de corrimiento en la pauta de lectura.

Sustitución de pares de bases.

Las sustituciones en los pares de bases pueden dividirse en dos grandes tipos, transiciones y transversiones.

Las transiciones son aquellas en las que se sustituye una base púrica por otra base púrica o una base pirimidínica por otra base pirimidínica. Es decir:

Las tranversiones son lo contrario, donde había una base púrica ahora habrá una pirimidínica y viceversa:

Las transiciones son las mejor conocidas. Un ejemplo espontáneo tiene lugar en la replicación por tautomería de las bases. Las bases, por un desplazamiento de un hidrógeno dentro de la misma molécula, puede pasar de las formas normales a otras menos frecuentes llamados tautómeros, que son menos comunes (10-4).

Veamos como afecta a la adenina. Se produce un cambio de un grupo amino (-NH2) a un grupo imino (=NH): -NH2 → =NH

Transición de la adenina

Ahora la adenina modificada (A*) se enfrentaría a la citosina en lugar de hacerlo a la timina.

En el caso de la timina es un cambio de un grupo ceto (=O) a un grupo enol (-OH): =O → -OH

Transición de la timina

 Los tautómeros evaden muy bien los sistemas de reparación del ADN. Se producen espontaneamente y en la replicación. Tras la replicación del ADN, la mutación quedaría instaurada.

Evasión de la reparación de los tautómeros

 Hay factores que modifican las bases. Estos cambios pueden tener lugar en la replicación o fuera de la replicación. Un ejemolo es la acción del HNO2, que actúa fuera de la repliación y que actúa sobre el -NH2, provocando que sea sustituido por un radical –OH. Un ejemplo es sua actuación sobre la adenina, atacando a su -NH2 y transformándola en una base no común denominada palmatina. Sobre la citosina actuará transformándola en uracilo.

Transformación de citosina en uracilo

 Si el sistema de reparación no detecta el cambio de citosina por uracilo, este se emparejará con la adenina. Por lo tanto se producirá un cambio de un par C-G por un par T-A.

Aunque esta reacción está promovida por el HNO2, también puede tener lugar expontaneamente dentro del ADN.

Hay compuestos mutágenos que actúan en la replicación. Por ejemplo, sustancias que son parecidas a las bases. Una de ellas es el 5-bromouracilo. Esta base tiene mayor frecuencia de tautomerización, cambiando a su forma tautómera.

5-BU → 5-BU*

el 5-BU es el 5-bromouracilo es su forma normal también denominada forma ceto, mientras que el 5-BU* es su forma tautómera o forma enol.

Transformaciones del 5-bromouracilo

 El 5-bromouraciolo sustituye a la timina, pero su tautómero funciona como la citosina. Es decir, pasa de combinarse con emparejarse con adenina a emparejarse con guanina.

Veamos como tiene lugar la transición cuando el 5-bromouracilo sufre la tautomerización:

Transición con tautomerización del 5-bromouracilo

 Como vemos, tiene un efecto retardado. Actúa, al menos, en la tercera replicación.

Y puede tener lugar la reacción contraria:

Reacción opuesta a la tautomerización del 5-bromouracilo

 El otro tipo de cambios posibles son las transversiones. No se conocen muy bien. Pueden ser que en el ADN, durante la replicación, haya un hueco, es decir, falte una base. Enfrente de ese molde vacío, se colocará una base cualquiera. Esto es relativamente frecuente, sobre todo en el caso de purinas, hablándose de despurinización espontánea del ADN.

Despurinización del ADN

 La luz ultravioleta podría provocar algo parecido. Esta radiación provoca que se genere un dímero de pirimidina, se produce por formaciónn de enlaces covalentes entre dos pirimidinas contiguas:

Dímero de pirimidian

 Al unirse, se crea una deformación del dúplex de ADN. Quedarían mal emparejadas una serie de bases, opuestas al dímero. Si esto sucediese durante la replicación, podrían cometerse errores. En concreto, se cometería el mismo error que si faltase una base:

Dímero de pirimidina en el ADN

 Si se sustituyen un par de bases, esperamos que se vea modificado, a los sumo, un aminoácido de la cadena. En la proteína, un solo aminoácido se puede modificar por un error en una de las tres pares de bases (recordemos que un aminoácido es codificado por tres pares de bases).

Por ejemplo, la secuencia AGC codifica para la serina. UGC codifica para la cisteína. AAC codifica para la treonina. Y AGA codifica para la arginina. Es decir, un cambio en una base puede provocar una sustitución por uno de esos tres aminoácidos.

Corrimiento de la pauta de lectura.

Puede derivar de la inserción o deleción de un par de bases.

Un ejemplo es el que se produce cuando se inserta algún tipo de compuesto policíclico que ocupa el lugar de una base, pero se empareja con dos pares de bases.

En el hueco que queda debido a la inserción del compuesto tricíclico podría insertarse una base más. Tras la replicación, en una de las hebras habría un par de bases nuevas (en el dibujo, en la copia obtenida de la hebra inferior).

La deleción es la pérdida de un par de bases. Por ejemplo, cuando en el caso anterior, o en la formación de un dímero, en lugar de completarse con una base de más, se suelta y se deja el hueco, quedando por lo tanto una base de menos.

Debemos tener en cuenta que los corrimientos en la pauta de lectura puede tener una trascendencia muy importante.

Veamos un ejemplo. la siguiente secuencia:

UAAUGCCGAAUCCGUACUAC

Codifica para la secuencia de aminoácidos:

Met-Pro-Tyr-Pro

Si se produce una deleción, en una de las bases de forma que:

UAAUGCCGACAUUCCGUAC

Hemos pasado a la secuencia de aminoácidos:

Met-Pro-Thr-Ser-Val

Es decir, ha cambiado todos los aminoácidos que quedan por delante del corrimiento de la pauta de lectura. A partir de la deleción (o de la inserción) se cometen errores en todos los aminoácidos. Y la proteína no será viable. Solo si quitamos o ponemos un número múltiplo de 3 pares de bases la mutación puede no ser grave, a no ser que la mutación se compense más adelante (en un lado quitamos una base y en otro lugar, más adelante, ponemos una base de más, quedando el error o corrimiento acotado entre las bases del medio).

Reparación de errores.

El simple hecho de que el ADN sea dúplex favorece una facilidad para la reparación. Si se produce un error que afecte a una sola hebra, la otra hebra siempre estará para poder reparar el error. El ARN no tiene esta ventaja.

Un mecanismo de reparación es el que hay dentro del propio proceso de replicación. En células superiores no se conoce el proceso exo-3’→5’. Pero teniendo en cuenta que el nivel de errores es muy parecido al de las bacterias, se supone que debe existir.

El resto de errores se reparan por enzimas específicos. Los enzimas reconocen el error, cortan la hebra que está mal, eliminan lo que está mal y lo sustituyen. Después, cierran los extremos (con una ligasa).

Veamos el ejemplo con el caso del dímero de pirimidina. La luz ultravioleta genera un dímero de pirimidina. Existe una endonucleasa que identifica específicamente la deformación debida a este error, corta por un lugar próximo al dímero, por el extremo 5’, a una distancia de unos seis nucleótidos del error. Mediante la ADN-pol I se retira el trozo que tiene el error y lo sustituye por el trozo correcto. Actúa como polimerasa 5’→3’ y como exonucleasa 5’→3’, es decir, va limpiando el camino (debemos recordar que en la replicación quita el cebador y ahora quita el error, es decir, es el mismo proceso pero conceptualmente distinto).

Corrección del dímero de pirimidina

 Cuando hay bases equivocadas es necesario que actúe otro enzima. Vamos a ver un ejemplo, cuando se sustituye citosina por uracilo. Necesitamos un enzima que reconozca la base y la hidrolice, actuando después los tres enzimas anteriores (endonucleasa, polimerasa y ligasa). El enzima que reconoce el error por sustitución por uracilo es la Uracilo-DNA Glicidadasa.

Corrección de bases equivocadas

 Este sistema de reparación nos puede dar una razón de por qué el sistema evolutivo ha seleccionado la timina en vez del uracilo y de por qué no se siguió con el ARN como ácido nucléico (se cree que fue el primer tipo de ácido nucléico). Si hubiese uracilo en vez de timina, no se podrían distinguir los uracilos verdaderos de los falsos, es decir, de los derivados de errores. Cambios químicos en el resto de bases originan bases extrañas que no pertenecen al ADN. La Uracilo-ADN glicosidasa es específica para encontrar al uracilo en el ADN y nunca lo confundirá con la timina.

Otra cuestión en los mecanismos de corrección es que los enzimas de corrección sean capaces de distinguir la hebra progenitora, que actuó como molde, de la hebra recién sintetizada. Es útil porque, si algo va mal, es más fácil decidir cual es el error: la hebra molde será la correcta. La hebra molde es reconocida porque está marcada, las adeninas están metiladas. Y tras la replicación, el ADN tarda un tiempo en metilarse.

Consecuencias de las mutaciones.

Los errores que no se han corregido y que no se van a corregir quedarán plasmados y ya no habrá posibilidades de corrección. Se ha formado ya la mutación. Esta es la forma en que se producen las mutaciones. Pero estas pueden tener diferente trascendencia. Dependerá de dos cosas: del tipo de célula afectada y del tipo de mutación.

En cuanto al tipo de célula, es importante ya que la mutación se trasmite a la descendencia, pero no a la descendencia del individuo, sino a la descendencia de la célula. Podemos hablar de mutaciones somáticas y de mutaciones germinales. Las somáticas se producen en cualquier célula que no está implicada en la reproducción. La importancia de esta mutación será a nivel de individuo, pero no se transmitirá a la descendencia. Es una de las consecuencias del envejecimiento, la acumulación de mutaciones somáticas. En cuanto a las mutaciones germinales, van a transmitirse a la descendencia. Influyen en el acervo génico de la población. Son las más importantes.

Según el tipo concreto de cambio, también podemos hablar de diferentes tipos de modificaciones en el genotipo. Vamos a hablar de las mutaciones según su trascendencia, de menos trascendentes a más trascendentes.

Por un lado hay mutaciones silenciosas, que no modifican en absoluto el fenotipo. Es decir, el cambio no provoca modificaciones en proteínas, aunque se modifica la secuencia de núcleotidos. Por ejemplo:

Mutación silenciosa

 En este caso la mutación no se manifestaría, ya que ambas secuencias codifican para el mismo aminoácido.

Por otro lado tenemos mutaciones neutras. La modificación del ADN sí va a variar el fenotipo, ero no va a variar la función de la proteína. Es decir, la modificación del ADN provoca que haya un cambio en el aminoácido de una proteína, pero este cambio no provoca cambio de función.

En el ejemplo, se cambia un aminoácido hidrófobo por otro y poseen un tamaño parecido. Puede que en este caso no haya cambio en la proteína, ya que es posible que no cambie ni la forma ni la función.

Mutación neutra

 Las mutaciones no tienen porque ser ni a favor ni en contra. Y en estos casos de mutaciones neutras, no se apreciarían cambios. De hecho, en una proteína no solo podrían ser inocuos cambios en un aminoácido. Podrían incluso cambiarse dos o tres aminoácidos sin que sucediese nada.

Hablemos ahora de mutaciones visibles, que es lo que se entiende por mutaciones propiamente dichas. Las mutaciones serán perjudiciales en la mayoría de los casos. Esto no tiene una relación directa en que la mutación se más amplia o menos. No tiene nada que ver con la cantidad de aminoácidos que se modifican. Si se modifica un solo aminoácido, pero este pertenece al sitio catalítico, podría desactivarse la proteína. Hay más probabilidad de que esto ocurra cuantos más aminoácidos se modifiquen, cuantos más aminoácidos sean modificados, más probabilidades hay de que afecten a la proteína, de que sean perjudiciales y se obtenga una proteína que no es funcional. También puede ocurrir que en el ARN mensajero, debido al cambiose bases, se obtenga una señal de parada, con lo que se formarán polipéptidos en lugar de proteínas. Las mutaciones perjudiciales van siendo eliminadas (selección natural).

También están las mutaciones beneficiosas, por ejemplo si se forma un proteína más efectiva o que crea una función nueva, por ejemplo un enzima con una especificidad distinta. En el primer caso, lo que suele suceder es que el antiguo tipo de proteína va siendo sustituida por la nueva proteína mejorada, la antigua va quedando obsoleta, la información va siendo sustituida, hablándose entonces de evolución vertical. En el segundo caso solo puede suceder que las dos proteínas coexistan, teniendo dos proteínas que nos solucionan problemas y hablándose entonces de evolución horizontal. El ejemplo más clásico de esto último es la hemoglobina, formada por dos tipos de proteínas que si bien son distintas, provienen de una proteína ancestral común. Pueden observarse familias de proteínas, comprobando como unas descienden de otras.