Virus: morfología y metabolismo básicos.

Los virus son parásitos obligados de células vivas. Para ser capaces de reproducirse, necesitan estar dentro de una célula viva. Esta célula es específica. Todo virus puede pasar por dos estados: el extracelular y el intracelular (fuera o dentro del huésped respectivamente). Solo cuando está dentro es capaz de dirigir un metabolismo.

Virus de la gripe.

Su estructura se conoce como virión. El virión tiene un tamaño de entre 0,03 y 0,3μm. Por lo tanto, solo son detectables con el microscopio electrónico. Tienen un ácido nucleico, una cápside o cubierta y en algunos casos una envoltura.

Su ácido nucleico puede ser ADN o ARN, pero nunca los dos. Tanto en un caso como en el otro, puede ser mono o bicatenario. Puede ser lineal, es decir, con los cabos libres, o circular. Protegiendo a este ADN está la cápside o cubierta protéica. Está formada por uno o varios tipos de subunidades que se depositan, llamados capsómeros. Si son iguales, ahorrará una gran cantidad de información acumulada (si solo es una proteína, solo se necesita un gen para formar la cubierta). Puede tener proteínas auxiliares o enzimas (para entrar en el huésped, por ejemplo).

Además del ácido nucléico y la cápside, puede tener una envoltura, una bicapa lipídica con sus proteínas, normalmente glicoproteínas. Los glucolípidos son idénticos a los de la célula huésped, son los de la célula del huésped que toma al salir. Las proteínas en cambio son específicas del virus, se forman con la información del virus.

Estructura de virus.

Según el tipo de cápside hay varios tipos de virus.

Los capsómeros pueden formar agrupaciones geométricas: poliédrico, más o menos esférico o helicoidalmente, dando lugar a una forma tubular o una combinación de ambos tipos de simetría.

Los capsóemeros se unen formando una geometría ecosonoédrica, es decir, dando lugar a un ecosonaedro. Un ejemplo son los adenovirus, que posee 252 capsómeros tomando esta forma. Hay dos tipos de capsómeros, los de los vértices y los de las caras:

Adenovirus.

 Hay virus que siguen una geometría helicoidal. Como por ejemplo el TMV, el virus del mosaico del tabaco. Está formado por capsómeros colocados de forma helicoidal, formando un tubo. El capsómero tiene forma más o menos cúbica y hay 16,3 capsómeros por vuelta. El ADN está “pellizcado” en la hendidura de la espiral.

Virus del mosaico del tabaco.

Existen virus que son una combinación de estos dos tipos, tienen una cápside geométrica y una zona helicoidal. Por ejemplo, los fagos de la serie T. Se trata de parásitos de Escherichia coli. Hay siete tipos diferentes de fagos de la serie T (nombrados de T1 a T7). Fago es la abreviatura de la palabra “bacteriófago”.

Fago de la serie T.

 Muchos de los virus icosaédricos poseen envoltura.

Fase vegetativa de los virus.

El material genético de los virus tiene información para todos los capsómeros, suele tener también información para algún enzima calve. Pero en general no tiene nada de información para multitud de cosas que necesita para replicarse.

Desde que el virus entra hasta que salen los viriones se le llama infección viral. Se puede llevar a cabo de maneras diferentes. Es lo que se denomina ciclo lítico.

Ciclo Lítico.

Durante el ciclo lítico el virus se reproduce, pero con muerte de la célula huésped. Vamos a verlo en el caso de los fagos de la clase T. Dentro de los fagos, cuando solo pueden realizar el ciclo lítico, se les conoce como fagos virulentos (su única opción es acabar matando la célula).

Veamos las fases.

La primera fase es la adsorción y fijación a una bacteria. Es específica, hay un reconocimiento específico. En la membrana de la célula, habrá algunos componentes que se unirán a la cola del virus. Este debe hacer actuar, tras la unión, a la lisozima. La lisozima es un enzima de la cola que ataca a la pared de la bacteria, rompiendo enlaces  glicosídicos y debilitando esta parte.

Fase de fijación.

 La segunda fase es la fase de inyección de ADN. El eje tubular se clava en la pared celular (que previamente había sido debilitada).

Fase de inyección.

 La tercera fase se denomina fase de eclipse. Durante esta no se ve ninguna cápside. El material genético se expresa dentro de la célula. Utiliza la maquinaria de la célula y sus materias primas. No se expresa de golpe, se expresa en un orden determinado. Se expresan tres bloques de genes.

Primero, los genes tempranos, que van a dar lugar a las proteínas precoces del virus. El DN se transcribe y da lugar al ARN viral. Usa los ribosomas y demás maquinaria de la bacteria. Las proteínas precoces formadas inactivan e inutilizan el ADN bacteriano para que la maquinaria trabaje solo con el virus.

Traducción de genes tempranos.

Después se expresan los genes del metabolismo del ADN. Da lugar, por un lado, a una DNA-asa vírica, una enzima que se encargará de hidrolizar el ADN de la bacteria, pero que no hidrolizará al DNA vírico. De este modo, se destruirá el ADN bacteriano. Se producirán también enzimas de replicación para el ADN viral.

Por último se expresarán los genes tardíos, que dan lunar a la formación del resto de proteínas virales, las que formarán el virión y algunas proteínas auxiliares importantes, también víricas.

Traducción de virus tardíos y replicación del ADN

La siguiente fase es la fase de ensamblaje. Se empiezan a detectar los primeros viriones hijos. Esto es entre los 10 y 20 minutos siguientes desde la entrada del fago. Es un proceso espontáneo de las distintas piezas del virión, por reconocimiento estereoepecífico entre las diferentes partes. Sigue un orden. Lo normal es que se forme por un lado la cabeza, por otro las colas y por otro las fibras. Posteriormente se van uniendo. A la cabeza se une el ADN. A la cabeza se une la cola y por último las fibras.

En este proceso intervienen las proteínas de andamiaje y las enzimas auxiliares. Son proteínas víricas necesarias para formar el virión, pero que no forman parte del virión. Hacen de andamios, sirven de moldes temporales. Las enzimas auxiliares hidrolizan algunos enlaces, etc. Pero después tampoco formarán parte del virión.

El virus no crece, se forma o no se forma. Solo posee multiplicación, pero no crecimiento.

Por último tiene lugar la fase de liberación. Conduce a la lisis de la célula huésped. Salen como entraron, ayudándose del enzima lisozima. Como ahora son tantos, entre 200 y 250 viriones hijos, destrozan lo que quedaba de la bacteria. La pared bacteriana se destruye. Al proceso se le denomina lisis bacterial. La célula muere. Y de este modo concluye el ciclo lítico de la bacteria.

Los virus que atacan a las células eucariotas poseen una fase vegetativa que no mata forzosamente al huésped. El virus puede entrar, multiplicarse y salir sin matar al huésped.

Lisogenia.

Es llevada a cabo por fagos atenuados o lisogénicos. Cuando infectan a una bacteria pueden desarrollar el ciclo lítico o usar la vía lisogénica.

En la ruta o vía lisogénica el ADN vírico se integra covalentemente en un punto fijo o punto de inserción en el cromosoma bacteriano. En este caso se habla de provirus o, en el caso de virus bacterianos, profago. A la bacteria con el ADN vírico insertado se le denomina bacteria lisogénica. El virus está en estado latente. Prácticamente no se expresa. Cuando la bacteria se duplica, el ADN se replica y las células hijas reciben al profago.

Primeras fases de la lisogenia.

Tras unas cuantas generaciones, con una frecuencia muy baja (alrededor de una por cada millón) el profago se separa del cromosoma bacteriano y entra en ciclo vírico o fase vegetativa.

Esta lisis sucede espontáneamente, pero también se puede hacer que la lisis se provoque. Por ejemplo, con luz ultravioleta.

Un ejemplo de virus de este tipo es el fago λ, que ataca a las Escherichia coli de la cepa K 12 (λ).

Si la bacteria tiene un profago, tiene inmunidad sobre otros fagos de esa especie y sobre algunos afines.

La lisogenia no se da solo en bacterias. El virus del Herpes simple, por ejemplo, que suele aparecer con catarros y provocar fiebres, es un ejemplo de virus lisogénico de eucariotas.

¿Por qué sigue la vía lisogénica o el ciclo lítico? Cuando el ADN de un fago como el del fago λ entra en la bacteria, se encuentra en forma lineal, pero tiene los extremos cohesivos, es decir, tiene unos tramos al final que son monohebra y complementarios con los del otro lado.

ADN del Fago (liean y ciclado).

Cuando se forman las proteínas precoces es cuando va a decidir el camino. El sistema de regulación es muy complicado. En esencia, se debe a dos proteínas reguladoras, la proteína Cro y el represor o proteína represora λ (en realidad son tres proteínas). Cada una inhibe la formación de la otra. Solo hay dos situaciones estables.

Cuando predomina la proteína Cro, en cuyo caso comenzará el ciclo lítico. Esto puede suceder cuando el fago acaba de entrar o bien indirectamente en una bacteria lisogenizada, en la que se rompa el equilibrio, cuando el profago se separa.

Si domina la proteína represora λ la proteína Cro no se va a sintetizar. El represor λ impide la transcripción de prácticamente todos los genes del virus. Solo se transcriben los represores y las proteínas que permiten la integración.

Si el equilibrio se desplaza hacia la proteína represora y se establecerán, por lo tanto, las relaciones lisogénicas.

Inserción del ADN vírico en el ADN bacteriano.

El ADN del virus se integra entre dos operones, ente dos genes relacionados con una vía metabólica. Para la integración se necesitan un conjunto de proteínas que formarán un complejo denominado Integrasa. Se integra en un sitio y solo en uno. El ADN del virus se rompe por un sitio específico. La integrasa rompe las dos hebras de ADN y las une.

Se sabe que el estado fisiológico de la bacteria influye sobre si se va a liberar o no el profago. No se sabe bien como. Si sucediera, el complejo escisionasa + integrasa provocaría la liberación del fago. Deben actuar ambos enzimas, ya que la escisionasa por si misma no reconoce la parte del ADN por la que debe cortar.

El que se siga un camino u otro no es cuestión de azar. Existe alguna razón, aunque no se conoce muy bien. Cuando un cultivo es joven y se reproduce rápido, la relación lisogénica se mantiene estable. Si las bacterias envejecen o se reproducen a menor ritmo, facilitan que se rompan las relaciones lisogénicas.

Estos fagos lisogénicos intervienen en el fenómeno de la transducción, que es uno de los mecanismos de la replicación.

La transducción es el paso de material genético de una bacteria a otra sin que se haya producido contacto. Se lleva a cabo por medio de un fago atenuado.

Supongamos que tenemos un fago λ en una relación de lisogenia. Cuando se produce la escisión para liberarse, por error puede llevar parte del material genético de la bacteria. Hay una liberación errónea y se formará un fago λ con un gen que no tenía antes.

Trasducción.

No es forzoso que el fago pierda parte de su información. Puede coger su ADN y algún gen de la bacteria sin necesidad de soltar parte de sus genes.

Cuando finaliza el ciclo lítico, tendremos algunos viriones de fago λ bio + que tendrán genes de más. Al infectar nuevas bacterias, si esta bacteria receptora no tenía la capacidad que codifica el gen (el gen bio en este caso), ahora adquirirá esa capacidad, adquirirá este nuevo gen.

Transición especializada.

Esto se denomina transición especializada, ya que los genes que se transducen son siempre los mismos, es decir, los próximos a los puntos de inserción. Tanto la bacteria dadora como la aceptora tendrían que mantener relaciones lisogénicas con el fago.

Hay otro tipo de transducción, la generalizada. En esta, se transduce cualquier gen de la bacteria dadora. La dadora no puede ser lisogénica, la aceptora si. La bacteria dadora no mantiene relaciones lisogénicas, solo ciclo lítico. Pero durante este ciclo lítico, por error, algún virión adquiere genes del ADN bacteriano y se lo lleva a otra bacteria, la aceptora, con la que mantendrá relaciones lisogénicas.

Virus con ARN.

Tienen que resolver cómo replicarse por si mismos. Las células huéspedes no tienen enzimas capaces de replicar el ARN. Según el tipo de ARN, cómo se lleve a cabo la síntesis del mensajero, cómo se replica el material, va a haber tres tipos de virus con ARN:

• ARN (+).
• ARN (-).
• ARN (±).

Se entiende como hebra positiva aquella que puede ser un ARN mensajero. Su complementaria es la hebra negativa. Cuando se complementa con un ADN también se considera hebra negativa.

Los cuatro tipos de virus pueden tomar dos estrategias, o bien usar una ARN replicasa o bien usar la transcriptasa inversa. El virus debe poseer la información para seguir por uno de estos dos caminos.

Virus con ARN replicasa.

Los hay de los tres tipos. La ARN replicasa es una ARN polimerasa ARN dependiente. Es decir, sintetiza un polímero de ARN, siempre en la dirección 5’→3’ complementaria a una hebra patrón de ARN.

Son específicas respecto al ARN patrón que replican, replican los ARN víricos. Los virus solo la usan, por lo tanto, para replicarse a si mismos. Un ejemplo, el virus de la polio. Este es un virus con RNA +. Como puede actuar como mensajero, irá directamente a los ribosomas. Lo primero que hará es sintetizar la RNA replicasa.

Virus con ARN replicasa

En resumen, la hebra + sirve de mensajero para sintetizar la ARN replicasa y de molde para fabricar los ARN  -. Posteriormente los ARN – servirán de molde para fabricar multitud de hebras de ARN + que se usaran como mensajeros para sintetizar las proteínas víricas y que además serán las que se empaquetarán con estas proteínas.

Es decir, tras la traducción se produce el ensamblaje y la salida del virus de la célula.

En el caso de los virus con ARN – como por ejemplo el virus de la gripe, el virión debe llevar dentro la ARN replicasa, ya que el ARN – no puede actuar como mensajero.

Virus con ARN-

En cuanto a los virus de ARN de doble hebra, es decir, ARN ±, una vez ha entrado en la célula se obtendrán, en un principio, solo copias de la hebra +, usando como molde la hebra -. De este modo, el ARN + se usa como mensajero para la traducción de proteínas víricas y posteriormente como molde para obtener las hebras de ARN -. Cuando se complete, el ARN + y el ARN – formarán hebras dúplex y se producirá el ensamblaje.

Virus con ARN +/-

Retrovirus: virus con transcriptasa inversa.

El resto de virus con ARN son los retrovirus, que tienen transcriptasa inversa. El ARN debe ser transformado en ADN. Todos los virus de este tipo poseen una hebra monocatenaria de ARN +.

El enzima transcriptasa inversa suele ir ya fabricado dentro del virión y hace tres acciones seguidas:

Virus con transcriptasa reversa o inversa.

1. Sintetiza la hebra de ADN – a partir de la hebra de ARN +. Es decir, actúa como ADN polimerasa ARN dependiente.
2. Hidroliza la hebra de ARN + original que tendría el virión.
3. Sintetiza el ADN + a partir de la hebra de ADN -. Es decir, actúa como una ADN polimerasa ADN dependiente.

Estas tres acciones son catalizadas por la transcriptasa inversa. En realidad no se trata de un solo enzima, sino de un complejo multienzimático.

Fotosíntesis

Introducción.

La energía de la luz acaba transformándose en la energía de los compuestos orgánicos. Estos serán utilizados como hemos visto en temas anteriores, bien directamente o indirectamente mediante cadenas trópicas.

La energía de la luz es la energía básica. Todos los microorganismos acaban dependiendo de ella.

El la fotosíntesis habrá una serie de procesos redox con transferencia de electrones y una fosforilación acoplada, es decir, reacciones equivalentes a las catabólicas. Además, los cloroplastos son parecidos en cierta medida a las mitocondrias.

Donde D es el dador, que se oxida y A el aceptor, que se reduce.

En la fotosíntesis, considerada globalmente, se va en contra de gradiente, se pasa de una energía más baja a una energía más alta:

En todos los eucariotas fotosintéticos y las cianobacterias el dador de electrones será el agua, que se transforma en O2 y el aceptor será el CO2 que se transformará en un hidrato de carbono.

Los dos oxígenos dependen del agua, el agua rompe la molécula de agua desprendiendo los oxígenos. El oxígeno final de las reacciones se desprende.

En otras bacterias menos evolucionadas el donante no es agua, sino ácido sulfhídrico (SH2). Los foto-organotrofos o fotoheterótrofos tendrían como donador un compuesto orgánico, como el lactato:

2 SH2 + CO2 → [CH2O] + H2O + 2 S

2 Lactato + CO2 → [CH2O] + H2O + 2 Piruvato

La mayor parte de las plantas superiores pueden tener un aceptor variable. Por ejemplo, además de CO2, pueden tener como aceptores nitratos, que se reducen a amoniaco.

Fotosíntesis y cloroplastos.

En los eucariotas la fotosíntesis tiene lugar en los cloroplastos, que en ciertos aspectos son orgánulos parecidos a las mitocondrias.

Estructura de un cloroplasto

En la fotosíntesis podemos diferenciar dos fases, la fase luminosa y la fase oscura. El esquema de la fotosíntesis sería como sigue:

Fases de la fotosíntesis.

Fase luminosa.

¿Cómo se acopla la energía de la luz? La luz se recibe en forma de cuantos de luz, con una longitud de onda de entre 400 y 700nm. Es atrapada por los pigmentos. Sobre todo en las clorofilas, aunque también encontramos otros como los carotenoides, de color rojizo y las xantofilas de color amarillento.

Hay varios tipos de clorofila. Todos los pigmentos tienen una característica en común: enlaces dobles y simples alternados.

Clorofila.

La fórmula de la clorofila es aproximadamente:

Fórmula general de la clorofila

Encontraremos la clorofila en la membrana del tilacoide y la estructura de esta membrana sería como sigue:

Estructura de la clorofila en el tilacoide.

La energía de la luz es recogida por los electrones π, que son los electrones más móviles, cambiando de enlace en el anillo. Son una serie de electrones móviles que no tienen posición fija. Se excitan con facilidad, son capaces de cambiar de órbita con un umbral menor de energía.

Fotosistemas.

Cada pigmento tienen unas longitudes de onda, cada pigmento recoge un tipo de radiación de luz, unas longitudes de onda determinadas. Los pigmentos se encuentran asociados en los fotosistemas, que son de dos tipos y que se denominan fotosistema I (PS I) y fotosistema II (PS II).

El fotosistema I recoge luz con una longitud de onda (λ) menor o igual a 700nm. El fotosistema II recoge luz con longitud de onda (λ) menor o igual a 680nm.

Ambos fotosistemas están en las células eucarióticas vegetales y en cianobacterias. El resto de seres vivos solo tienen el fotosistema I.

La composición exacta del fotosistema cambia de una planta u organismo a otro, pero en general podemos representarlo de la siguiente forma:

Fotosistema.

Cualquiera de las moléculas del fotosistema puede captar la luz.

Cuando incide la luz, un electrón π va a pasar de su orbital normal a un orbital de mayor nivel energético.

Cambio de energía de los electrones del fotosistema

El estado excitado es muy inestable, dura solo milésimas de segundo (del orden de 10-6 segundos).

Si el pigmento estuviese aislado, volvería a su estado básico y se perdería como calor o como una luminiscencia. En el fotosistema otro átomo próximo aprovechará esta energía para excitar otro electrón. Y así sucesivamente.

Transferencia de energía entre electrones.

Se transfiere energía por todo el complejo antena. Así hasta que llega a la molécula que forma el centro de reacción y que es capaz de pasar el electrón a un aceptor. En ese momento se perdería el electrón. Y ahí comenzaría la cadena de transporte, que va a funcionar con energía redox.

El centro de reacción se llama P700 en el fotosistema I y P680 en el fotosistema II.

¿Por qué toda la energía termina en el centro de reacción? El motivo es que el P700 y el P680 son los que tienen el nivel de excitación más bajo, con lo que se forma un efecto embudo. Cada molécula transfiere la energía a una molécula que necesita una energía menor o igual. Y de este modo acaba llegando al centro de reacción.Al perder el electrón, el centro de reacción adquiere carga positiva:

P700/P680 + A → (P700/P680)+ + A-

Como adquiere carga positiva, arrancará los electrones al dador:

(P700/P680)+ + D → P700/P680 + D+

Si sumamos ambas reacciones, el resultado total sería:

Fotosistemas en eucariotas y cianobacterias.

El fotosistema I y el fotosistema II trabajan a la vez. Va a haber un transporte de electrones desde el agua (dador) hasta el NADP+ (aceptor), pasando por el fotosistema I y el fotosistema II.

Esto sucede en los centros de potenciales de reducción.

Resumen de los fotosistemas.

Del P-680 el electrón pasará al aceptor primario, el XII, dentro del fotosistema (posiblemente será más de uno). El primer aceptor fuera del fotosistema es la plastoquinona (PQ), que es un compuesto liposoluble, parecido a la ubiquinona, con la misma manera de oxidarse y reducirse:

PQ + 2e- + 2H+ D PQH2

Como vemos, se necesitan dos electrones. El P-680 queda en forma positiva y le arranca los dos electrones al agua. La transformación no es directa, hay un sistema de transporte compuesta por uno o probablemente varios transportadores. El P-680 se encuentra dentro del fotosistema, mirando a la cavidad del tilacoide, mientras que el agua se encuentra fuera.

La reacción global del fotosistema II es como sigue:

Debemos tener en cuenta que el PQH2 es un reductor débil y el O2 es un oxidante fuerte.

En el fotosistema I, al mismo tiempo, pasará algo parecido. Un fotón excita a los pigmentos, el P-700 pierde los electrones que llegan al aceptor primario, el XI, con un valor de potencia muy negativo (incluso menor de -0,6).

Los dos electrones pasan al Fd (Ferredoxina), una proteína con hierro y azufre. Funciona como el sistema redox (Fe2+/Fe3+). Es hidrosoluble y periférica, mirando hacia el estroma.

Como el P-700 queda con carga positiva, le quita los electrones a un dador que en este caso va a ser la PC (Plastocianina). Se trata de una proteína con cobre (Cu+/Cu2+). Se trata de una proteína hidrosoluble y periférica, que mira a la cavidad del tilacoide.

Por lo tanto, la reacción global en el fotosistema I sería:

El PC es el oxidante débil y el Fd el reductor fuerte.

Ahora se crea un flujo de electrones desde el reductor débil (PQH2) hasta el oxidante débil (PC con Cu2+) a través del complejo b6-F, que tiene cuatro componentes, el citocromo b6, el citocromo F6 y otros dos que tienen cierta similitud con el QH2-citocromo C reductasa. A nivel de esta transferencia de electrones hay una diferencia de Eº que dará teóricamente para generar dos moléculas de ATP. Aunque en realidad esta síntesis no tiene lugar en este punto, la obtención de los dos ATP se consigue gracias a esta energía.

Por otro lado, la Ferredoxina transfiere los electrones al NADP+ por medio de una reductasa (RED) que se denomina ferredoxin NADP+ oxirreductasa. La reacción catabolizada por este enzima sería:

2Fd(Fe2+) + NADP+ H+ " 2Fd(Fe2+) + NADPH

Haciendo un resumen, ocurren dos procesos, la fotolisis del agua y la fosforilación:

Fotólisis del agua

Fosforilación:

En un esquema:

Fosforilación

Flujo de electrones.

Existe la posibilidad de una fosforilación cíclica, gracias a la cual no se va a consumir agua y no se va a desprender oxígeno. Solo se va a sintetizar ATP.

Flujo de electrones.

Este proceso sucede, por ejemplo, cuando no hay NADP. Si no hay NADP se debe a que hay mucho NADPH. Eso se puede deber a que la fase oscura no está teniendo lugar con la rapidez con la que debería. Y esa falta de velocidad ocurrirá cuando no falte ATP. Y con este flujo cíclico resuelve el problema, ya que se sintetiza el ATP que necesitamos. Cuando consigamos suficiente ATP volveremos a tener NADP y el flujo acíclico seguirá su curso.

La cadena de transporte fotosintética.

La cadena de transporte tiene lugar si la membrana del tilacoide es cerrada, de forma que se crea un gradiente. Las proteínas deben tener una colocación para que las reacciones estén bien orientadas.

Cadena de transporte fotosintética.

Como se muestra, va a haber también un flujo protones. Se puede explicar por los mismos mecanismos que en la mitocondria. Pero en este caso, el mecanismo de asas redox proporciona muy buena explicación, funciona adecuadamente.

Las reacciones globales del proceso serían como sigue (teniendo en cuenta cuáles se realizan en el interior o en el exterior del tilacoide):

Como vemos, se nos forma un gradiente electroquímico de protones, ya que se bombean cuatro protones hacia el intratilacoide.

Si vemos un dibujo:

Flujo de protones en el tilacoide

La membrana externa del cloroplasto no deja pasar protones, pero si deja pasar otros iones, como el Cl-, que tienden a equilibrar las cargas. El gradiente de voltaje es my pequeño. Pero la diferencia de pH supone un gradiente grande. El gradiente de pH es importante y aunque también hay un gradiente de Cl-, este no influye.

Es posible que para generar un ATP se requieran tres protones.

Todo parece funcionar igual que en la mitocondria.

Todos los tilacoides suelen estar interconectados unos con otros. Por eso el pH interior de todos ellos será único. De esta forma, las ATP sintetasas podrán estar separadas unas de otras, colocándose en los huecos libres que quedan en los tilacoides.

Veámoslo en un esquema:

La ATPasa también puede funcionar al revés. Si hay mucho ATP, podría bombear protones hacia el interior de tilacoide.

En resumen, las reacciones químicas podrían resumirse de la siguiente forma:

El funcionamiento de los fotosistemas en las bacterias es menos conocido y algo diferente. El donador de electrones nunca puede ser el agua, tiene un potencial más alto.

Flujo de electrones y protones en los fotosistemas

Fase oscura.

Las reacciones químicas que tienen lugar conforman un ciclo denominado Ciclo de Calvin.

Tenemos ATP y NADPH obtenidos durante la fase luminosa. Ahora debe fijarse el CO2 mediante una reacción clave catalizada por el enzima difosforibulosa carboxilasa. Se encuentra en la membrana del tilacoide, periféricamente, sobresaliendo hacia la matriz del cloroplasto. Es uno de los componentes mayoritarios de la membrana. En su formación no solo se usa información del núcleo, algunas subunidades vienen codificadas por el ADN del cloroplasto.

El enzima cataliza la siguiente reacción (es la reacción de fijación del dióxido de carbono a la ribulosa 1, 5 difosfato, que se forma por fosforilación de la ribulos 5 fosfato, con consumo de ATP).

Ciclo de Calvin: primera fase.

Las reacciones continuarían de la siguiente forma:

Ciclo de Calvin: segunda fase.

Como indicamos, a partir del GAP se puede llegar hasta la glucosa, por el camino inverso a la glucólisis, aunque cambian algunos enzimas de reacciones irreversibles.

Existen muchos enzimas que extraen el GAP al citoplasma y allí será transformado en glucosa. No es forzoso que la glucosa se forme en el citoplasma.

A partir de la glucosa, se consigue sacaros, que es su azúcar de transporte y en ocasiones de almacenamiento. Debemos tener en cuenta que, a diferencia de los animales, que en la sangre transportan glucosa, los vegetales transportan sacarosa. Además, la glucosa le sirve para fabricar celulosa, que constituye las paredes celulares y almidón, que es una sustancia de reserva. El almidón, en ocasiones, queda dentro del cloroplasto, apareciendo en forma de granos.

En la fotosíntesis y a partir del 3 fosfoglicerato, se forman también ácidos grasos, aminoácidos y otras sustancias. La glicerina se obtiene a partir del GAP. Con estos dos compuestos ya obtenemos grasas. Por lo tanto, la fotosíntesis es la vía de entrada de todos estos compuestos celulares.

En estas reacciones se aprecia la razón de que se necesite el NADPH y el ATP, son necesarios para que estas reacciones tengan lugar.

Para fijar un CO2 se consumen 3 ATP y 2 NADPH. Pero además consumimos una ribulosa. Si no se regenerase, el proceso no se volvería a producir. Con parte del GAP debemos regenerar la ribulosa. El resto, será la ganancia neta del proceso.

Resumen final de la fase oscura.

Por cada glucosa necesitamos 24 electrones y 48 protones.

Reacción final de la fase fotosíntesis.

En la fase oscura:

En la fase luminosa:

Si sumamos ambas reacciones obtenemos que:

Con un ΔG’º=+686Kcal/mol.

La difosfo-ribonucleosa carboxilasa es estimulada por un pH elevado, una concentración elevada de NADPH, así como los niveles de Mg2+, que aumentan cuando incide la luz debido a la redistribución iónica (al entrar protones, la concentración de Mg2+ aumenta en el estroma).

Citoesqueleto: Microfilamentos.

Células: marcaje de microfilamentos

Son el tipo de filamento más pequeño. Está constituido por subunidades de actina. En las células musculares, sobre todo en el músculo estriado, hay una disposición muy ordenada del citoesqueleto, sobre todo de las fibras de actina y de miosina, lo que hace que se constituya un citoesqueleto muy fuerte (que no se pierde en el proceso de fijación) y relacionado con las reacciones que permiten el movimiento.

Los microfilamentos forman una trama que es muy frecuente en las células. Constituye la estructura de esterocilios, microvellosidades, etc.

Como indicábamos, están constituidos por actina. Es una proteína con un elevadísimo grado de conservación evolutiva. Aparece de dos formas en la célula, con la forma G y con la forma F. La G es la forma en la que se encuentra como reservorio. La F es la forma en la que se encuentra al formar los microtúbulos. La forma F (de filamentosa) es la polimerización de la forma G (globular). Y la actina está continuamente variando estre estos dos estados.

La forma G suele venir asociada a una molécula de ATP. Se puede inducir el paso de actina G a actina F “in Vitro” y conseguimos que el líquido en el que teníamos aislada la actina G se vuelva viscoso. El ATP se degrada en el proceso, pero se sabe que la polimerización en global no necesita consumir ATP. Esto se demuestra porque, si añadimos ADP a la forma G, sigue produciéndose polimerización aunque del ADP no le sea posible obtener energía. La asociación con el ATP se debe a otros fenómenos, como el recambio de la actina globular.

Modelo de filamento de actina.

 En el citoplasma ocurre con los microfilamentos algo parecido a lo que ocurre con la tubulina, hay un polo (+) y un polo (-). En la zona (+) hay más adicción. Se logra un efecto a modo de cadena de tanque, se van desprendiendo subunidades por el lado (-) y uniendo por el lado (+), apareciendo una rotación que permite mover elementos por el citoplasma. Para este movimiento necesitamos energía (de lo contrario, violaríamos las leyes de la termodinámica). Los filamentos de actina activan una zona de nucleación. Debe partirse de un origen de tres moléculas de actina que forman inicialmente la zona de nucleación, el lugar donde comienza el proceso. Para formarse el punto necesitamos una concentración mínima de actina G, sin la cual el proceso no funciona.

La asociación de los microtúbulos con otros elementos es muy variad. No todos los fenómenos mediados por los filamentos de actina se pueden explicar por procesos o fenómenos de polimerización y despolimerización. Se ha visto que hay relación de actina con otras proteínas. Las proteínas que se encargan de inducir la formación de tramas son denominadas gelificantes. Se asocian entre ellas y la más conocida es la filamina, que se estructura formando dímeros. Dan mayor consistencia a los microfilamentos y permiten cruzamientos. También hacen las veces de membrana, se se hace una presión fuerte, es dúctil y se deforma, volviendo por si solo a la posición original. Pero si se hace presión continuiada y suave, se deforma perdiendo la elasticidad.

Otras proteínas asociadas a los microfilamentos son las que se encargan de estabilizarlo, uniéndose a el y manteniendo su estabilidad. El ejemplo más típico es la tropomiosina, relacionada con la contracción muscular.

Proteínas asociadas a los microfilamentos.

Otro tipo de proteínas son las fragmentadotas. Inducen una despolimerización, rompiendo la actina F y transformándola en actina G.

También existen proteínas antipolimerizantes, que se asocian a la actina G impidiendo que se polimerice y pase a formar actina F. Esto es importante para tener reservorios de actina, de forma que pueda fabricarse y acumularse sin que polimerice.

Hay proteínas que median la unión con la membrana plasmática. Un ejemplo es la espectrina, que actúa como elemento intermediario.

Otras inducen el desplazamiento de los filamentos. Por ejemplo la miosina mueve unos filamentos respecto a otros (contracción muscular, por ejemplo).

También las hay que inducen el desplazamiento de vesículas sobre la actina. Un ejemplo es la minimisina. Se postula la existencia de proteínas de tipo capuchón cuya función sería estabilizar el extremo (+) del filamento, aunque no están completamente identificadas.

Los movimientos de los filamentos de actina son fácilmente observables en las células musculares gracias a su ordenación. Pero en otros tipos celulares forman una maraña en la que es difícil apreciear este tipo de procesos.

Funciones de los microfilamentos.

Podemos agrupar las funciones en dos grandes tipos, las que tienen que ver con la contracción celular y la que tiene que ver con la corteza citoplasmática. En cuanto a la corteza citoplasmática, podemos dividir en tres tipos, mantenimiento de la disposición de la membrana, proyección de la membrana plasmática e intrusión de la membrana plasmática.

Estructura de actina y miosina en las células musculares.

 En cuanto a la contracción celular, hablaremos de la contracción en tipos celulares genéricos. Se ha identificado una proteína equivalente a la miosina del músculo, denominada minimiosina, que facilita el proceso con consumo de ATP. Presenta una zona de cabeza con una cola asociado. La minimiosina se asocia en dímeros. Estos dímeros establecen una relación entre los filamentos de actina. Se desplazan a través de los microtúbulos consumiendo ATP.

Microfilamentos y contracción o movimientos celulares.

 Este modelo permite explicar sistemas que no están relacionados con la contracción, sino con el desplazamiento de estructuras sobre el filamento, similar al que vimos en los microtúbulos. Este proceso se ha visto en algas plinucleadas, en las que se aprecia movimientos del citoplasma alrededor de una vacuola. Los filamentos de actina están medianamente ordenados en estas células y marcan las direcciones de las corrientes del citoplasma. Y el proceso está mediado por la minimiosina.

Movimientos por el citoplasma mediados por microfilamentos

Como puede verse en los esquemas, la cabeza de la minimiosina tiene afinidad por la actina. En cambio la cola tiene afinidad bien por ella misma, bien por la unión a otra minimiosina mediada por otra proteína, bien por la membrana plasmática.

Pasemos ahora a hablar del mantenimiento de la disposición de la membrana (correspondiente a la corteza plasmática). La estructura más estudiada es la del eritrocito de mamíferos, con su morfologíaa de disco bicóncavo. Su morfologíaa varía en algunos sitios, dependiendo del grosor del capilar por el que se mueva. Su morfología no es la que tendría de forma natural, ya que debería ser estérico y se debe, por lo tanto, a la acción de los microfilamentos.

Es importante la espectrina, que está relacionada con la actina. Existen otras proteínas que también se relacionan directa o indirectamente de la actina. Todo el conjunto se forma durante el proceso de maduración y ayuda a mantener la estructura.

Filamentos de actina en uniones adherentes.

 Otro ejemplo de mantenimiento de la disposición son las microvellosidades. Presentan un armazón de filamentos de actina. Hay una zona electrondensa en la zona apical, así como puentes entre los filamentos de actina y zonas de conexión con la membrana plasma´tica. En la base encontramos un sistema de anclaje con otros filamentos de actina y filamentos intermedios.

Estructura de los microfilamentos en microvellosidades.

 Los filamentos que se unen a la membrana plasmática y a los filamentos de actina son moléculas de minimiosina. Se pensaban que servían solo de anclajes, pero hoy se postula que hay más una renovación continua de la membrana de las microvellosidades. Es decir, se recicla la membrana. En las microvellosidades intestinas se va desprendiendo al exterior, se digiere y de esta forma hay una renovación contínua. Y son las microvellosidades las que provocan estos movimientos de la membrana. Del complejo de material electrondenso de la zona apical no se tiene demasiada información.

Micrografía electrónica de microvellosidades. Se aprecian microfilamentos.

 Con respecto a los fenómenos de extrusión e intrusión de la membrana, se han realizado estudios en cultivos de fibroblastos. Se observa que están unidos al medio extracelular por zonas puntuales. Se extruye la membrana en estas zonas de unión. En el medio extracelular hay una proteína denominada fibronectina y a ella se une un receptor. El extremo (-) de la fibra de actina tiene unida una proteína capuchón. Por debajo del receptor, asociada a esta unión de membrana, encontramos la talina y la vinculina. Es decir, la fibronectina está unida a un rceptor y el receptor se une a la talina que a su vez está unido a la vinculina.

Extrusión de membrana mediado por microfilamentos.

Cabeza de espermatozoide con acrosoma

En los espermatozoides también encontramos procesos de extrusión de membrana. Al legar al óvulo, en algunas especies, al espermatozoide le sale una prolongación “a modo de rompa” que llega al óvulo y que se denomina filamento acrosómico. En la cabeza, antes de llegar al núcleo, encontramos actina en forma globular, bloqueada or proteínas. Al llegar al óvulo tiene lugar una variación del pH, que hace que se libere actina G de las proteínas que estaban bloqueando a la actina. Se polimeriza como actina F produciéndose el alargamiento (formación del filamento acrosómico).

En la fagocitosis hay una polimerización de filamentos de actina. En fenómenos de desplazamento por espinas o filopodios también. Se da una polimerización a modo de caden de tanque. Para comprobar el mecanismo se han realizado estudios con actina G fluorescente y anulando la fluorescencia en una zona mediante un láser. Puede comprobarse como esa zona sin fluorescencia se va desplazando.

Movimiento de membrana y microtúbulos: formación de filópodos