69
1 BIOLOGIA CEL·LULAR Tema 1:Origen evolutiu de les cèl·lules. 1.1- Molècules prebiòtiques. Catàlisi i auto-replicació. Origen de les membranes. Podem observar en els éssers vius dos característiques ben contraposades com són la uniformitat i la diversificació. Aquesta uniformitat es concreta en la composició química (tots els éssers vius comparteixen l’ús de molècules inorgàniques com són l’aigua o els ions, i molècules orgàniques com són els principis immediats), l’organització i estructura biològica (en tots els organismes la unitat bàsica és la cèl·lula), i la fisiologia (el funcionament dels organismes és similar, ja que tenen la mateixa bioquímica i el mateix codi genètic). La diversificació dels éssers vius resulta evident en la gran varietat d’espècies existents (4x10 6 ), que es divideixen en bacteris, protozous, vegetals i animals. La uniformitat existent suggereix el fet que totes les espècies tenen un origen comú, és a dir, que tots provenen d’una cèl·lula ancestral de la que en van anar sortint variants. Es considera que la primera cèl·lula va sortir a partir d’un procés d’evolució química, i que més tard va esdevenir biològica. Evolució química: En els temps prebiòtics, previs a la aparició de la vida (4,6.10 9 ), hi havia una atmosfera reductora, és a dir sense oxigen. Estava composta de hidrogen, nitrogen, diòxid de carboni, metà, amoníac, vapor d’aigua i alguns gasos nobles com l’heli i el neó en baixes concentracions, i algunes altres molècules. També cal destacar la presència dels raigs ultraviolats, ja que no hi havia la capa d’ozó. Les erupcions volcàniques, les pluges torrencials, una gran quantitat de tempestes i descàrregues elèctriques dels llamps, van fer que les molècules esmentades, que en condicions normals són poc reactives, poguessin reaccionar entre elles. Tal i com es va demostrar en el experiment de Miller i Urey (1953), on en el laboratori es van reproduir les condicions inicials de la terra i es va obtenir una síntesi abiòtica de matèria orgànica a partir de matèria inorgànica. Es tractava de petites molècules orgàniques, que se’n produïen poques però en gran quantitat. Per reacció entre aquestes noves molècules orgàniques, s’obtenien monòmers com monosacàrids, àcids grassos, aminoàcids i nucleòtids. L’atmosfera amb el temps va passar de ser reductora a ser oxidant amb el pas de molts anys.

Biologia Cel·lular

  • Upload
    xavier

  • View
    951

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Biologia Cel·lular

1

BIOLOGIA CEL·LULAR

Tema 1:Origen evolutiu de les cèl·lules. 1.1- Molècules prebiòtiques. Catàlisi i auto-replicació. Origen de les membranes. Podem observar en els éssers vius dos característiques ben contraposades com són la uniformitat i la diversificació. Aquesta uniformitat es concreta en la composició química (tots els éssers vius comparteixen l’ús de molècules inorgàniques com són l’aigua o els ions, i molècules orgàniques com són els principis immediats), l’organització i estructura biològica (en tots els organismes la unitat bàsica és la cèl·lula), i la fisiologia (el funcionament dels organismes és similar, ja que tenen la mateixa bioquímica i el mateix codi genètic). La diversificació dels éssers vius resulta evident en la gran varietat d’espècies existents (4x106), que es divideixen en bacteris, protozous, vegetals i animals. La uniformitat existent suggereix el fet que totes les espècies tenen un origen comú, és a dir, que tots provenen d’una cèl·lula ancestral de la que en van anar sortint variants. Es considera que la primera cèl·lula va sortir a partir d’un procés d’evolució química, i que més tard va esdevenir biològica. Evolució química: En els temps prebiòtics, previs a la aparició de la vida (4,6.109), hi havia una atmosfera reductora, és a dir sense oxigen. Estava composta de hidrogen, nitrogen, diòxid de carboni, metà, amoníac, vapor d’aigua i alguns gasos nobles com l’heli i el neó en baixes concentracions, i algunes altres molècules. També cal destacar la presència dels raigs ultraviolats, ja que no hi havia la capa d’ozó. Les erupcions volcàniques, les pluges torrencials, una gran quantitat de tempestes i descàrregues elèctriques dels llamps, van fer que les molècules esmentades, que en condicions normals són poc reactives, poguessin reaccionar entre elles.

Tal i com es va demostrar en el experiment de Miller i Urey (1953), on en el laboratori es van reproduir les condicions inicials de la terra i es va obtenir una síntesi abiòtica de matèria orgànica a partir de matèria inorgànica. Es tractava de petites molècules orgàniques, que se’n produïen poques però en gran quantitat. Per reacció entre aquestes noves molècules orgàniques, s’obtenien monòmers com monosacàrids, àcids grassos, aminoàcids i nucleòtids. L’atmosfera amb el temps va passar de ser reductora a ser oxidant amb el pas de molts anys.

Page 2: Biologia Cel·lular

2

Les molècules més senzilles es devien polimeritzar per reacció entre elles: Aminoàcids � Polipèptids � Proteïnes (enllaç peptídic)* Nucleòtids � Polinucleòtids � Àcids nuclèics ( RNA i DNA) (enllaç fosfodiester)* Monosacàrids � Polisacàrids � Glúcids (enllaç glucosídic) Àcids grassos � Lípids Molècules orgàniques senzilles (monòmers) � macromolècules orgàniques (polímers) (*): Constituents més importants de les cèl·lules actuals des del punt de vista evolutiu. En medi aquós i sota l’acció catalítica d’algunes argiles, les molècules senzilles que es trobaven en grans concentracions, això s’anomena “caldo” o brou de cultiu; s’hi afavoriren les interaccions moleculars durant una llarga etapa de la evolució química. El RNA va ser el primer material genètic, ja que amb les seves propietats genètiques i catalítiques, afavoria alhora la transferència d’informació de la cèl·lula i la catalització com una proteïna enzimàtica. Per tant era més efectiva i senzilla en les activitats esmentades. El RNA va originar en primer lloc proteïnes i després ADN. La replicació de RNA és més senzilla que la del DNA, que requereix l’actuació de molts enzims diferents, mentre que el RNA no tants. Per tant inicialment era preferible el RNA com a material genètic per la seva versatilitat. Més endavant un cop sorgeix el DNA, substitueix el RNA perquè és molt més estable al tenir dos cadenes que no pas una, per tant amb menys facilitat per les mutacions. Evolució biològica:

1. L’autoreplicació dels àcids nuclèics ( inicialment el RNA primitiu). El RNA es va anar replicant, formant nous RNA que també tenien la capacitat d’autoreplicar-se. En aquest procés de replicació es van produir errors de còpia, van formar altres models, aquests errors també es van anar replicant. Entre aquestes variants de RNA va donar-s’hi la selecció natural, que va afavorir els models més adaptats de RNA fins arribar als que tenim actualment, el de transferència, missatger i ribosòmic.

2. La síntesi proteica controlada pels àcids nuclèics va originar el

codi genètic, és universal per a tots els éssers vius, i és la justificació de l’origen comú de totes les espècies.

3. L’origen de les membranes va ser inicialment una separació que contenia en el seu interior una barreja de molècules replicants i proteïnes. Aquestes van donar lloc a vesícules tancades en medi aquós, anomenades proteinoids o coscervats. Se suposa que les primers membranes estaven constituïdes per molècules antipàtiques, com els fosfolípids, que s’autoensamblaven en forma d’estructures de bicapa. Això és degut a que aïllen dos medis aquosos, per tant calen dos parts hidròfiles per les parts interiors i exteriors, amb les seves cues hidròfobes amb afinitat lipòfila.

Page 3: Biologia Cel·lular

3

3,5 – 3,0.109 anys Cèl·lula procariota ancestral, va adquirir la

capacitat de reproduir-se.

Procariota anaerobi heterotròfic, podien viure en la atmosfera reductora i alimentar-se del brou.

Per la manca de molècules orgàniques. Procariota anaerobis autòtrof amb pigments fotosintètics, capacitat per utilitzar llum solar.

Fotosíntesi � oxigen Atmosfera reductora � atmosfera oxidant

Cèl·lules procariotes aerobis.

0,9.109 anys Cèl·lules eucariotes.

Evolució de les cèl·lules procariotes anaeròbies heterotròfiques en l’atmosfera oxidant desfavorable. (5) 0 Es van extingir. 1 Es van adaptar. 2 Van buscar lloc amb concentracions d’O2 baixes. 3 Formar una simbiosi amb cèl·lules procariota fotosintetitzadora o aeròbia, origen eucariota.

Page 4: Biologia Cel·lular

4

Hi ha dos grans tipus de cèl·lules diferents morfològicament però amb funcionament semblant: Eucariota: el nucli està definit per una membrana, anomenada embolcall nuclear; està molt compartimentada, i per tant es poden donar moltes reaccions alhora. Procariota: no té nucli diferenciat ja que està escampat pel protoplasma, se’l anomena nucleoide.

Page 5: Biologia Cel·lular

5

Tema 2: Compartimentació cel·lular 2.1- Citoplasma i nucli. Orgànuls. La cèl·lula es composa de tres grans unitats: Membrana cel·lular

Hialoplasma o citosòl: solució aquosa, 50-55% del volum amb alt contingut en proteïnes enzimàtiques i molècules intermediàries. El conjunt de reaccions que es donen intracel·lularment s’anomenen metabolisme intermedi, són de catabolisme (degradació) o bé de anabolisme (síntesi).

Sistema membranós: orgànuls envoltats de membranes que formen una xarxa de vesícules que s’estenen per tota la cèl·lula i que estan interrelacionats. Reticle endoplasmàtic rugós i llis, aparell de Golgi (dictiosomes), lisosomes, endosomes. Preoxisomes: tenen membrana simple. Mitocondris: membrana doble. Plastidis: només en les cèl·lules vegetals

C I T O P L A S M A

Morfoplasma: orgànuls o estructures cel·lulars. Es divideixen en molts de compartiments per a la síntesi i transport de proteïnes.

Ribosomes: sense membrana. Citoesquelet

Embolcall nuclear: doble membrana discontínua. Nucleoplasma: medi líquid del nucli. Nucleol: estructura compacta necessària per la formació de ribosomes.

Nucli

Material genètic: en interfase � cromatina / en reproducció �cromosomes 2.2- Diversitat cel·lular: animal i vegetal. Les mides oscil·len entre 0,1 µm i 10-15 cm de diàmetre. Taula d’escales. Micrometre (µm) 1 µm 10-3 mm 10-6 m Nanometre 1 nm 10-5 mm 10-9 m Angstrom 1 Ǻ 10-7 mm 10-10 m

Cèl·lula procariota 1 - 10 µm 2 - 5 µm

Animal 10 - 20 µm Cèl·lula eucariota 10 – 100 o 200 µm Vegetal 20 - 50 µm

Hi ha algunes excepcions de cèl·lules molt petites visibles només en el microscopi electrònic, com són els microplasmes (cèl·lules procariotes) de 0,1 – 0,25 µm de diàmetre; mentre que d’altres de gegants com són les Acetabularia (algues verdes marines) que mesuren 10 – 15 cm.

Page 6: Biologia Cel·lular

6

Les formes entre les cèl·lules també varien, trobem (?): Tipus Formes Exemples

Cèl·lules isiodiamètriques cúbiques o esfèriques Cèl·lules cilíndriques prismàtiques Cèl·lules estrellades neurones, osteòsids Cèl·lules ameboides fibroblasts, teixit conjuntiu

Animals

Cèl·lules fusiformes cèl·lules del teixit muscular Vegetals Cèl·lules polièdriques El motiu pel qual les cèl·lules vegetals tenen formes polièdriques és perquè les parets cel·lulars estan compostes de cel·lulosa i per tant són més rígides, impedint així la varietat de formes que adopta la membrana cel·lular en les cèl·lules animals. Cèl·lules vegetals Cèl·lules animals Són més grans Són més petites Tenen paret cel·lular Màxim glicocàlix (cobertes cel·lulars) Tenen vacuols grans per guardar reserves. Més petits però per funcions digestives, etc. Tenen plastidis (cloroplasts) No en tenen.

Page 7: Biologia Cel·lular

7

Page 8: Biologia Cel·lular

8

Tema 3: Membrana plasmàtica. 3.1.1- Conceptes generals La membrana plasmàtica ( també anomenada membrana citoplasmàtica, o plasmalema) actua com a límit extern de la cèl·lula ja que és una capa contínua, constituïda bàsicament per molècules lipidiques amb alguna de proteica. Per tant podem dir que es tracta d’una capa lipoproteica, totes les membranes biològiques estan constituïdes pel mateix. Cal destacar que no és un aïllament total ja que la cèl·lula és un sistema termodinàmicament obert ja que ha d’abocar al medi extracel·lular els productes residuals d’excreció i la secreció de productes produïts. Altrament ha d’introduir al medi intracel·lular els nutrients i ions. Per tant en podem afirmar que té una permeabilitat selectiva, que juga un paper molt important en la selecció de que és el que entra i surt de la cèl·lula. Pel que fa a la estructura podem dir que és altament diferenciable (especialitzada), per exemple en els òvuls s’anomena oolemma i en els músculs sarcolemma. Aquest alt grau d’especialització de la membrana depèn de l’adaptació de la cèl·lula a la seva funció i a les unions que forma amb les altres cèl·lules. Aquesta especialització ve donada pel fet que cada tipus de cèl·lula té les seves proteïnes específiques, que ajuden a controlar el medi extracel·lular, poden interaccionar amb senyals extracel·lulars específics com per exemple els neurotransmissors o les hormones. 3.1.2- Components de les membranes

Components de les membranes plasmàtiques de les cèl·lules eucariotes

Fosfolípids

Colesterol

Esfingolípids

Lípids 40 - 55%

Glucolípids

Molècules anfipàtiques que es troben en proporcions variades. Els fosfolípids representen la major part dels 100 lípids. Tots menys el colesterol tenen subdivisions segons els àcids grassos que tinguin.

En els fosfolípids hi ha braços d’àcids grassos saturats (14-24 àtoms de C) i insaturats ( mínim 1 enllaç doble, 16-18-20 àtoms de

C) que es dobleguen donant elasticitat a la membrana Proteïnes 45 - 55%

Globulars, anfipàtiques, molt diverses, es troben en la proporció molecular de una proteïna per cada cinquanta lípids, encara que en tant per cent en pes estan iguals Oligosacàrids Glúcids

2 -10% Polisacàrids Varien els tipus de glúcids, unides a lípids i proteïnes, glucolípids i glucoproteïnes; glico-, només estan en les eucariotes per l’exterior

Page 9: Biologia Cel·lular

9

3.2- Models de membrana, és la organització dels components de la membrana. Per investigar-ho es fan servir eritròcits madurs de mamífers ja que són abundants i fàcils d’obtenir, en el cos hi ha entre cinc i vuit litres de sang i el 45% són eritròcits, 1% són leucòcits i el 54% és plasma, però el que també els fa especialment útils en la investigació de les membranes és el fet que quan són madurs ja no tenen orgànuls en el seu interior pel desgast sofert. El 1902 es va començar a experimentar amb ells, per obtenir només la membrana s’utilitza una tècnica que consisteix en posar la cèl·lula en un medi hipotònic de sals per tal que el fenomen osmòtic faci que s’infli d’aigua fins al punt de que la membrana es trenqui per un sol punt i així elimini la hemoglobina que porta a dins. Llavors per tornar a reconstruir la membrana sense res a dins que interfereixi en l’experiment l’hem de resoldar. Així doncs en introduir una substància lipòfila a través de la membrana i llavors lipases, que descomponen els lípids i la membrana també se’ns descompon se’n dedueix que la membrana està constituïda per lípids. Si introduïm aigua i també travessa la membrana i llavors proteasses que degraden les proteïnes també sens degrada la membrana deduïm que també està

Page 10: Biologia Cel·lular

10

constituïda de proteïnes. Així doncs podem concloure que la membrana plasmàtica és de composició lipoproteica. En el model del mosaic fluid (Singer i Nicolson 1972), el model actualment acceptat, sens parla a diferència de models anteriors de que la membrana plasmàtica és asimètrica i fluida, és a dir que té un mosaic lipoproteic format per la bicapa lipidica i les proteïnes globulars, la fluïdesa rau en la seva estructura dinàmica que permet que els seus components es moguin realitzant moviments com la difusió dels fosfolípids, l’asimetria pel que fa tots els seus components

(lípids, glúcids i proteïnes) és present en la distribució d’aquests en les superfícies interiors i exteriors, per raons funcionals i químiques. 3.2.1 La distribució asimètrica de glúcids, lípids i proteïnes. El glúcids estan només de cara al medi extracel·lular, formant el que s’anomena coberta cel·lular o glicocàlix. Algunes teories indirectes sobre la seva funció són la protecció de la cèl·lula contra agents físics o químics externs, reconeixement específic com a antigen de la membrana, també poden servir de ancoratge i orientació de glucoproteïnes o glucolípids per tal que aquests

mantinguin la mateixa posició, estabilitzen l’estructura plegada de determinades proteïnes ja que les proteïnes deuen la seva funció a la seva estructura tridimensional i si la perden no funcionen correctament, també poden actuar com a barrera enfront de substàncies de baix pes molecular les quals són retingudes per la xarxa que formen aquests, etc. Les proteïnes s’uneixen a la membrana unint la seva part hidròfoba amb les cues hidròfobes dels lípids formant enllaços no covalents, donant estabilitat i fermant les proteïnes; alhora que s’uneixen les puntes hidròfiles de les proteïnes amb els caps hidròfils dels lípids. Aquestes últimes poden estar en contacte amb el medi aquós en un o en els dos costats. Classificació morfològica de les proteïnes de la membrana plasmàtica en dos grans grups

Transmembrana Extrems en contacte amb medi aquós, representa el 70% de les integrals. Hidròfobes insolubles en dó aquosa. Procés dràstic per separar-les de MP

Integrals o intrínseques poden travessant de dalt a baix la bicapa,

No transmembrana

Només per un costat. Hidròfobes insolubles en dó aquosa. Procés dràstic per separar-les de MP

Perifèriques o extrínseques No interaccionen amb els lípids. Unides amb interaccions específiques però no covalents amb les integrals o amb cadenes d’àcids grassos (glucolípids). Hidrofòbiques. Fàcils d’obtenir per processos normals.

Page 11: Biologia Cel·lular

11

L’asimetria en les proteïnes es presenta en la seva distribució en les cares de la bicapa lipidica i en el tipus de proteïnes que hi ha a cada cara. Els lípids a la monocapa lipidica exterior s’hi troben en forma de glucolípids. Els fosfolípids de la bicapa no són els mateixos a banda i banda. Els predominants a l’interior (citoplasma) són el fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina i el fosfatidilgerol. Els que predominen a l’exterior (matriu extracel·lular) són la fosfatidilcolina i la esfingomielina. Es creu que els motius d’aquesta asimetria són el manteniment i la regulació de les propietats de les proteïnes de la membrana plasmàtica, o la distribució de càrregues. El model de membrana plasmàtica de mosaic fluid és aplicable a membranes de contingut proteic molt diferent per unitat de superfície. Explica també la variació de posició dels diferents components de la membrana plasmàtica. Explica aquesta organització asimètrica. També explica la fluïdesa i per tant aquesta permeabilitat selectiva tant fonamental per la cèl·lula. Els lípids i la fluïdesa la membrana plasmàtica, és basa en dos variables fonamentals com són la composició d’aquesta i de la temperatura. A menor temperatura, menor fluïdesa i per tant major viscositat. La temperatura de transició és aquella que per sota de la qual la seva fluïdesa esdevé viscositat. Aquesta temperatura de transició depèn de la proporció relativa dels fosfolípids en àcids grassos saturats i insaturats. En concret a major nombre de àcids grassos insaturats, menor temperatura de transició i per tant major fluïdesa. Un altre factor és la longitud de les cadenes hidrocarbonades; com més curtes siguin més baixa serà la temperatura de transició. La proporció de colesterol regula la fluïdesa i manté l’estabilitat mecànica de la membrana (paper bivalent) en tant que té una estructura anular que immobilitza part de les cadenes hidrocarbonades dels fosfolípids, però també deixa lliures la resta que no abasta. En conclusió quants més àcids grassos insaturats, de cadena més curta i menys colesterol té una membrana més fluida és. Algunes consideracions que cal tenir en compte en quant al tema de la fluïdesa són el fet que els animals poiquiloterms i aquells que hivernen tenen alterada la composició de la bicapa lipidica per tal que la temperatura de transició de la seva membrana no sigui superada pel fred i es torni viscosa. Els moviments dels fosfolípids per ordre de freqüència: 1 Difusió lateral S’intercanvien pel seu veí del costat. F=107.s-1

2 Rotació Giren sobre ells mateixos.

3 Reflexió Mouen les seves cadenes d’àcids grassos de zones concretes, al centre ja que són més flexibles.

4 Inversió També anomenat flip – flop, com una difusió lateral però entre les dos capes. Requereix energia. Per tant és molt poc freqüent, un cop per setmana.

3.2.3- Proteïnes de les membranes i les seves funcions. Com ja he esmentat hi ha molts tipus de proteïnes, tants com la diversitat de funcions específiques que poden fer. Cada tipus de membrana presenta un composició proteica diferent

Page 12: Biologia Cel·lular

12

segons la funció que ha de fer. No sabem del tot cert, més que per tècniques indirectes l’estructura completa de les proteïnes de la membrana. Les funcions de les proteïnes Proteïnes transportadores Transporten molècules específiques cap a dins i cap a fora.

Nutrients, ions i metabolits. Són integrals transmembrana. Proteïnes de comunicació o Proteïnes connectores

Com a punt d’ancoratge del citoesquelet i de la matriu extracel·lular i comunicació entre aquests dos medis.

Proteïna receptora o Receptors de superfície

Poden rebre hormones o senyals químics. Ho transmeten al citoplasma. Nº limitat de a la MP de les cèl·lules diana.

Antígens de la membrana o Antígens de superfície cel·lular

Donen identitat a les cèl·lules. En general glucoproteïnes, de vegades glucolípids.

Enzims de membrana Poden catalitzar reaccions metabòliques específiques. Lligades a les membranes molt a prop o a l’interior d’elles.

3.2.4- Dominis específics de les membrana plasmàtica. Moltes cèl·lules tenen sistemes per immobilitzar les proteïnes i els lípids específics en zones de les membranes. Això dóna lloc a regions especialitzades que es distingeixen per una distribució d’aquests determinada, aquestes zones s’anomenen dominis específics de les membranes plasmàtiques. Això ho presenten cèl·lules eucariotes, procariotes i les membranes dels orgànuls intracel·lulars. Aquests són importants tal i com es veu en els dos exemples del guió. Aquesta diferenciació regional no es contradiu amb el model dinàmic del mosaic fluid, ja que només es restringeix els moviment lateral de les proteïnes concretes. Els mecanismes per impedir el moviment són interaccions de diferents tipus: amb estructures fixes del medi extracel·lular, com agregats macromoleculars de la matriu extracel·lular; també pot ser amb estructures immòbils de l’interior de la cèl·lula, generalment és la unió de proteïnes integrals de la membrana amb altres proteïnes perifèriques i aquestes es fixen en el citoesquelet; la combinació dels dos sistemes dóna la unió amb agregats extracel·lulars i amb la part interior com és el cas de les proteïnes connectores; fins i tot es poden crear barreres entre dos cèl·lules per tal de restringir el pas de determinades proteïnes. En el cas de cèl·lules procariotes es formen grans agregats a de proteïnes que difícilment poden desplaçar-se. 3.2.5- Diferenciacions de la membrana plasmàtica. En la superfície apical podem trobar-hi: tots són projeccions de la membrana cap a fora. Microvil·lis Augmenten la superfície de la membrana, important en cèl·lules que absorbeixen

o fan intercanvis de substàncies. Cèl·lules epitelials de l’intestí. Cilis Fan el moviment de la cèl·lula o del seu entorn. Tenen estructura microtubular

anomenada axonema. Cèl·lules epitelials de la tràquea. Estereocilis Estructura com els microvil·lis però més llargues i entregirats els filaments de la

base, sense axonema. Cèl·lules epitelials del oïda intern (audició i equilibri) i les del revestiment del epidimi (empenyen els espermatozous immadurs).

La superfície basal o basolateral presenta indigitacions (invaginacions) que actuen com a projeccions de la membrana menys accentuades que els microvil·lis i que augmenten la superfície basal i lateral. Present en les cèl·lules epitelials dels tubs renals. La superfície lateral presenta cèl·lules que formen teixits, establint contacte amb les adjacents a partir de modificacions específiques en les seves membranes. Aquestes modificacions s’anomenen regions. Les unions cel·lulars o intracel·lulars es poden caracteritzar per presentar diferents categories funcionals: les estretes que tanquen hermèticament i no permeten el pas;

Page 13: Biologia Cel·lular

13

les adherents que són de tipus mecànic i mantenen la cohesió; les de comunicació o comunicants que permeten un canal de comunicació per molècules petites i ions. Podem trobar cèl·lules flagel·lades com els espermatozous (un flagel) i en protozous ( un, dos o tres flagels). Tenen una mida d’uns 200 µm i una estructura d’axonema de 9+2. 3.3- Transport a través de la membrana plasmàtica de molècules petites. El que és essencialment important és que ha de permetre l’intercanvi dels materials que són essencials per la vida cel·lular. Les molècules petites travessen la membrana individualment. En la bicapa lipidica per la seva part hidròfoba, constitueix una barrera altament impermeable per a la majoria de les molècules solubles en aigua ( hidròfiles o polars). Això impedeix que el que hi dins de la membrana pugui escapar, per tant les cèl·lules han tingut que desenvolupar mecanismes per transportar les molècules hidrosolubles. Cal assenyalar que no totes les membranes són igualment impermeables, ja que hi ha molta permeabilitat selectiva. Els mecanismes per travessar les membranes depenen de la naturalesa de la molècula que vol ser transportada i també la mida d’aquesta. El que entra són nutrients ( glucosa, aminoàcids ...) i els ions entren i surten (sodi, potassi, calci, clor ...). La concentració d’aquests últims ha de ser ha de ser regulada per tal que els que surtin i els que entrin, creant així un gradient de concentració (massa), i elèctric (càrrega), la combinació dels dos s’anomena gradient electroquímic. La diferencia de concentració de molècules o soluts existents als dos costats de la membrana. Totes les membranes tenen diferència de potencial a través seu. La separació interna de la membrana és lleugerament negativa respecte a la exterior positiva. S’afavoreix l’entrada de ions o soluts de càrrega positiva perquè l’interior és lleugerament negatiu, per tant es dificulta l’entrada de ions i soluts de càrrega negativa. Això permet que la membrana emmagatzemi energia potencial en forma de concentracions iòniques, aquestes serveixen per realitzar funcions cel·lulars com l’impuls de transport a través de la membrana (cotransport), la transmissió de senyals elèctrics (ex: neurones), la producció d’ATP en els mitocondris, cloroplasts i en bacteris. Hi ha dos grans tipus de transport Transport Actiu

Requereix energia metabòlica. Es fa en contra del gradient electroquímic de la molècula que es transportada. [ ] ↓↓� [ ] ↑↑

Transport Passiu Difusió

. No hi ha despesa energètica, és un procés biològicament espontani. La direcció depèn del seu gradient electroquímic. [ ] ↑↑ � ↓↓ [ ]. El flux és directament proporcional a la concentració a una banda i altra de la membrana.

Tipus de proteïnes de la membrana responsables del transport:

Difusió simple Directament a través de la bicapa lipidica o a través de proteïnes específiques. Proteïnes de canal.

Passiu

Difusió facilitada Precisen de proteïnes transmembrana, s’anomenen proteïnes transportadores, portadores o carriers, en general permeases.

Actiu Aquestes també necessiten proteïnes transmembrana reben el nom de bombes, perquè van acoblades a una font de energia.

Totes les proteïnes transmembrana transportadors (permeases, canal i bombes) són altament selectives i només transporten un solut específic (glucosa) o un grup de molècules afins (alguns aminoàcids, dos o tres tipus de soluts). Aquestes proteïnes aconsegueixen fer passar les molècules proporcionant conductes especials perquè les molècules específiques solubles

Page 14: Biologia Cel·lular

14

en aigua no hagin d’entrar en contacte amb la bicapa lipidica de part hidròfoba. Cada cèl·lula concreta conté a la seva membrana un conjunt de proteïnes de transport a les seves membranes, que tot hi variar la seva composició és aplicable també tant a les membranes plasmàtiques com a les membranes dels orgànuls. Segons el nombre de soluts que portin i de com sigui efectuat el transport distingim: T. senzill Uniport

Només porten un sol solut. Les proteïnes que ho realitzen s’anomenen proteïnes uniport.

T. acoblat Contraport

Transfereixen un solut depenent de la transferència simultània o seqüencial d’un segon solut. Les proteïnes que ho fan són cotransportadores o contransportadors. Sempre es tracta de molècules d’un mateix tipus (ió – ió, orgànic – orgànic, etc.). Si el sentit dels dos soluts és el mateix, T. unidireccional (T. simport, T. paral·lel); les proteïnes són simportadores. En canvi si el transport és en sentit oposat, Cotransport bidireccional (T. Antiport, T. Antiparal·lel).

3.3.1- Difusió simple a través de la bicapa. S’ha comprovat que qualsevol molècula podria travessar la bicapa a favor de gradient, tot i que la velocitat amb que ho fa varia molt depenent de la mida, la solubilitat relativa de la molècula en la bicapa. Però en general podem dir que quan més petites, o bé quan més hidròfobes; són més solubles en la bicapa lipidica. També influeixen les concentracions interior i exterior. Quan la molècula travessa la part de la bicapa hidròfila, diem que se solubilitza mentre que si està travessant la part hidròfoba, diem que se difon. Les molècules petites i hidròfobes (oxigen, nitrogen, benzè) es dissolen fàcilment a la bicapa, i per tant la travessen també amb facilitat. Les molècules polars sense càrrega també ho fan amb facilitat si són prou petites com és el cas de l’aigua. 3.3.2- Difusió facilitada. Les permeases es comporten com enzims units a les membranes. Tenen un lloc o més d’unió específica pel solut o molècula que cal transportar. Quan la molècula s’uneix a aquests lloc es produeix un canvi conformacional en la proteïna. Aquestes proteïnes de transport que alternen dos conformacions ( ping i pong); el lloc o llocs d’unió al solut d’una molècula és seqüencialment des d’un costat de la membrana i després a l’altre. Les transicions es produeixen a l’atzar de forma successiva. El que fa que estigui en una conformació o en una altra és possible que sigui la concentració interior i exterior de la membrana i de la molècula a transportar. Si aquesta no té càrrega, la velocitat ve determinat pel gradient de concentració. Mentre que si té càrrega, llavors la velocitat ve determinat pel gradient electroquímic. 3.3.3- Transport actiu. Serveix per mantenir la composició iònica adequada per tal que les cèl·lules puguin importar de l’exterior substàncies que estiguin en menor concentració a l’exterior. Cal destacar que sempre va acoblat a una font d’energia metabòlica, aquesta pot ser la hidròlisis de molècules d’ATP, energia emmagatzemada en forma de gradient iònic transmembrana (CE), alguns procariotes amb energia de la llum. - Les proteïnes de transport actiu s’anomenen bombes (ATPases de transport, transportadors primaris). El cas més conegut i més estudiat és el de la bomba de sodi i potassi, es tracta d’un cas de transport actiu d’intercanvi o antiport. El procés consisteix en impulsar a través de la membrana

Page 15: Biologia Cel·lular

15

sodi i fer entrar potassi en contra de gradient. L’energia s’obté en aquest cas de la hidròlisi de l’ATP en ADP i P (fosfat inorgànic), l’enzim que ho fa és la ATPasa de sodi i potassi. El balanç energètic s’obté per la hidròlisi d’una molècula d’ATP, és l’entrada de dos potassis i la sortida de tres sodis. Aquesta proporció es deu al volum que ocupen cadascun d’aquests tres ions, ja que hi ha tres llocs d’unió pel sodi i dos pel potassi. És important destacar el fet que si s’interromp alguna de les etapes del procés per falta de sodi, potassi o ATP, el cicle no continuarà per tal d’estalviar energia, contribuint així a la economia energètica de la cèl·lula. Es calcula que hi han entre 200 i 300 bombes de sodi i potassi.

Les bombes són importants perquè ... Ajuden a generar un gradient iònic transmembrana, traient càrrega positiva a fora.

[K+] ↑↑ intracel·lularment per fer processos vitals com: la síntesi proteica (com a component de proteïnes), l’activitat enzimàtica i la conservació del gradient iònic transmembrana.

Regulació de la osmolaritat intracel·lular

Manteniment del volum cel·lular, evita que s’infli i llavors pugui perillar la integritat de la membrana plasmàtica.

Utilitzat indirectament pel transport de sucres i aminoàcids a través de la membrana com per exemple les cèl·lules epitelials dels tubs renals o epitelials del intestí.

- els gradient iònics transmembrana (transportadors actius secundaris), s’anomenen secundaris perquè depèn del gradient creat per les primàries, i per això si no hi ha la concentració creada per les primàries no funcionen. Els transportadors acoblats o cotransportadors transporten sucres o aminoàcids juntament amb una altra molècula. El transportadors unidireccionals (transportadors simport), en cèl·lules animals la molècula que ajuda en el cotransport és el sodi. Hi ha diversos sistemes impulsats pel sodi, un que porta sucres o aminoàcids específics; i l’altre pot portar alguns sucres o aminoàcids afins. Se suposa que el sodi que entra dins la cèl·lula a favor de gradient arrossegant una segona molècula amb ella. El sodi produeix un canvi conformacional en la proteïna que incrementa l’afinitat de la proteïna per la segona molècula. Per tant són necessàries les bombes de sodi i potassi per tal de mantenir la concentració de sodi exterior alta i la interior baixa. En canvi en les cèl·lules vegetals (també fongs i bacteris) es necessita un gradient electroquímic de protons que està generat per una ATPasa d’hidrogen.

Els transportadors bidireccionals (intercanvi, transportador antiport): Na+ H+

En cèl·lules animals de vertebrats, per tal de mantenir el pH constant i eliminar els excessos de H+ del metabolisme.

Cl- HCO-

3

En la membrana plasmàtica dels eritròcits, transfereix clor cap a dins i fa sortir el ió carbonat per tal de mantenir el pH intracel·lular, en el cas que aquest sigui bàsic.

3.4- Transport de molècules grans a través de la membrana. A través de la membrana es poden absorbir o secretar, polisacàrids, polinucleòtids, molècules víriques, bacteris i algunes cèl·lules degradades. L’entrada s’anomena endocitosi i la sortida exocitosi, es fan servir mecanismes molt diferents. Implica la funció seqüencial de vesícules tancades envoltades de membrana. Totes les macromolècules estan tancades dins de vesícules, i per tant mai es posen en contacte amb altres macromolècules ni amb els orgànuls. Les vesícules únicament es poden formar en determinades regions de la membrana. La exocitosi es realitza mitjançant vesícules d’exocitosi. Aquestes poden estar formades per fragments de membrana de la membrana plasmàtica, del reticle endoplasmàtic o de l’aparell de

Page 16: Biologia Cel·lular

16

Golgi. Les vesícules s’acosten o migren cap a la superfície cel·lular guiades per corrents citoplasmàtics i també amb l’ajuda de elements dels citoesquelet. Quan estan prou a prop passen per una etapa d’adhesió i després es fusionen, unint la membrana citoplasmàtica, això implica l’ús de proteïnes especialitzades i energia metabòlica. El trencament de la membrana es produeix en algun punt de la zona fusionada, i llavors el contingut de la vesícula s’allibera al medi extracel·lular. L’adhesió a la membrana (veure dibuix esquematitzat). Les membranes guanyen petits fragments de membrana en la exocitosi. Les membranes s’adhereixen i es fusionen per les superfícies citoplasmàtiques i després per les extracitoplasmàtiques. Aquest mecanisme funciona igual en endocitosi i en les fusions cel·lulars però amb la diferencia en el ordre amb que es fusionen les superfícies de la membrana ja que en aquests cas són primer les extracitoplasmàtiques i després les (endo)citoplasmàtiques.

Vesícules d’exocitosi D’origen exogen Material exogen captat per endocitosi.

Síntesi de material: secreció cel·lular i síntesi proteica. Aquesta última pot ser: per la via constitutiva (totes les CE) o per la via reguladora , que únicament s’alliberen les vesícules quan hi ha la presència d’una determinada senyal química ( hormones, neurotransmissors) i és realitzada per cèl·lules

especialitzades (les de la digestió).

D’origen endogen

Material endogen procedent

de:

Degradació de material: digestió cel·lular (lisosomes). La endocitosi és la ingestió de molècules i partícules del medi extracel·lular. En primer lloc es forma una invaginació o quedin les molècules per ingerir. Llavors s’allarga i es va estrangulant fins a formar la vesícula d’endocitosi, que igual que les vesícules de exocitosi es desplaça pel citoplasma amb els corrents intracel·lulars i amb l’ajut del citoesquelet. En aquest procés el recobriment i la formació de la vesícula amb la membrana plasmàtica fa que hi hagi un fragment de membrana que es perdi; per tant hi ha un equilibri entre la endocitosi i la exocitosi per tal d’assegurar el manteniment del volum cel·lular i la integritat de la membrana plasmàtica. En general la endocitosi i la exocitosi no són dos processos inversos ja que l’ordre de fusió de les superfícies de la membrana varia. Això fa que en ambdós casos es conservi l’asimetria de la membrana. El costat citoplasmàtic sempre queda en el costat del citosòl mentre que el costa extracitoplasmàtic sempre queda en el costat del medi exterior. Dins de la endocitosi podem distingir varis tipus, el primer d’ells és la micropinocitosi (endocitosi mediada per receptors). Es formen vesícules molt petites, per un procés regulat. Aquest procés implica la ingestió de macromolècules unides a receptors de la membrana plasmàtica. Les vesícules estan revestides o cobertes per proteïnes específiques que només quan ja s’ha acabat la gemmació i ja no són necessàries es desprenen de la membrana de la vesícula. Aquestes proteïnes tenen dues funcions, la de donar forma de vesícula a un tros de la membrana i la de ajudar a capturar la molècula. El destí d’aquesta vesícula és el de fusionar-se amb un lisosoma, en general, on els materials endocitats han de passar per compartiments intermedis anomenats endosomes per tal de ser classificats. L’altre destí de la vesícula és que segueixi un mecanisme de transport de partícules exògenes des d’un domini específic de la membrana plasmàtica fins a un altre domini específic de la membrana plasmàtica, procés que s’anomena transcitosi. La classificació anteriorment esmentada dels endosomes, es basa en el pH àcid que a causa de les ATPases que creen un ambient acídic. Aquest pH àcid altera els complexos dels receptors de macromolècules, per tant altera el destí final del receptor i la macromolècula. Quan el pH baixa, molt receptors canvien de conformació i llavors es dissocien de la macromolècula. Aquests receptors poden ser reciclats i tornats a fer servir tornant-los

Page 17: Biologia Cel·lular

17

amb vesícules de transport a la superfície de membrana plasmàtica. Això contribueix a la cèl·lula a estalviar energia ja que el transport per tornar el receptor al seu lloc consumeix menys temps i energia que tornar a fabricar les proteïnes dels receptors de nou. Depenent del tipus de receptor: Aquest pot ser dissociat i tornar al mateix domini de la MP d’on ha sortit. (reciclatge) Si aquest va a un altre domini de la MP diferent del que ha sortit (transcitosi) (reciclatge) També pot ser eliminat pels lisosomes si ja està molt degradat. Teories sobre les rutes cap als lisosomes: Les molècules endocitades són transferides a v. de transport que passen als lisosomes. Els endosomes poden anar madurant fins a esdevenir lisosomes. S’han descrit vint i cinc tipus de receptor diferents per captar aquestes macromolècules. Alguns exemples del que els receptors implicats en la micropinocitosi endociten són el colesterol en cèl·lules animals ja que proporciona la major part d’aquest que es necessita per fabricar membranes (si aquest procés es bloqueja per algun motiu, es produeix la patologia de la arteriosclerosi, que pot derivar en infarts del cor per acumulació de colesterol en els vasos sanguinis que subministren aquest), la vitamina B12 i el ferro que es fan servir per formar el pigment proteic de la hemoglobina dels eritròcits, el virus de la grip i el VIH també entren dins de les cèl·lules per micropinocitosi. Els mecanismes de concentració selectiva incrementen l’eficàcia de l’incorporació de determinades macromolècules a la cèl·lula. Aquests mecanismes fan que es puguin captar específicament i en gran quantitat components que poden ser molt minoritaris en el medi extracel·lular, i presenten l’avantatge afegida que no suposen un augment del volum intracel·lular formant grans vacuols. La endocitosi de fase líquida o pinocitosi, és un procés constitutiu de la cèl·lula que consisteix en la ingestió inespecífica de material extracel·lulars solubles. La cèl·lula incorpora una mica de fluid del medi extracel·lular amb molècules dissoltes en aquest. Les vesícules també s’uneixen per una invaginació de la membrana plasmàtica, també entren revestides d’una coberta proteica. Les vesícules de pinocitosi o pinosomes tenen un diàmetre inferior a 0’1 µm. La incorporació de molècules es proporcional a la concertació d’aquestes en el medi extracel·lular i en funció de l’activitat que realitzi la cèl·lula. El destí general d’aquests pinosomes és fusionar-se amb un lisosoma a través de vesícules intermediàries. La fagocitosi és la ingestió de partícules sòlides de gran mida a través de vesícules fagocítiques o fagosomes (1-2 µm de diàmetre). Les partícules que pot ingerir són microorganismes com bacteris i virus, residus cel·lulars com cèl·lules trencades o velles i altres molècules estranyes per la cèl·lula. Aquest procés implica l’englobament de partícules de gran mida mitjançant evaginacions o expansions de la membrana que envoltin la partícula i llavors es fusionin. Les evaginacions formen pseudopodis. Per tal que es pugui realitzar la partícula s’ha d’estar molt adherida a la membrana plasmàtica. El material que s’ingereix amb fagosomes cap a endosomes i llavors cap a lisosomes, aquest llavors és reutilitzat en funció dels components.

La fagocitosi és realitzada per ... Protozous Ingereixen partícules d’aliment, nutrició. Mamífers

2 tipus de cèl. especialitzades

Macrofags Es troben en tots els teixits i la sang (monòcits), fan neteja de cèl·lules velles, lesionades o de restes cel·lulars. Defensen

contra infeccions produïdes per bacteris, virus o cossos estranys.

Page 18: Biologia Cel·lular

18

Neutròfits

Defensen contra infeccions produïdes per bacteris, virus o cossos estranys.

Per tal que un fagòcit ingereixi una partícula gran, aquesta ha d’estar fortament adherida a la membrana plasmàtica del fagòcit i també ha d’activar un receptor de superfície de la membrana del fagòcit. Alguns d’aquests receptors reconeixen anticossos (proteïnes que sintetitzen els limfòcits B (cèl·lules B)). Quan aquest anticossos s’uneixen a la superfície del cos estrany, els fagòcits són capaços de reconèixer a través dels seus receptors de membrana les cues dels anticossos, llavors aquests receptors indueixen la formació dels pseudopodis. La funció dels pseudopodis i en general dels processos de fusió (oòcit i espermatozoide / cèl·lules musculars) i divisió ( meiosi / mitosi) cel·lular, exocitosi i endocitosi, i de formació de vesícules de transport intracel·lular requereixen la adherència de les superfícies de les bicapes. La fusió de membranes és un procés energèticament desfavorable energèticament, que per tant no és espontani. Per realitzar-lo cal desplaçar tota l’aigua fins que les dos membranes quedin a una distància de 1,5 µm. Les proteïnes fusogèniques fan que es puguin fusionar les membranes. Els virus encapsulats (ex: virus de la grip, entra per micropinocitosi), tenen una coberta membranosa similar a les de les bicapes, per això s’utilitzen per estudiar les membranes plasmàtiques. L’ambient acídic (pH 5-6) dels endosomes que l’han endocitat per micropinocitosi fa que s’activi una proteïna fusogènica de la coberta viral, aquesta catalitza la fusió de la membrana viral amb la endosomal, llavors l’àcid nuclèic s’escapa al citosòl. Un pH àcid indueix un canvi conformacional a la proteïna fusogènica, això s’aconsegueix al posar la part més hidrofòbica, això desestabilitza la membrana endosomal i llavors es fusiona.

Page 19: Biologia Cel·lular

19

Tema 4: Sistema membranós i tràfic vesicular. El sistema membranós ocupa la meitat del volum cel·lular. Està format pels orgànuls citoplasmàtics. Cada compartiment conté unes composicions específiques. L’avantatge de la compartimentació és la capacitat de poder realitzar al mateix temps reaccions bioquímiques específiques que moltes vegades poden arribar a ser incompatibles entre elles. Estan interconnectats el reticle endoplasmàtic, l’aparell de Golgi, lisosomes i endosomes. 4.1- Reticle endoplasmàtic i síntesi de proteïnes. La existència del reticle endoplasmàtic es va demostrar el 1952, amb l’ajuda del microscopi electrònic de transmissió. Tot i que s’havia descobert el 1945 amb la sedimentació de la centrifugació. Està format per sàculs o cisternes interconnectades, aplanats i allargats, superposats els uns sobre els altres. Per extensió formen una xarxa que s’estén per quasi tota la cèl·lula. És el sistema membranós amb més membrana, i per tant el més extens. És una única làmina que defineix un espai interior anomenat lúmen del reticle endoplasmàtic. La membrana separa el lúmen del citosòl amb la permeabilitat selectiva, que permet el pas de components a través d’ella segons proteïnes de membrana. La membrana externa té contacte amb l’embolcall nuclear intern. Hi ha connexions entre aquestes i l’espai perinuclear. El ME de T permet veure que el reticle endoplasmàtic té adherits ribosomes per la cara externa en algunes àrees, donant lloc al reticle endoplasmàtic rugós. Mentre que les àrees mancades de ribosomes s’anomenen reticle endoplasmàtic llis. El reticle endoplasmàtic està constituït per dos compartiments diferents interrelacionats entre si, el llis i el rugós que tenen funcions, composició del lúmen i composició de membrana diferents. 4.1.1- Palade (1953, a continuació de la demostració de l’existència del reticle endoplasmàtic) va descriure els ribosomes. Es va veure amb el ME de T que tenien un diàmetre d’uns 30 nanometres (nm), que varien segons, estiguem parlant de cèl·lules eucariotes (més grans) o les cèl·lules procariotes (més petits). Els ribosomes són estructures cel·lulars, tot i que no encaixen gaire bé en la definició d’orgànul ja que no tenen membrana (no són compartiments envoltats de membrana), estan activament implicats en la síntesi de proteïnes. Existeixen en el citosòl dos poblacions separades, en la superfície exterior del reticle endoplasmàtic i en la membrana nuclear externa. Ambdós es dediquen a la síntesi de proteïnes translocades o transferides en el espai perinuclear o el lúmen. També es poden trobar sense adherir a cap membrana, fent també proteïnes. En tots els casos es troben formant polisomes o poliribosomes, agregats de ribosomes units per un filament de RNA missatger. Tenen estructures i funcions iguals, només es diferencien en el tipus de proteïna sintetitzada i el seu destí segons si està lliure (citosòl) o

Page 20: Biologia Cel·lular

20

adherida al reticle endoplasmàtic o al nucli (al lúmen o al espai perinuclear, però mai directament al citosòl). La estructura i composició dels ribosomes; contenen dos subunitats (unitat ribosoma gran o petita). Es caracteritzen com a esfèrics, però no són exactament axis, tenen formes una mica irregulars. Per tal que siguin funcionals han d’estar les dos unitats ribosomals unides. Pel que fa la composició estan constituïts per RNA ribosòmic i per proteïnes diverses (àcides o bàsiques) i segons es tracti de cèl·lules eucariotes, formats per parts casi iguals de proteïnes i de RNA (55% i 45%); en les procariotes hi ha menys proporció de proteïnes. També podem trobar ribosomes en alguns compartiments cel·lulars, els mitoribosomes (mitocondris) i els plastoribosomes (cloroplasts); en tots dos casos són similars als ribosomes procariotes. En les cèl·lules eucariotes l’origen dels ribosomes està en el nucleol, allí s’hi formen, la síntesi i ensamblatge del RNA i les proteïnes dels ribosomes. Les diferents subunitats es formen per separat, ja que juntes no passen pel porus nuclears. Un cop a fora s’acoblen per constituir un ribosoma funcional. Un cop constituïts poden quedar lliures en el citosòl o adherir-se a les membranes nuclears o del reticle endoplasmàtic rugós. En aquest segon cas s’uneixen per les subunitats grans, ho fan per proteïnes específiques, les ribofarines (I i II). Es troben en la membrana del reticle endoplasmàtic i en cap altra, per tant si la membrana no les té no s’hi adhereixen. Es veu que hi ha alguns altres receptors de proteïnes específiques del reticle endoplasmàtic rugós associat a una proteïna de canal. Per tant no se sap quina de les moltes proteïnes de la membrana del reticle endoplasmàtic rugós són receptors i quines ribofarines. Les proteïnes ribosomals Proteïnes estructurals Uneixen les dos subunitats dels ribosomes. Proteïnes funcionals Intervenen en la síntesi de proteïnes. La síntesi proteica requereix la unió de les dos subunitats dels ribosomes (per mitjà de proteïnes estructurals). S’ha comprovat que no és necessari que siguin sempre les dos mateixes subunitats ja que se separen un cop s’ha acabat la síntesi proteica. Per a fer la síntesi s’associen els ribosomes mitjançant filaments de RNA missatger, formant una espiral, que s’anomena polisomes o poliribosomes. A més de RNA ribosòmic també cal el RNA missatger, que s’encarrega de llegir i donar la pauta per formar la proteïna; i el RNA de transferència, que aporta els aminoàcids. En la cèl·lula eucariota el RNA ribosòmic representa el 80% , el RNA de transferència el 10-15%, i el RNA missatger el 5%. Tots tres són necessaris. 4.1.2- Reticle endoplasmàtic rugós. Aquest és molt abundant en la cèl·lula eucariota, a excepció dels macrofags. S’identifica per la presència de ribosomes adherits a la membrana. Està configurat per sàculs o cisternes membranoses que tenen una forma aplanada i superposada. El lúmen del reticle endoplasmàtic rugós pot variar bastant de gruix (la distància entre membranes es de 20-40 nm fins 1 µm), depenent del contingut, ja que a més material més gruix. Hi trobem molècules de naturalesa proteica (oligopèptids), solubles en aigua, quan ho mirem al ME de T no solen quedar contrastades amb les tècniques normals ja que són materials poc electrodensos. La membrana del reticle endoplasmàtic rugós és similar a la membrana plasmàtica, però de gruix inferior (6-7 nm. / 10 nm.); degut a que la bicapa d’aquest es més fina ( 4nm. / MP 5 nm.) ja que les cadenes de fosfolípids són més curtes i estan menys saturades. La composició bioquímica de la membrana del reticle endoplasmàtic rugós és de 30% lípids (hi poc colesterol i molta fosfatidilcolina), 70% proteïnes, mentre que la de la membrana plasmàtica conté un 4-51%

Page 21: Biologia Cel·lular

21

lípids i un 45-55% proteïnes, per tant la del reticle endoplasmàtic és més fluida perquè no li cal estar tant protegida. En tots dos casos hi ha asimetria entre les cares interna i externa. 4.1.3- Reticle endoplasmàtic llis. Aquest és escàs en les cèl·lules eucariotes, a excepció de les cèl·lules que tenen com a funció la síntesi de lípids i la destoxificació. Alguns exemples són les cèl·lules de les glàndules adrenals (sobre ronyó) i les cèl·lules del fetge. Es caracteritzen per l’absència de ribosomes, per culpa de la manca de ribofarines, canals proteics i receptors. Presenten una configuració més tubular en comparació a la forma aplanada i amb llargs perfils del rugós. El contingut també és molt poc electrodens, per això, es veu blanc al ME de T (glucoproteïnes i glucolípids). La membrana té les mateixes dimensions que la del reticle endoplasmàtic rugós, però la composició es força diferent, començant per la manca de ribosomes. 4.1.4- Relació entre el reticle endoplasmàtic rugós i el reticle endoplasmàtic llis. S’intercomuniquen, tot i que tenen funcions diferents estan interrelacionades. Un part s’especialitza en la síntesi proteica, reticle endoplasmàtic rugós, i l’altre en activitats diverses relacionades amb metabolisme lipidic, el reticle endoplasmàtic llis. Alguns autors consideren que aquesta última regió és una especialització del reticle endoplasmàtic en el transport de vesícules de transició cap a l’aparell de Golgi, (RE de transició). 4.1.5- Funcions del reticle endoplasmàtic rugós. Permeten l’entrada i emmagatzemament de proteïnes sintetitzades pels ribosomes, per la seva glicosilació i empaquetament. El reticle endoplasmàtic rugós actua com a punt d’entrada de les proteïnes que es quedaran allí, les que aniran a altres orgànuls (aparell de Golgi, lisosomes, endosomes), les que aniran a la superfície de la membrana plasmàtica i les que seran secretades. Totes elles han de ser glicosilades (adhesió d’un glúcid) i han de ser transportades en vesícules. A diferència de les que se sintetitzen directament al citosòl per ribosomes que estan lliures en aquest, on es queden com a residents permanents, i algunes han d’anar als mitocondris, cloroplasts, peroxisomes i nucli; porten un senyal de classificació específic. Aquestes en comparació a les sintetitzades en el reticle endoplasmàtic, tarden molt pocs minuts a ser transferides al seu lloc, en comparació amb les altres que poden trigar bastant de temps abans no arribin al seu orgànul de destí. 1.- Entrada i emmagatzemament de proteïnes en el reticle endoplasmàtic rugós: Les dades experimentals de les que es disposa indiquen que una vegada han sigut sintetitzades pels ribosomes, són transferides o translocades a dins el reticle endoplasmàtic rugós. Això passa abans que la proteïna acabi d’estar sintetitzada del tot, per tant, cal distingir entre les proteïnes hidrosolubles i les proteïnes transmembrana (hidròfobes majoritàriament). Les hidrosolubles són completament translocades a la membrana del reticle endoplasmàtic rugós i alliberades al lúmen d’aquest, el seu destí serà el de ser secretades a la superfície cel·lular o bé transportades i acabar al lúmen d’altres orgànuls. Les transmembrana, per la seva composició majoritàriament hidròfoba només són parcialment translocades a la membrana del reticle endoplasmàtic, per tant queden incloses en aquesta. El seu destí final és formar part de la membrana del reticle endoplasmàtic, la d’un altre orgànul o de la membrana plasmàtica. El pèptid senyal de reticle endoplasmàtic o seqüències de senyal de reticle endoplasmàtic és el que es necessita per dirigir les proteïnes cap a aquest orgànul. Hi ha diversos senyals per cadascun dels orgànuls a on es vol translocar la proteïna. Els aminoàcids que es troben en el segment amino terminal (el primer que es sintetitza) de la proteïna que s’està formant contenen

Page 22: Biologia Cel·lular

22

vuit o més aminoàcids hidrofòbics. Quan en un ribosoma comença a fabricar una proteïna que té una seqüència senyal de reticle endoplasmàtic, el pèptid senyal quan surt del ribosoma, fa que aquest es dirigeixi cap al reticle endoplasmàtic. A mesura que la molècula de RNA missatger va essent traduïda, altres ribosomes se li poden adherir formant un poliribosoma. Aquest es manté unit a la membrana del reticle endoplasmàtic a partir de la cadena polipeptídica que va essent inserida a dins de la membrana del reticle endoplasmàtic rugós. Segons sembla el pèptid senyal és dirigit cap a la membrana del reticle endoplasmàtic rugós per mitjà de dos components, un procedent del citosòl i l’altre de la membrana del reticle endoplasmàtic rugós, el primer és una partícula de reconeixement del senyal (SRP), aquesta s’uneix al senyal tan bon punt com surt del ribosoma i alhora també al ribosoma. El segon component que intervé en aquest procés és una proteïna receptora de partícules de reconeixement de senyal del reticle endoplasmàtic rugós, anomenada receptor de SRP. La unió d’una SRP a un pèptid senyal provoca una petita pausa en la síntesi de la proteïna fins que la partícula de la senyal i el ribosoma s’uneixen, després de la unió d’aquests (SRP+senyal+ribosoma+RNAm) al receptor de la partícula de reconeixement de senyal, s’allibera per ser reciclada, deixant el ribosoma adherit a la membrana del reticle endoplasmàtic rugós. Llavors la síntesi proteica continua, però translocant la proteïna que codifica el missatge a través d’un porus proteic ( una proteïna de canal de la membrana del reticle endoplasmàtic), aquest es troba molt a la vora del receptor de SRP. Aquest mecanisme assegura que totes els ribosomes que inicien la síntesi d’una proteïna de reticle endoplasmàtic es faci allà i permeti la translocació. La translocació de proteïnes solubles en el reticle endoplasmàtic. El pèptid senyal té la funció addicional en aquest tipus de proteïnes d’obrir el porus proteic, a fi de que la proteïna pugui ser translocada. Quan l’extrem final de la proteïna ha acabat de passar pel porus, s’allibera completament al lúmen del reticle endoplasmàtic. En algun moment de la translocació el pèptid senyal és eliminat mitjançant una proteasa de senyal, aquesta proteasa es troba a la superfície interna de la membrana del reticle endoplasmàtic. Les restes de la proteïna senyal són degradades a aminoàcids, que podran ser reaprofitats en el citoplasma per a la síntesi d’altres proteïnes. El canal proteic allibera la proteïna obrint-se, lateralment en la membrana. La translocació parcial de les proteïnes transmembrana resulta més complexa depenent del nombre de vegades que travessin la membrana, ja que hi haurà regions que hauran de ser inserides i altres que no. Però en general en el cas de que travessin només un cop la membrana requereix una seqüència senyal intermèdia que aturi el procés de translocació. La hipòtesi del pèptid senyal va ser formulada els anys 70 i no va ser demostrada fins el 1999, per G. BLOBEL, al qual li van donar el premi Nobel de medicina. Aquesta teoria és força segura ja que s’ha comprovat des de múltiples maneres, i serveix tant per cèl·lules eucariotes animals, vegetals, com procariotes. 2.- Glicosilació o glucosilació de proteïnes al lúmen del reticle endoplasmàtic.

En aquest procés hi ha una modificació química que pateixen la majoria de proteïnes sintetitzades en el reticle endoplasmàtic que consisteix en la addició d’un sucre. Per tant en aquest procés esdevenen glucoproteïnes, en concret en el reticle endoplasmàtic es tracta d’un oligosacàrid de 14 residus de sucre ( 2 N-acetilglucosamina (GlcNAc)2, 9 manosa (Man)9, 3 Glucosa (Glc)3). Aquest oligosacàrid s’uneix a les cadenes laterals del aminoàcid Asparagina (Asn).

Totes les glucoproteïnes resulten de aquesta addició del oligosacàrid al les cadenes laterals del aminoàcid Asparagina. Aquest oligosacàrid serà modificat més endavant en el aparell de Golgi.

Page 23: Biologia Cel·lular

23

L’entrada del oligosacàrid al reticle endoplasmàtic es fa a través de d’un lípid de la membrana anomenat dolicol que s’adhereix al sucre i el fa entrar per un moviment de flip-flop per tant amb una despesa d’ATP.

La unió del sucre amb la proteïna es fa a partir d’un enzim anomenat glicosiltransferasa, que va unit a la superfície interna de la membrana del reticle endoplasmàtic. Aquest procés es produeix a partir de que la cadena polipeptídica comença a ser inserida al lúmen del reticle endoplasmàtic rugós, evidentment tan bon punt troba una Asparagina.

Les funcions d’aquest oligosacàrid en la glicoproteïna es creu que poden ser: protegir la proteïna de la degradació d’altres enzims o substàncies, retenir la proteïna dins del reticle endoplasmàtic fins que estigui correctament plegada, ja que altrament no és funcional; ajudar a guiar la proteïna fins a l’orgànul adequat, ja que sembla que actuen com a senyal de transport per les proteïnes de transport adequades, com és el cas concret de les proteïnes lisosomals; formen part del glicocàlix o coberta cel·lular que serveix per al reconeixement cel·lular.

3.- Destí de les glucoproteïnes emmagatzemades en el reticle endoplasmàtic rugós.

- Algunes poques poden estar destinades a ser retingudes en el reticle, per formar part del contingut luminal o de la membrana del reticle endoplasmàtic. Si alguna d’aquestes s’escapa cap a l’aparell de Golgi és retornada al seu lloc a partir d’un canvi conformacional i de vesícules de transport.

- Moltes però marxen en vesícules cap a l’aparell de Golgi, per tal de ser modificades, empaquetades i classificades per llavors ser secretades a l’exterior en grànuls de secreció.

- Moltes també passen a formar part del lúmen d’altres orgànuls del sistema membranós com són els peroxisomes, aparell de Golgi i endosomes.

- Moltes també passen a formar part de la membrana plasmàtica i la membrana d’altres orgànuls intracel·lulars. Aquestes viatgen bastant directament cap al seu destí ja que no requereixen de gaires més modificacions.

4.1.6- Funcions del reticle endoplasmàtic llis. Cal destacar que el reticle endoplasmàtic llis en general és poc abundant en les cèl·lules eucariotes, a excepció de algunes especialitzades o aquest abunda molt. Les seves variades funcions estan relacionades amb el metabolismes de lipídic. Es troba en abundància en les següents cèl·lules: les glàndules adrenals, apàtiques, algunes dels testicles i dels ovaris. Les cèl·lules de les glàndules adrenals contenen els enzims necessaris per modificar el colesterol per fer hormones esteroidals. Les cèl·lules apàtiques tenen molts enzims per a la síntesi de components lipídics de les glucoproteïnes, aquestes catalitzen reaccions que degraden components liposolubles perjudicials per la cèl·lula. Algunes cèl·lules dels ovaris i dels testicles fabriquen algunes hormones com els andrògens i els estrògens.

Funcions del reticle endoplasmàtic llis

Síntesi de lípids

En el reticle endoplasmàtic llis es sintetitzen fosfolípids i colesterol (components bàsics de la membrana). En el lúmen del reticle endoplasmàtic llis hi ha els enzims necessaris per tal que es pugui realitzar a partir d’àcids

grassos del citosòl que entren per difusió. Síntesi de

derivats lipídics Les hormones esteroidals deriven del colesterol endogen o exogen en

presència dels enzims adequats.

Page 24: Biologia Cel·lular

24

Destoxificació

El reticle endoplasmàtic llis és capaç de degradar moltes substàncies tòxiques liposolubles endògenes ( molts productes resultants del metabolisme

intermedi) i exògenes (moltes drogues, insecticides, herbicides, residus industrials, conservant d’aliments i medicaments). El procés consisteix en la l’oxidació a través de reaccions bioquímiques per tal d’aconseguir altres menys tòxiques fàcilment degradables pel reticle endoplasmàtic llis.

Contracció muscular

En les cèl·lules musculars el reticle endoplasmàtic llis està modificat perquè està molt especialitzat, s’anomena sarcoplasma (Reticle sarcoplasmàtic).

Consisteix en un sistema de canals molt subdividits que s’escampen per tot el citoplasma, que actua com a sistema de conducció dels impulsos nerviosos

que portaran a la contracció muscular. 4.1.7- Funcions comunes d’ambdós regions del reticle endoplasmàtic. Globalment les regions del reticle endoplasmàtic actuen com:

- A suport mecànic del citoplasma cel·lular ja que formen una xarxa de sàculs, tubulars i aplanats que es disposen per tot el citoplasma cel·lular donant-li consistència.

- En la formació de lipoproteïnes, ja que les proteïnes són sintetitzades pels ribosomes del reticle endoplasmàtic rugós i passen als túbuls del llis on se sintetitzen els lípids. Llavors la lipoproteïna es transportada cap al aparell de Golgi, i d’allà al seu destí final. Hi ha una regió que és parcialment llisa i rugosa, que s’anomena elements transicionals o porció de transició que és d’on surten les glucoproteïnes i les lipoproteïnes.

- Una altra funció comuna és el transport i emmagatzemament de molècules en el lúmen d’aquests orgànuls. Tant poden emmagatzemar, majoritàriament molècules intracel·lulars (glucoproteïnes, lipoproteïnes i lípids), o bé minoritàriament molècules d’origen extracel·lulars que entren per endocitosi.

- També es renoven components de les membranes, com la plasmàtica, la del reticle endoplasmàtic o la d’altres orgànuls, a partir de components del reticle endoplasmàtic. Es pot dir que les membranes es troben en un procés de reciclatge continu; per exemple en el cas de la membrana plasmàtica s’ha comprovat amb la tècnica dels isòtops radioactius que les proteïnes de alt per molecular són renovades cada 2 a 5 dies, les de baix pes molecular són renovades cada 7 a 13 dies, i els lípids cada 3 a 5 dies. Per la síntesi d’aquests components de les membrana es necessita el reticle endoplasmàtic llis, i els seus enzims per a la síntesi de lípids, i del rugós els ribosomes per a la síntesi proteica i els enzims per a la modificació de proteïnes.

4.2- Transport del reticle endoplasmàtic al aparell de Golgi. El transport del reticle endoplasmàtic al aparell de Golgi i d’aquest a altres orgànuls es fa sempre en vesícules de transport tancades que surten per gemmació d’una membrana i es van a fusionar a una altra membrana. Quan la membrana d’un compartiment produeix vesícules per gemmació, aquestes capturen un cert carregament de molècules del lúmen del compartiment. Després del transport les vesícules fusionen la seva membrana a la d’aquell compartiment i resten afegides allà, en aquest procés aboquen el seu contingut a l’interior del compartiment. En la formació de les gemmes, la superfície que dóna al citoplasma del compartiment gemmat s’hi forma coberta proteica característica que ajuda a formar la vesícula, donant lloc a vesícules cobertes. Un cop ja està formada la vesícula, aquesta coberta proteica es desfà per tal de no entorpir la fusió amb una altra membrana. La vesícula és transportada a la membrana del compartiment diana. Aquest transport és altament específic i especialitzat. Les vesícules de transport tenen uns marcadors en les membranes anomenats marcadors moleculars, aquests donen especificitat a la vesícula. Aquests només són reconeguts pels seus receptors complementaris de la

Page 25: Biologia Cel·lular

25

membrana de destí. Cal destacar que no se les coneix gaire, però el que si se sap del cert és que no són gaire comunes i que es tracta de proteïnes transmembrana de la família de les SNARE. Aquesta família es divideix en les V-SNARE, que fan referència als marcadors de les vesícules, i les T-SNARE, que fan referència als receptors de la membrana de l’orgànul diana (en anglès target, d’aquí ve la T). Després del reconeixement hi ha la fusió en que hi intervenen algunes proteïnes citosòliques, que s’anomenen proteïnes de fusió de membrana. Tots els lípids i proteïnes ensamblades en el reticle endoplasmàtic han de ser modificats segons a quin orgànul o cèl·lula diana vagin dirigits. El 1975 es va descobrir que el major sistema de classificació d’aquestes proteïnes es fa en l’aparell de Golgi. 4.2.1- Aparell de Golgi. L’aparell de Golgi està format per un sistema membranós present en les cèl·lules eucariotes. Va ser descobert per Camilo Golgi el 1898, en el microscopi òptic fent servir una tècnica de tinció anomenada impregnació argèntica. Aquest va ser inicialment anomenat aparell reticulat intern. L’aparell de Golgi està present en totes les cèl·lules eucariotes a excepció dels eritròcits de mamífers que al no tenir nucli quan són madurs ja no els queda aquest orgànul. És una estructura vesiculomebranosa formada per compartiments o cisternes membranoses, apilades unes sobre les altres. Hi ha moltes vesícules petites en els extrems d’aquestes. Les cisternes tenen un diàmetre entre 10 i 100 nm. Les vesícules de transport es modifiquen químicament en l’interior de l’aparell de Golgi. Trobem vesícules a tots els costats de l’aparell de Golgi, unes que entren, altres que surten i les dels extrems de les cisternes, aquestes últimes són les úniques que es consideren pròpies de l’aparell de Golgi. La ultraestructura d’aquest orgànul es va descobrir anys més tard amb el ME de T, el 1950-1960. S’hi distingeixen tres nivells d’organització: les més simples són les cisternes que formen les unitats fonamentals, després hi troben els dictiosomes que estan formats per un conjunt de varies cisternes que es troben apilades i, per últim el complex de Golgi que conté tots els dictiosomes de la cèl·lula. El nombre de dictiosomes i cisternes depèn de l’espècie i del tipus de cèl·lula, depenent de si és molt o poc activa. En una cèl·lula típica de mamífer hi troben de 4 a 8 cisternes per dictiosoma, mentre que en les vegetals se’n necessiten unes 20 i en algunes algues verdes fins i tot 30, això es degut a que són cèl·lules menys eficients i per tant, en necessiten més. La cisterna és aplanada i en forma de disc i té un diàmetre d’un µm. El lúmen està ple de fruit, envoltat per una membrana lipoproteica d’un gruix d’entre 60 a 70 Ǻ (6-7 nm), en la seva composició la proporció de lípids i proteïnes està a mig camí entre la de les membranes cel·lulars i la de les membranes del reticle endoplasmàtic. La regió central és aplanada i per tant molt prima, amb un gruix d’entre 10 i 20 nm., mentre que en els extrems s’eixampla i té un gruix de 60 i 70 nm. En els dictiosomes l’espai que separa les cisternes és de 20 a 30 nm (200-300 Ǻ). En totes les cèl·lules tenen una estructura apilada, menys en les cèl·lules que estan en divisió. Com ja hem dit els dictiosomes estan formats per un conjunt de cisternes, a la perifèria de les quals hi trobem les vesícules que són pròpies d’aquest aparell. L’any 1980 Rothman i col·laboradors van demostrar que l’apilament de les cisternes presentava una estructura ben definida formant tres compartiments que contenen una o més cisternes: el cis és la part del dictiosoma més propera al reticle endoplasmàtic i al nucli; el medial és aquell que es troba entre el cis i el trans; el trans és el més allunyat del nucli i proper al límit de la cèl·lula. Amb aquests mateixos mots

Page 26: Biologia Cel·lular

26

també podem definir la part externa cis, la cara cis, l’externa trans i la cara trans. Dintre de cada compartiment podem distingir entre, la CGN (cis, Golgi, Network) la cisterna més propera al nucli i la TGN (trans,Golgi, Network) l’última cisterna més allunyada del nucli. Cada compartiment té una funció química diferent (especificitat de funció dels compartiments) (fosforilacions, glucosilacions,...). Entre cis, medial i trans es desplacen les vesícules de transport de Golgi. Les vesícules abans d’arribar a cis s’anomenen vesícules de transició que han perdut la coberta proteica després d’abandonar el reticle endoplasmàtic. Les vesícules després de trans s’anomenen vesícules de secreció. Les vesícules de transició són més petites que les vesícules de Golgi (100 Ǻ) s’uneixen per la cara convexa, cis, i transporten glucoproteïnes i lipoproteïnes. Les vesícules secretores són més grans que les de transició, surten per la cara còncava, trans, i contenen lípids i proteïnes ja modificats en els diferents compartiments (entre 100 i 1000 Ǻ). El destí d’aquestes últimes pot ser formar part de grànuls de secreció que surten per una via d’exocitosi cap a l’exterior de la cèl·lula, lisosomes que per una via endosòmica aniran a fer les seves funcions de digestió intracel·lular o bé formar i renovar les membranes de la cèl·lula. Els enzims dels sacs varien i fan funcions força diferents. En el dictiosoma també es conserva l’asimetria pel que fa a la composició bioquímica, la morfologia i la secreció en altres orgànuls. 4.2.2- Funcions de l’aparell de Golgi. Glicosilació. En aquest procés hi intervenen les proteïnes formades en el reticle endoplasmàtic encara que aquestes ja han patit aquest procés en el orgànul d’origen (glicoproteïna 1), aquesta es perd en formar la vesícula de transport, perden 3 glucoses i 1 manosa. Totes les proteïnes han de passar per aquest procés (Glp2). Un cop en l’aparell de Golgi hi ha diverses glucosilacions segons el destí de la proteïna. La més simple es produeix en el cas dels lisosomes que necessiten poques modificacions bioquímiques i només precisen d’una fosforilació en el cis, i passaran els altres sense cap actuació. En el cas dels grànuls de secreció i de renovació de membranes necessiten una modificació més completa on s’eliminen casi totes les unitats de manosa, per l’acció d’enzims glucosiltransferases del compartiment medial s’addicionen N-acetilglucosamines, i en el trans s’afegeix galactosa. L’aparell de Golgi intervé en el procés de secreció en concret en la transformació, emmagatzemament, classificació i transport de productes sintetitzats en el reticle endoplasmàtic, cadascun d’aquests passos té relació amb les funcions dels compartiments. Es creu que en el compartiment cis es fa una primera preselecció però que no resulta definitiva fins al trans. Les glucosilacions que determinen el destí de les proteïnes venen donades per dos vies, la constitutiva i la regulada, la primera és la pròpia de totes les cèl·lules eucariotes, que es caracteritza per la seva rapidesa (20 min) i continuïtat; l’altra només la fan les cèl·lules secretores i la seva realització depèn de la presència d’un senyal extern (hormones, neurotransmissors) i el seu procés pot tardar força (60 min – hores). Transport. El transport de cis a trans es considera que les cisternes són estructures fixes, mentre que les proteïnes viatgen de cisterna a cisterna en vesícules de transport de l’aparell de Golgi, produïdes per gemmació. Són recuperades per la membrana de la cisterna següent del mateix tipus, però que pot ser del mateix o d’un altre dictiosoma. És sempre un transport unidireccional. Les proves que recolzen aquesta teoria del transport són el fet que els dictiosomes estan envoltats de moltes petites vesícules que contenen proteïnes en diversos estats de maduració química, també se sap que les vesícules de transport són suficientment selectives com per seleccionar les proteïnes d’un cert estat de maduració d’un compartiment mitjançant uns marcadors i receptors de la cara interna de la membrana (com en el cas de les hidrolases) i llavors transportar-los fins a la cisterna següent. Aquesta teoria també es recolza en el fet que les vesícules són un mitjà de transport molt comú entre els orgànuls. Les vesícules de transport han de tenir la capacitat de dissociar-se del dictiosoma i seleccionar la membrana diana; alguns estudis suggereixen que aquest procés està regulat per factors

Page 27: Biologia Cel·lular

27

proteics, les proteïnes SNARE, proteïnes de fusió de membranes del citosòl (NSF, SNAP); i molècules energètiques (ATP, GTP) i ions (Ca2+). El millor i més conegut model que explica aquest procés és el lisosomal, que veurem a continuació. Altres funcions de l’aparell de Golgi són la seva participació en la formació de l’acrosoma dels espermatozoides dels mamífers. Es tracta de la vesícula acrosomal que conté els enzims lipídics necessaris per tal de penetrar les diferents capes de l’oòcit per tal de que tingui lloc la fecundació. També contribueix en la formació de fragments de membrana del reticle endoplasmàtic, l’embolcall nuclear i la membrana plasmàtica de la cèl·lula. En el cas de les cèl·lules vegetals intervé en la formació del tabic tel·lofàsic durant la mitosi i la paret cel·lular. El nucli influeix en la formació i el desenvolupament de l’aparell de Golgi, controla la forma, el nombre de dictiosomes, el nombre de cisternes per dictiosoma i la formació de les cisternes. 4.3- Lisosomes i peroxisomes. 4.3.1- Lisosomes. 4.3.1.1- Morfologia i característiques generals dels lisosomes. Els lisosomes són orgànuls molt petits, de 0,2 a 0,5 µm però en podem trobar a partir de 0,05 µm., per poder distingir-los calen tècniques de contrastació bioquímica i suposen un límit per al microscopi òptic, però no pas pel microscopi electrònic. Tenen una forma esfèrica, amb membrana lipoproteica de 6 a 7 nm. En el seu interior posseeixen un conjunt elevat de enzims hidrolítics que els fa capaços de degradar molècules de manera controlada en la digestió intracel·lular. No van poder ser identificats fins al 1955 per mètodes morfològics i per tant no es van poder observar, fins llavors que Novikoff ho va fer amb el ME de T. Se’ls considera un grup d’orgànuls divers pel que fa al seu contingut i a les seves dimensions. Aquesta gran diversitat morfològica, en contrast amb la uniformitat dels altres orgànuls, es reflecteix en la gran varietat de funcions digestives, per la naturalesa i quantitat del que tenen que digerir. Hi fins i tot autors que consideren que són un conjunt heterogeni d’orgànuls que se’ls agrupa per la seva funció. Es troben en cèl·lules eucariotes animals a excepció del eritròcits madurs de mamífers que els perden per diferenciació. En les cèl·lules eucariotes vegetals no ha estat demostrada la seva existència , però sembla que els enzims hidrolítics es troben dins dels vacuols i fan allà la mateixa funció. En les cèl·lules procariotes no existeixen però en la perifèria del citoplasma s’hi concentren certs enzims hidrolítics que poden ser alliberats a l’exterior i així degradar altres organismes que hi hagin a l’exterior (algun altre bacteri) i llavors absorbir-ne els components digerits. Pel que fa a la quantitat se’n troben molts, però amb proteïnes que poden variar molt, el numero d’aquests varia segons l’activitat cel·lular que tingui i el tipus de cèl·lula de que es tracti. Es solen trobar a centenars. Són molt nombroses en les cèl·lules especialitzades en la defensa (macrofags i neutròfils) on són bastant especialitzats. Tots els lisosomes es caracteritzen per tenir un contingut molt elevat en enzims, la naturalesa dels quals varia segons la cèl·lula de que es tracti. Hi ha uns 40 enzims lisosomals diferents, moltes hidrolases àcides, nucleases, proteases, glicosidases, lipases, fosfolipases (de aquestes la fosfatasa àcida és comuna a tots els lisosomes, utilitzat com a marcador dels lisosomes, ja que per la presència d’aquest enzim es pot dir si és un lisosoma o no), sulfatases, etc.

Page 28: Biologia Cel·lular

28

4.3.1.3- Membrana dels lisosomes. Els lisosomes també tenen una membrana característica en contingut proteic, hi trobem bombes de protons que utilitzen ATP per bombar protons de l’interior del citoplasma cap a l’interior del lúmen del lisosoma per tal que aquest es mantingui en un pH àcid de 5, ja que els enzims que hi ha en l’interior d’aquest tinguin un rendiment màxim. També hi ha proteïnes de transport específiques que s’utilitzen per donar una permeabilitat tal que li permetin treure a l’exterior els components útils que resulten de la degradació ( sucres, aminoàcids, nucleòtids,...). aquesta membrana és capaç de mantenir els seus enzims fora de l’abast del citosòl ja que si s’alliberessin en massa podrien degradar tota la cèl·lula, però si funcionen malament o tenen un trencament i la fuita és petita no passa res ja que el pH del citosòl (7,2) queda molt lluny del pH òptim de les hidrolases i llavors seran degradats abans no facin malbé res. 4.3.1.4- Biosíntesi dels lisosomes. La síntesi dels lisosomes requereix la síntesi dels enzims lisosomals (hidrolases) i la síntesi de proteïnes de membranes lisosomals (bombes de hidrogen i proteïnes de transport). Es fabriquen en el reticle endoplasmàtic on han de ser transportades fins a la xarxa trans Golgi d’on surten en vesícules de transport que han de ser suficientment específiques per portar la proteïna lisosomal i excloure les altres, mitjançant el reconeixement per part de les proteïnes correctes; aquestes són descarregades en un compartiment intermedi anomenat endolisosoma i que es creu que per maduració acaba esdevenint un lisosoma. Se sap que les hidrolases presenten un sol marcador en forma de grup manosa 6-fosfat, en experiments in vitro. Aquest marcador s’afegeix en el compartiment cis del Golgi, el receptor Manosa 6-fosfat complementari es troba en la cara trans Golgi, on es formen les vesícules recobertes per gemmació, és una proteïna transmembrana que s’uneix als marcadors dels enzims lisosomals. Els enzims lisosomals i les proteïnes transmembrana propis dels lisosomes surten de l’aparell de Golgi en compartiments diferents. Hi ha diferents tipus de receptors que els reconeixen, el mecanisme a nivell molecular és molt conegut en el cas de les hidrolases lisosomals que van al lúmen del lisosoma; però no es coneix el mecanisme pel qual arriben les proteïnes de membrana del lisosoma, ja que es classifiquen de manera diferent. El pH del endolisosoma és lleugerament àcid (pH=6) i permet que es dissociïn del marcador la manosa 6-fosfat, precursor lisosomal que allibera el grup fosfat i el receptor que torna al trans Golgi. Aquest endolisosoma ja podrà començar a digerir el material endocitat, procés que acabarà en el lisosoma. Alguns autors creuen que és la maduració dels primers per mitjançant la pèrdua d’algun component de la membrana. 4.3.1.5- Funcions: vies de degradació dels lisosomes. La degradació depèn de l’origen del material

Micropinocitosi Fase líquida Pinocitosi

Exogen

Fase sòlida Fagocitosi Endogen La degradació hidrolítica es duu a terme en primer lloc en l’endolisosoma i en segon lloc en el lisosoma per un suposat procés de maduració.

Page 29: Biologia Cel·lular

29

La digestió de material exogen el que quedi per digerir dins el lisosoma per falta dels enzims necessaris s’anomena digestió incompleta, es formaran unes estructures anomenades cossos residuals que migren cap a la superfície cel·lular i expulsen el seu contingut; en cèl·lules de llarga vida com són les neurones, les cèl·lules musculars cardíaques i les del fetge, aquests cossos residuals costen més d’eliminar i amb el temps si s’acumulen i no s’eliminen es converteixen en estructures més denses anomenades grànuls de lipofucsina que poden acabar amb la mort de la cèl·lula. En el cas normal les membranes deixen passar els productes digerits aprofitables donant lloc a la nutrició, en el cas dels fagosomes a més a més de la nutrició també serveix de defensa ja que eliminen partícules tòxiques o microorganismes patògens. La via per digerir el material endogen és una digestió de parts envellides o lesionades de la cèl·lula que s’anomena autofagia. Aquest és un procés altament regulat encara que poc conegut ja que no se sap quin és el tipus de senyal que determina que una part envellida o orgànul vell ha de ser destruït i de quina manera. L’autofagia pot tenir com objectiu la renovació d’orgànuls cel·lulars o la regulació de processos cel·lulars que poden ser patològics o no. En el primer cas un autofagosoma va fins a un endosoma per acabar esdevenint un lisosoma. Cal tenir en compte que un mitocondri, per exemple, té un temps d’utilitat de cinc dies. El primer exemple de la regulació d’un procés no patològic pot ser el fet que les cèl·lules mortes o molt envellides mitjançant el trencament de la membrana dels lisosomes en massa destrueixen tota la cèl·lula, procés que s’anomena autolisi o autocitolisi. També un altre exemple de regulació de processos no patològics és que els grànuls de secreció d’insulina en excés són degradats per un procés d’autofagia en no rebre un senyal que els faci sortir. Un exemple de procés patològic és el fet que una zona d’una cèl·lula activa estigui lesionada i llavors és envoltada de membrana i destruïda per evitar la degradació de més part de la cèl·lula. Aquests orígens diferents del material endocitat fa que hi hagin tipus morfològics diferents de lisosomes. 4.3.2- Peroxisomes. 4.3.2.1- Morfologia i característiques generals. Els peroxisomes tenen formes esfèriques o ovoidals amb una membrana lipoproteica de 6-7 nm, són petits. Tenen una funció diferent als lisosomes. Contenen enzims oxidatius. Són un grup molt heterogeni, fins i tot cèl·lules diferents d’un mateix organisme poden tenir dins els peroxisomes enzims diferents. En totes les cèl·lules eucariotes animals o vegetals es troben a centenars i són especialment abundants en les cèl·lules dels ronyons i dels fetges, on se’n poden trobar aproximadament uns quatre-cents. La seva composició varia entre cèl·lules, teixits i organismes. Van ser descrits per primer cop per Christian de Duve al 1950 durant estudis enzimàtics i de fraccionament cel·lular en cèl·lules de ronyó de rata. No van poder ser ben observades fins als anys 60 mitjançant tècniques contrastades en bioquímica i MET. En algunes zones dels peroxisomes podem observar estructures més electrodenses anomenades cristal·loide o nucleoide que són zones amb una elevada concentració d’algun tipus d’enzim (freqüentment urat oxidasa) formant estructures no del tot cristal·lines, paracristalines. Les dimensions dels peroxisomes en les cèl·lules de fetges de mamífers és on són més grans i abundants, de 0,3 a 0,7 µm, mentre que les altres cèl·lules solen ser de 0,15 a 0,25 µm que s’anomenen microperoxisomes i no s’hi troben cristal·loides.

Page 30: Biologia Cel·lular

30

En el seu contingut hi podem trobar quatre tipus d’enzims diferents

Urat oxidasa ↑↑ D- aminoàcid oxidasa (d-aminoxidasa)

Oxidases

α- hidroxiàcid oxidasa Peroxidasa Catalasa ↑↑ En les cèl·lules de fetge i ronyó hi troben els quatre tipus d’enzims diferents però a les altres cèl·lules hi trobem sempre presents la catalasa i l’urat oxidasa. 4.3.2.3- Membrana dels peroxisomes. Els peroxisomes tenen una membrana típica i exclusiva, que com a mínim té una proteïna de membrana receptora específica que es troba a la cara citosòlica; aquesta li permet reconèixer i importar totes les proteïnes específiques i característiques d’aquest per transferència selectiva des del citosòl, on se sintetitzen per ribosomes que reben una seqüència senyal específica en l’extrem carboxil terminal en els aminoàcids i en el RNA missatger. 4.3.2.4- Biosíntesi dels peroxisomes. Per formar peroxisomes cal importar les proteïnes lisosomals del citosòl, aquestes estan marcades amb un pèptid senyal que les dirigeix cap al peroxisoma. Les reconeix gràcies a receptors específics de les proteïnes que ha d’incorporar. Els peroxisomes es formen a partir d’altres peroxisomes, per la estrangulació i fissió d’aquests. Es pensa que la incorporació de lípids es va fent a partir de lípids que prèviament estan en el citosòl. Els peroxisomes estan en important components del citosòl tal i com ho fan els mitocondris i els cloroplasts, tots ells estan considerats orgànuls autoreplicatius, tots ells es divideixen en desfasament amb la divisió de les cèl·lules. Tot i això, els peroxisomes no tenen ni DNA ni ribosomes en el seu interior. El nombre d’orgànuls que la cèl·lula té en un determinat moment bé marcat i regulat per la necessitat que tingui aquesta de la funció que certs orgànuls realitzen. Per exemple si li cal energia hi hauran més mitocondris i si li cal fagocitar més hi hauran més lisosomes. La vida mitjana d’un peroxisoma és de 4,5 dies, i llavors és destruït per autofagia. 4.3.2.5- Funcions dels peroxisomes. Juntament amb els mitocondris són els principals llocs on s’utilitza l’oxigen per fer reaccions oxidatives. Tot i això en el cas del peroxisomes no estan acoblades a la producció d’ATP com en les reaccions d’oxidació respiratòries mitocondrials.

Vies metabòliques en que poden intervenir els peroxisomes.

Destoxificació (↑↑)

Les oxidases peroxisomals són capaços d’utilitzar l’oxigen per tal de oxidar substrats orgànics produint peròxid d’hidrogen. Aquest peròxid d’hidrogen

també és utilitzat per degradar diverses substàncies com fenols, àcid fòrmic, formaldehids i alcohol. Però en cas de no fer-se servir i si s’acumula és

degradada per la catalasa. Com a curiositat mèdica cal destacar que la meitat de l’etanol que bevem és oxidat pels peroxisomes, i que les cèl hepàtiques

tenen la capacitat de degradar 12ml etanol/hora. Oxidació

àcids grassos En els peroxisomes es fa la oxidació d’un 25% dels àcids grassos la resta es fa en els mitocondris. Els àcids grassos oxidats produeixen acetil CoA, que des

Page 31: Biologia Cel·lular

31

del citosòl s’incorpora al mitocondri per fer el cicle de Krebs. Catabolisme oxidatiu

Determinats components cel·lulars que la cèl·lula no ha pogut oxidar i que millor que no s’acumulin. D-aminoàcid, NADH, bases dels àcids nucleics vells.

Control nivells oxigen

Per evitar l’envelliment cel·lular i dels teixits, convé regular els nivells d’oxigen per tal que no envelleixin.

Tema 5: Mitocondris. 5.1- Compartiments mitocondrials 5.1.1- Característiques generals i morfologia. Els mitocondris es troben en totes les cèl·lules eucariotes. Van ser descoberts el 1884 per Altman. Però no se’ls va donar el nom de mitocondris fins el 1897 per Benda. Aquests orgànuls són capaços de realitzar la majoria de les reaccions d’oxidació de les molècules nutritives. Aquests són capaços de produir la major part de l’ATP que necessita la cèl·lula. Pel que fa a la seva morfologia tenen forma de cilindre allargat, amb un diàmetre de 0,1 a 1 µm, amb una longitud que pot anar de 1 a 7 µm, però generalment es troben entre 3 a 4 µm, aquesta variabilitat es dóna perquè són orgànuls amb molta flexibilitat (deformables), tenen una gran plasticitat. Cal destacar que són molt sensibles a canvis en la pressió osmòtica i el pH, que si és àcid fa que tinguin una forma totalment esfèrica; i també de l’estadi del cicle funcional en que es trobi la cèl·lula. S’ha comprovat que els mitocondris són orgànuls mòbils, per mitjà de tècniques micronematogràfiques i també mitjançant colorants vitals específics per la tinció d’aquests. Per moure’s ho fan associats a microtúbuls del citoesquelet. Això fa determinar quina es la distribució en cada tipus cel·lular, sol ser una distribució uniforme com en el cas de les cèl·lules hepàtiques. Però hi ha excepcions relacionades amb la producció d’energia, que fa que tendeixin a acumular-se en una regió més o menys fixa on hi ha una despesa energètica més o menys intensa. Cosa que fa que puguin proporcionar ATP més ràpid. Alguns exemples de cèl·lules que presenten una distribució irregular dels mitocondris són: les cèl·lules del múscul cardíac, que els tenen en gran nombre entre les miofibriles; en l’espermatozoide de mamífer es troben dispersats per sobre de la primera part de la cua on estan formant una estructura helicoidal al voltant de l’axonema; i també a les cèl·lules especialitzades en la absorció de substàncies pel pol basal de les cèl·lules renals, es troben en gran concentració per tal de fer funcionar les proteïnes transportadores actives que requereixen una despesa energètica mentre que al pol apical d’aquestes cèl·lules pràcticament no n’hi ha.. El nombre de mitocondris també és variable segons el tipus de cèl·lula que es tracti, però alhora constant per un mateix tipus cel·lular. Depèn en gran mesura de la activitat cel·lular que realitzi aquella cèl·lula. Per tant en una cèl·lula amb molta activitat metabòlica intensa en trobarem molts. Per exemple: les cèl·lules hepàtiques en poden tenir entre 1.000 i 2.000, els espermatozoides de 20-25, i els oòcits de mamífer en tenen uns 300.000.

Page 32: Biologia Cel·lular

32

5.1.2- Ultraestructura i composició química. 5.1.3- Compartimentació i permeabilitat mitocondrial. Aquesta només s’ha pogut determinar a partir del MET. És un orgànul amb dos membranes, totes dues amb una naturalesa lipoproteica i d’uns 7 nm. La membrana mitocondrial externa que dóna al citosòl és llisa, mentre que la membrana mitocondrial interna que dóna a la matriu té una superfície que no és llisa sinó que presenta uns replegaments anomenats crestes mitocondrials. Aquestes dos membranes defineixen dos espais ben diferenciats com són la matriu mitocondrial o cambra interna del mitocondri, i l’espai intermembrana o espai perimitocondrial. Estan separades només per uns quants nanometres. La composició química en l’espai intermembranós és ric en diversos enzims que catalitzen la transferència del grup fosfat, les fosforilases, genèricament anomenades quinases. Per acabar-les de determinar s’ha de fer referència a quina molècula afegeixen el grup fosfat. La composició química de la matriu mitocondrial és de material semifluid: molècules de DNA mitocondrial i fosfats. Les molècules de DNA mitocondrial són diferents del DNA nuclear, ja que n’hi ha diverses còpies i sol ser de tipus circular. Els ribosomes mitocondrials són diferents dels que es troben en el citosòl perquè són més petits i alhora diferents als dels cloroplasts i als dels procariotes tot i que presenten més semblants que amb els del citoplasma. En el RNA mitocondrial també trobem els tres tipus, el missatger, el de transferència i el ribosòmic. També dins de la matriu hi trobem alguns enzims per a l’expressió dels gens mitocondrials. La combinació dels tres elements clau com són el RNA, els enzim i els ribosomes permeten la síntesi d’algunes proteïnes integrals de la membrana interna del mitocondri. Tot i això la majoria de les proteïnes que usa aquest orgànul les ha d’importar. La concentració d’enzims diferents que trobem a l’interior serveixen per una funció principal que és la de la respiració cel·lular. També dins dels mitocondris trobem uns grànuls matricials (50 nm) que contenen ions com el Ca2+, el Mg2+ i el fòsfor inorgànic. En general la composició de les membranes mitocondrials és d’un 70% de proteïnes i d’un 30% de lípids, però aquesta composició general varia segons estiguem parlant de la membrana interna o de la externa. La membrana mitocondrial externa té una fracció lipidica d’un 40%, en la qual predominen el colesterol i la fosfatidiletanolamina, i l’altra fracció proteica d’un 60% hi predominen els enzims implicats en el metabolisme lipídic de la membrana interna, també abunden les porines, que són unes proteïnes de canal amb uns porus molt grossos, cosa que els fa que siguin molt permeables a molècules que no passin dels 10.000 daltons com la sacarosa, ions i proteïnes petites. Això contrasta amb la impermeabilitat de la membrana mitocondrial interna que no deixa travessar la majoria de les molècules que travessen la externa ja que no té porines. En la composició de la membrana mitocondrial interna hi trobem un contingut d’enzims molt més alt que en la interna. És impermeable a la major part dels ions i a la sacarosa ja que no té porines. Pel que fa a la composició hi trobem una fracció proteica que representa el 80%, on hi i han proteïnes especialitzades en el transport, que fan que la membrana interna sigui permeable selectivament a metabòlits o ions inorgànics; enzims per catalitzar reaccions d’oxidació de la cadena respiratòria, i complexos d’ATPsintetasa que catalitzen la formació d’ATP mitjançant reaccions de fosforilació oxidativa per mitjà de partícules F o complexos d’ATPsintetasa. Pel que fa a la fracció lipidica que és d’un 20% trobem que no hi ha pràcticament colesterol hi ha molta cardiolipina, que és un fosfolípid de quatre cadenes carbonades que l’impermeabilitzen al pas de ions.

Page 33: Biologia Cel·lular

33

En el mitocondri es duen a terme tres tipus de funcions, l’objectiu de les quals és la producció en gran quantitat d’ATP. La cadena respiratòria és la translocadora dels protons que permeten que hi hagi un gradient electroquímic a través de la membrana mitocondrial interna. Aquest gradient fa que s’impulsi el complex ATPsintetasa. El complex és capaç d’obtenir un gradient de potencial a partir del gradient electroquímic. Per tal que es pugui mantenir aquest gradient electroquímic cal que hi hagi una impermeabilitat a altres ions, tal i com s’afirma en la teoria quimiosmòtica de Mitchell (1960). Les crestes de la membrana mitocondrial interna augmenten la superfície sobre la qual es troben les proteïnes de membrana. Aquestes crestes no arriben d’un costat a l’altre del mitocondri, ja que es disposen en una compartimentació oberta a diferència dels cloroplasts, que formen estructures tancades i sense forats com són els tilacoides. La quantitat de crestes varia segons l’activitat cel·lular. Cal destacar que molts transportadors específics tot i la seva impermeabilitat per deixar passar components essencials , el transport actiu impulsat pel gradient electroquímic de protons que hi ha entre la matriu i la matriu i la membrana mitocondrial externa per mitjà de proteïnes simportadores que van acoblades a l’hidrogen i poden transportar fòsfor inorgànic i piruvat; i també a partir de proteïnes antiportadores que permeten l’entrada de ADP i fan sortir ATP. 5.1.4- Biogènesi o origen dels mitocondris. Les cèl·lules per créixer han de generar nous orgànuls citoplasmàtics. Els mitocondris tenen un temps de vida curt, de 5 a 10 dies. Els mitocondris vells són eliminats per autofagia. No se’n sintetitzen de nous sinó que requereixen de la preexistència, creixement i divisió d’altres. Això es pot fer gràcies a que són orgànuls autoreplicatius. El procés de divisió dels mitocondris és força similar al dels bacteris, i com a mínim tots els mitocondris d’una cèl·lula s’han dividit un cop abans que la cèl·lula es divideixi, tot i que es tracta d’un procés independent. La primera etapa del procés de divisió dels mitocondris és el creixement, que ve donat per la capacitat d’aquests de captar elements del citosòl, duplicant així la seva massa. Llavors s’allarga per la seva plasticitat, permetent així el creixement i la invaginació de les crestes mitocondrials cap a l’interior de la matriu. Després les crestes es fusionen formant un tabic, llavors es diu que es un orgànul tabicat. Finalment la invaginació de la membrana mitocondrial externa seguida d’un procés de estrangulació i fissió, acaba amb el procés de partició en dues parts força iguals. 5.2.1- Funcions principals dels mitocondris. La seva funció principal és la respiració cel·lular que consisteix en un conjunt de reaccions d’oxidació de substrats rics en energia com són el piruvat i els àcids grassos. Aquest procés permet la extracció de l’energia química continguda en els glúcids i els lípids en forma de trifosfat d’adenosin (ATP). Aquest procés succeeix en el interior de la matriu i en la membrana mitocondrial interna. Aquesta via metabòlica consisteix de tres parts: La primera és la del cicle de Krebs que es dóna en la matriu mitocondrial, és un procés redox que es dóna en una seqüència organitzada catalitzada per enzims i que té com a productes finals dos molècules de diòxid de carboni, quatre protons que passen a la següent etapa en forma de quatre electrons. La següent etapa és la cadena respiratòria que té lloc en la membrana interna del mitocondri, en aquest procés de transferència de protons i electrons a través d’una sèrie de transportadors

Page 34: Biologia Cel·lular

34

específics que són complexos enzimàtics, i s’anomenen citocroms. Els citocroms són molècules proteiques que contenen com a mínim un àtom de ferro a l’interior de la seva estructura. Aquest àtom de ferro és utilitzat per la seva facilitat per oxidar-se i reduir-se. Cal destacar també la orientació fixa dels citocroms que fa que tots protons siguin bombejats en la mateixa direcció des de la matriu cap a l’espai intermembranós, generant així un gradient de protons. L’acceptor final dels electrons i que per tant és oxidat és l’oxigen. En el pas d’un citocrom a un altre cedeixen una energia i juntament amb el gradient electroquímic permeten la síntesi d’ATP. En la última, la fosforilació oxidativa que té lloc en la membrana interna, en els complexos d’ATPsintetasa. Aquests complexos fan de nexe entre les reaccions d’oxidació de metabolits i la fosforilació o formació d’ATP a partir d’acetil CoA. 5.2.2- Altres funcions. La β-oxidació dels àcids grassos per mitjà d’un procés cíclic. La síntesi d’alguns àcids grassos a partir de, majoritàriament, àcid esteàric. També s’hi poden concentrar determinades substàncies en forma dels grànuls matricials esmentats anteriorment, que contenen ions, metalls, lípids, proteïnes i colorants vitals quan se’ls tenyeix.

Page 35: Biologia Cel·lular

35

Tema 7: Citoesquelet. El citoesquelet és una xarxa de filaments proteics, observables només si els tenyim. Les funcions del citoesquelet són: Tipus 1. Donar forma a la cèl·lula. CA 2. Permetre el moviment de les cèl·lules. CA 3. Permetre la contracció dels músculs. CA 4. Permet separar el citoplasma durant la divisió cel·lular. CAV 5. Permet el repartiment dels cromosomes entre les dues cèl·lules filles. CAV 6. Permet el desplaçament direccional i eficaç d’orgànuls i vesícules dins les cèl·lules. CAV Les funcions 1, 2 i 3 no es donen en cèl·lules vegetals perquè tenen la paret cel·lular que els hi dóna rigidesa, fent-les immòbils impedint així el moviment cel·lular i la contracció muscular. La funció 4 es dóna de forma directe en les cèl·lules animals amb el procés de citocinesi o estrangulació, i en les cèl·lules vegetals per tal de situar correctament el fragmoplast. En les cèl·lules procariotes cal destacar el fet que no hi ha citoesquelet. El citoesquelet és una estructura molt dinàmica que s’està reorganitzant constantment mentre la cèl·lula es divideix, canvia de forma o si es mou. Està format per una xarxa de filaments proteics, tot i així necessita i li són molt importants unes proteïnes que uneixen els filaments entre ells i amb les diferents parts de la cèl·lula. 7.1- Microtúbuls. Funcions dels microtúbuls: 1. Sistema de guies a través de les quals es desplacen orgànuls i vesícules. 2. Formen el fus mitòtic. 3. Els trobem en cilis i flagels.

Page 36: Biologia Cel·lular

36

Tenen una estructura formada per 13 protofilaments formats per cadenes lineals de tubulina. La tubulina és un dímer format per la α - tubulina i la β - tubulina. Aquestes dos subunitats tenen un origen diferent pel que fa a la seqüència d’aminoàcids que les composen. La polimerització d’aquestes molècules es fa de forma orientada deixant sempre un extrem amb una de les subunitats i l’altre amb l’altra subunitat. Aquest fet origina dos extrems dels filaments amb característiques diferents, generant així una polaritat a través de la cèl·lula. Aquesta polaritat és l’origen de com s’aconsegueix direccionar els orgànuls i vesícules. El centrosoma és el principal

centre organitzador de microtúbuls. És el punt central per on comença a polimeritzar-se la tubulina. En una cèl·lula en interfase el centrosoma

està prop del nucli i organitza els feixos de microtúbuls

que a partir d’ells es distribueixen radialment per tota la cèl·lula. Tots els microtúbuls radien a partir d’ells. En el centrosoma tenim cents d’entrades en forma d’anell que estan formades per γ-tubulina. La γ-tubulina actua com a lloc de nucleació o punt de creixement dels microtúbuls. Tots els extrems de tubulina que surten són +, les subunitats α es col·loquen dins el centrosoma (-) i les β es col·loquen més enfora (+). Per aquest criteri podem situar els orgànuls a la zona + quan estan a la perifèria i a la zona – quan estan prop del nucli.

Page 37: Biologia Cel·lular

37

A les cèl·lules animals en els centrosomes hi ha una parella de centríols. Els centríols són estructures cilíndriques formades per microtúbuls, la funció dels quals encara no se sap massa. En els centríols hi ha 9 triplets de microtúbuls formant una estructura similar a la dels corpúscles basals organitzadors de cilis i flagels.

La inestabilitat dinàmica dels microtúbuls. Els microtúbuls estan constantment polimeritzant-se i despolimertitzant-se a partir dels extrems +. S’allarguen o s’escurcen fins al punt de desaparèixer, per això es diu que són dinàmics, és com un tempteigs de la cèl·lula buscant orgànuls per fusionar-s’hi. La inestabilitat es pot modificar amb unes proteïnes que interactuen amb els microtúbuls. Poden fer diferents funcions com bloquejar el creixement i despolimerització dels microtúbuls inhibint la inestabilitat com és el cas dels cilis o flagels. Poden afavorir el creixement dels microtúbuls o afavorir la despolimerització d’aquests. Perquè es doni la inestabilitat hi ha d’haver unitats de tubulina lliure per permetre aquest joc.

En un experiment es van tractar cèl·lules amb capacitat de dividir-se amb colixicina que s’uneix a les subunitats de tubulina impedint la polimerització de microtúbuls. Com a conseqüència de la no polimerització de microtúbols no hi ha divisió cel·lular. També si usem taxol que s’uneix als microtúbuls impedint la polimerització obtenim com a resultat l’aturada de la divisió. En conseqüència, la despolimerització de microtúbuls és necessària per la divisió cel·lular. El taxol mata específicament les cèl·lules en divisió per això, es utilitzat en la quimioteràpia per combatre el càncer.

Page 38: Biologia Cel·lular

38

Desplaçaments intracel.lulars. Es dóna gràcies a proteïnes motores que s’uneixen amb microtúbuls i utilitzant l’energia produïda en la hidròlisi d’ATP. Aquest moviment s’utilitza per viatjar de forma eficaç i direccionada. Les proteïnes motores es poden classificar en funció del tipus de filament del citoesquelet amb el qual interaccionen com poden ser microtúbuls o filaments d’actina. També les podem classificar segons el tipus d’orgànul o vesícula que transporten. També segons la direcció amb que van ja sigui cap a l’extrem + o al -. Per tant, podem deduir que n’hi ha moltes. Les que més interaccionen amb els microtúbuls són responsables del transport intracel·lular de vesícules i orgànuls, el moviment de cilis i flagels, la separació dels cromosomes durant la mitosi. Les quinesines van cap a l’extrem +, és a dir la perifèria, i les dineïnes cap a l’extrem negatiu és a dir, al centrosoma. Posicionament d’orgànuls. Orgànuls com el retícle endoplàmatic és troben cap a la perifèria de la cèl·lula mentre que d’altres com l’aparell de Golgi es troben al centre de la cèl·lula prop del centrosoma. Si tractem la cèl·lula amb colxisina que inhibeix la polimerització dels microtúbuls, desapareix l’estructura de microtúbuls i en conseqüència el retícle endoplasmàtic queda al centre de la cèl·lula i l’aparell de Golgi dispersat per la cèl·lula. Però si traiem la colxisina el retícle endoplasmàtic i l’aparell de Golgi tornen al seu lloc. El retícle endoplasmàtic ho fa amb les quinesines i l’aparell de Golgi amb les dineïnes.

Separació dels cromosomes. Durant la mitosi després de duplicar-se el DNA, en l’anafase se separen les cromàtides germanes i van cap a pols oposats de la cèl·lula. Els microtúbuls per separar els cromosomes que formen tetrades s’uneixen a ells pel cinetocor on hi ha un complex de proteïnes que permet la interacció dels cromosomes amb aquests. Aquest procés de separació s’aconsegueix gràcies a dos etapes que coneixem com a anafase A i anafase B. En la cèl·lula en divisió trobem microtúbuls polars que van des del centrosoma fins a l’altre extrem de la cèl·lula, microtúbuls cinetocòrics que fan l’atracció dels cromosomes i els microtúbuls astrals o de l’aster que fixen els dos centrosomes a la membrana plasmàtica. Durant l’anafase A, els cromosomes es mouen cap els pols del fus a través de microtúbuls cinetocòrics que s’escurcen progressivament i també gràcies a l’ajuda de proteïnes motores. Durant l’anafase B, els dos pols del fus mitòtic se separen, per l’acció de proteïnes motores que es mouen entre dos microtúbuls sense moure’s però fent desplaçar-se els fusos. En aquest procés també hi ha una polimerització de microtúbuls. En l’anafase B també hi ha dinaïnes unides a la membrana plasmàtica que es desplacen cap a l’extrem – del microtúbul cap a l’extrem del microtúbul astral, acoblat amb la despolimerització dels microtúbuls de l’aster el pol del fus mitòtic s’acosta a la

Page 39: Biologia Cel·lular

39

membrana plasmàtica. També una proteïna motora de centrosoma va cap a l’extrem + del microtúbul, és a dir, el pol del fus mitòtic s’acosta a la membrana plasmàtica.

Cilis i flagels. Els cilis i flagels tenen la funció de desplaçar la cèl·lula i moure fluids i molècules properes. Són prolongacions de la membra-na plasmàtica constituïdes per microtúbuls i que tenen un diàmetre de 25 µm, però tenen diferent llargada. El moviment del cili és de vaivé, mentre que el flagel té un moviment ondulatori. L’es-tructura està formada per un axonema que és una estru-ctura fonamental formada per 9 doblets de microtúbuls que envolten 2 microtúbuls senzills. També hi ha proteïnes accessòries que uneixen els microtúbuls entre ells, les més importants són les dineïnes ciliars. Aquestes al intentar moure’s cap a

Page 40: Biologia Cel·lular

40

l’extrem positiu del microtúbul al que s’uneixen produeixen una tensió que mou els cilis i els flagels. En un experiment es van aïllar axonemes i al afegir tripsina que degrada les proteïnes s’observà que en presència d’ATP les dinaïnes es movien sense produir la tensió que mou les estructures. Els corpuscles basals tenen la mateixa estructura que els centríols i estan a la base dels cilis i dels flagels. 7.2- Filaments d’actina.

L’actina és la proteïna més abundant del citoesquelet. Els filaments d’actina estan en totes les cèl·lules eucariotes. Es troben en tot el citoplàsma però preferentment sota la membrana plasmàtica. Formen feixos i xarxes tridimensionals. Les funcions dels filaments d’actina són determinar la forma de la cèl·lula i permetre el moviment de la superfície cel·lular o de la membrana plasmàtica. Aquest últim és important en la fagocitosi, la migració o despla-çament cel·lular i la citocinesi. Els filaments d’actina poden formar

estructures com els microvillis, feixos contràctils en el citoplasma, l’anell contràctil que es forma durant la citocinesi, les protuberàncies de les cèl·lules en desplaçament i l’aparell contràctil de les cèl·lules musculars. Els filaments d’actina consisteixen en cadenes trenades de molècules globulars d’actina idèntiques. Totes es col·loquen orientades de la mateixa manera, cosa que fa que tinguin polaritat. Tenen un comportament dinàmic, és a dir, que s’afegeixen molècules d’actina per l’extrem + i se’n treuen per l’extrem -. Aquesta polimerització necessita la hidròlisi d’ATP. La polaritat s’ha vist mitjançant molècules que s’uneixen al filament que mostren que és dinàmic, per exemple la calasina i inhibeix la polimerització dels filaments d’actina. Per altra banda, la faloidina, que s’obté del bolet Amanita faloide, s’uneix per tot el filament d’actina i evita la despolimerització. Llavors podem observar com el moviment cel·lular s’atura.

Just per sota de la membrana plasmàtica de la part capdavantera és on es dóna el desplaçament dels filaments d’actina que s’estan polimeritzant, mentre que en l’extrem oposat s’està despolimeritzant.

El comportament dinàmic dels filaments d’actina es pot modificar en proteïnes accessòries dels filaments d’actina que l’estabilitzen unint-se a ella quan es necessari, com és el cas de les cèl·lules musculars. Els filaments d’actina s’assemblen als microtúbuls per: Tenir polaritat.

Page 41: Biologia Cel·lular

41

Polimeritzen per l’extrem +. S’uneixen a proteïnes accessòries per estabilitzar-se. Cal energia per la polimerització. Cal inestabilitat dinàmica per fer les funcions. Els filaments d’actina es diferencien dels microtúbuls per: Despolimeritzen per l’extrem -. Despolimeritzen per l’extrem +. Nucleació sota membrana plasmàtica. Nucleació en el centrosoma. Utilitzen GTP. Utilitzen ATP. Els filaments d’actina en les cèl·lules eucariotes es poden trobar en dos tipus de disposicions: feixos paral·lels i xarxes tridimensionals. Els microvilli són protuberàncies de la superfície cel·lular, estables, formats per filaments d’actina. Aquests per exemple permeten augmentar la capacitat d’absorció en les cèl·lules epitelials de l’intestí. Poden haver-hi uns 1000 microvilli /cèl·lula, que augmenten de 10 a 20 vegades la superfície d’absorció.

Les proteïnes motores dels filaments d’actina són les miosines, aquestes varien entre diferents tipus segons les espècies o grups d’éssers vius. La miosina II està en el múscul esquelètic i està implicada en la contracció muscular. Els

Page 42: Biologia Cel·lular

42

dos extrems globulars de la cua s’uneixen a altres cues de miosina I, formant filaments més gruixuts que tenen centenars de caps de miosina orientats en direccions oposades, el que es coneix amb el nom de filaments de miosina.

La miosina II està implicada en l’activitat contràctil que té lloc en les cèl·lules musculars, que permet la citocinesi, i que permet el desplaçament de les cèl·lules. Pel desplaçament d’aquests cal la hidròlisi de l’ATP. La miosina I té un sol extrem globular. Es pot unir a

vesícules de membrana i a la membrana plasmàtica. Les seves funcions estan lligades a la deformació de la membrana, el transport i el posicionament de vesícules. La contracció muscular en mamífers es dóna en varis tipus de cèl·lula:

- Cèl·lules del múscul esquelètic són responsables de tots els moviments voluntaris. Juntament amb les cèl·lules del múscul cardíac donen lloc a la musculatura estriada, ja que formen fibres musculars d’aspecte estriat. Aquest aspecte els hi ve donat per la disposició dels filaments d’actina i miosina.

- Cèl·lules del múscul cardíac tenen un aspecte estriat que ja hem comentat anteriorment.

- Cèl·lules del múscul llis constitueixen les parets de l’intestí, l’estómac, l’úter i les artèries. No tenen aspecte estriat encara que si fan contracció.

- Cèl·lules mioepitelials estan en els epitelis i permeten contraccions que permeten expulsar suor, llet, saliva i la contracció de l’iris.

Page 43: Biologia Cel·lular

43

En les cèl·lules del múscul esquelètic, les fibres musculars tenen molts nuclis i dins del citoplasma està ple de miofibrilles. Les miofibrilles són cadenes lineals de sarcòmers. Els sarcòmers són la unitat bàsica de contracció, el seu aspecte estriat és degut a la disposició dels filaments d’actina i miosina. En els sarcòmers hi ha proteïnes accessòries que estabilitzen els filaments d’actina evitant la polimerització i la despolimerització. La contracció muscular és conseqüència de l’escurçament simultani de tots els sarcòmers. Per aquest motiu tots els sarcòmers estan acoblats i per tant, reben la senyal de contracció al mateix temps i a més a més es contrauen al mateix temps.

La contracció muscular es dóna quan el múscul esquelètic rep un senyal nerviós que provoca l’abocament de calci en el citosòl. L’augment de la concentració del ió de calci en el citosòl permet la interacció entre els filaments de curosina. En repòs els filaments d’actina estan interaccionant amb la troponina i la tropomiosina. Amb la presència del calci interaccionen de tal manera que bloquegen l’accés dels caps d’actina amb els de la miosina. La troponina quan interacciona amb el calci deixa d’interactuar amb l’actina per pèrdua d’afinitat. Llavors la tropomiosina es desplaça i desbloqueja la zona d’unió entre els caps de l’actina

Page 44: Biologia Cel·lular

44

perquè interactuïn amb els de la miosina. Això es dóna en les cèl·lules del múscul esquelètic i les del múscul cardíac. En els cèl·lules del múscul llis i les no musculars funciona diferent, s’indueix per un augment en la concentració de calci en el citosòl que activa una proteïna que fosforila la miosina II. La miosina II fosforilada pot interaccionar amb els filaments d’actina. En aquest procés des de la senyal de la contracció fins la contracció passa més temps. Això es degut a que en les cèl·lules musculars el calci entra alhora per espais entre membranes i va directament a fer la seva funció, mentre que en l’altre cas requereix el pas de la fosforilació. Les associacions contràctils en cèl·lules no musculars també hi ha associacions contràctils d’actina i miosina similars a les versions de les fibres musculars a escala petita. En els filaments d’actina també estan intercalades per miosina però només per 15 -20 molècules d’aquestes.

En la citocinesi, és a dir, la divisió del citoplasma durant el final de la divisió cel·lular es deu a la contracció de l’anell contràctil que fa invaginar la membrana, a mesura que es contrau, els filaments d’actina es van despolimeritzant, fins que desapareix.

El desplaçament cel·lular el trobem en les amebes, les cèl·lules embrionàries, els glòbuls blancs durant una infecció, les cèl·lules implicades en la cicatrització de les ferides i en les cèl·lules canceroses durant la metàstasi. Hi ha moviments de la membrana plasmàtica que permeten la fagocitosi i el desenvolupament del sistema nerviós per formar connexions. El desplaçament cel·lular es dóna en tres fases: la primera és la formació d’extensions de la membrana plasmàtica que són elongacions en forma de fulla anomenades lamelipodis. Els lamelipodis són estructures mòbils que es formen i es retrauen a gran velocitat. La formació d’aquestes estructures es basa en l’ensamblatge i desensamblatge de filaments d’actina. Els filaments d’actina es formen de forma

ràpida i lliscant per sota la membrana plasmàtica. Els segon pas és l’adhesió de la superfície cel·lular o del lamelipodi sobre el substrat. I finalment es tira cap endavant la cua gràcies a contraccions internes.

Page 45: Biologia Cel·lular

45

7.3- Filaments intermedis. Els filaments intermedis tenen un diàmetre intermig entre els filaments d’actina i els microtúbuls. Formen una xarxa en citoplasma que envolta el nucli i s’extèn cap a la perifèria de la cèl·lula. No el trobem en tots els citoplasmes de les cèl·lules, però si el trobem de forma abundant en el citoplasma de les cèl·lules que estan sotmeses a estressos o tensions mecàniques. La seva funció és la de conferir força física a les cèl·lules i els teixits. Per altra banda també s’ha vist que determinats tipus de filaments intermedis es

fixen a l’envoltura nuclear aparentment amb la funció de fixar el nucli de diverses cèl·lules. Per altra banda, també s’ha vist que els filaments intermedis es poden associar amb els filaments d’actina i els microtúbuls. Tot això fa pensar que els filaments intermedis organitzen l’estructura interna de les cèl·lules. Una altra característica d’aquests és que són molt rígids i resistents, ja que quan es tracta del citoesquelet amb solucions salines i detergents, els filaments intermedis resten intactes mentre que la resta de filaments se solubilitza. Els filaments intermedis formen estructures polars. Aquests s’uneixen formant dímers pels extrems N-terminal i C-terminal. Aquests dímers s’associen per formar tetràmers de forma antiparal·lela i escalonada entre els extrems N i C. Formen cadenes lineals que es coneixen amb el nom de protofilaments. Quan 8 protofilaments s’associen formant estructures semblants a una corda.

Els filaments intermedis poden estar formats per més de 50 proteïnes diferents. Per això els filaments intermedis del citoplasma s’agrupen en tres grans grups. Els filaments de queratina dins dels quals distingim les queratines dures que estan presents en estructures com els cabells, ungles i banyes; i també les queratines toves que es troben

en les cèl·lules epitelials. Els filaments de vimetina que es troben en les cèl·lules musculars i en les de la glia, que és el sistema de suport del sistema nerviós. Finalment també trobem filaments intermedis en els neurofilaments de les neurones.

Els filaments intermedis tot i presentar polarització no són estructures polars, a diferència de la resta, això els ve donat per l’estructura antiparal·lela que formen al unir-se els dímers per formar tetràmers. En el nucli n’hi ha que formen la làmina nuclear que té com a funció suportar i reforçar l’embolcall nuclear tot proporcionant llocs d’unió a la

Page 46: Biologia Cel·lular

46

cromatina. Aquesta làmina nuclear forma xarxes bidimensionals. Les proteïnes que formen part d’aquesta estructura es coneixen com a làmines. Durant la divisió cel·lular es desestabilitzen i es tornen a ensamblar al final de la mitosi. Aquest procés està regulat amb la fosforilació i la desfosforilació de les làmines. A l’inici de la mitosi les làmines es fosforilen debilitant la unió entre els tetràmers fent que els protofilaments es desfacin i per tant els filaments intermedis o la làmina nuclear desapareixi. Al final de la mitosi la làmina es desfosforila i els tetràmers recuperen l’activitat i s’uneixen entre ells formant els protoplasmes que donen lloc a la làmina nuclear. Si s’intenta bloquejar la formació dels filaments intermedis la cèl·lula pot continuar movent-se i dividint-se ja que aquests no intervenen en aquests processos. En un experiment es va agafar un gen mutat de queratina tova i es va introduir en un òvul de ratolí. Llavors totes les cèl·lules del ratolí tenien el gen de la queratina mutat. En conseqüència un problema en el teixit epitelial que consistia en el fet que qualsevol ratllada provocava butllofes en aquest, això era degut a que no es formaven filaments de queratina que suportessin les agressions físiques. Aquest experiment va servir per entendre una malaltia que s’anomena epidermolisi bullosa simple , ja que aquesta té símptomes similars als dels ratolins transgènics. Van seqüenciar el gen de la queratina d’aquesta malaltia i es va veure que tenien al menys una queratina mutada de tal manera que no es podia agregar per formar filaments de queratina.

Page 47: Biologia Cel·lular

47

Tema 8: Matriu extracel·lular.

8.1- Composició i característiques de la matriu extracel·lular. En els teixits trobem cèl·lules i la matriu extracel·lular. La matriu extracel·lular és el material que es troba entre les cèl·lules en els organismes pluricel·lulars. Sol estar formada per sucres i proteïnes. Les seves funcions són: el suport en els teixits, estabilitzant-los; permetre la supervivència de la cèl·lula, permetre la migració de les cèl·lules; permetre el desenvolupament de les cèl·lules, permetre la proliferació o divisió i donar forma i funció a les cèl·lules. En el teixit connectiu trobem poques cèl·lules i molta matriu. La matriu extracel·lular pot ser: dura i forta com en els ossos, flexible i resistent com en els tendons o transparent i tova com en la còrnia. Aquestes propietats depenen de la composició química. Els components que la solen formar són els glicosaminoglicants, els proteoglicants, la col·làgena, glucoproteïnes estructurals i elastina.

Els glicosaminoglicants són cadenes no ramificades de polisacàrids, i estan formades per

unitats repetides de disacàrids. Una de les unitats dels disacàrids és un aminosucre. Els glicosaminoglicants són altament hidrofílics, i aquesta aigua dóna turgència als teixits. No formen estructures compactes, tendeixen a formar estructures extenses que ocupen molt d’espai. Formen una malla que permet el pas de determinades molècules. També es poden unir a proteïnes i formar els proteoglicants.

Els proteoglicants tenen funció de fer de sedassos de molècules i cèl·lules en funció de la seva mida i de la seva càrrega. El perlecan està present en la làmina basal de les unitats bàsiques del ronyó i té la funció de filtrar les molècules que van des de la sang a l’orina. Una altra funció dels proteoglicants és unir-se a diferents proteïnes o senyals i regular la funció d’aquestes molècules tant sigui inactivant-

les, activant-les o bé retenint-les en determinades zones. Els proteoglicants es poden associar amb els glicosaminoglicants i formar grans complexos en la matriu extracel·lular. De vegades aquestes estructures poden ser tan grans com un bacteri.

Page 48: Biologia Cel·lular

48

La col·làgena és la principal proteïna de la matriu extracel·lular, és la proteïna més abundant en els mamífers on representa un 25 % de les proteïnes. És una proteïna rígida i per tant confereix rigidesa a la matriu extracel·lular. És una triple hèlix llarga i rígida, molt rica en els aminoàcids prolina i glicina. La prolina és l’aminoàcid que estabilitza la triple hèlix mentre que la glicina, permet que s’empaqueti de forma compacta. S’han trobat 20 tipus diferents de col·làgena. El procés de formació de la col·làgena s’inicia en la síntesi de la cadena en el reticle endoplasmàtic. Cal destacar que aquesta cadena té propèptids, és a dir, que té més pèptids del compte. El següent pas és la hidroxilació en llocs concrets. Llavors té lloc la glicosilació. Més tard té lloc l’autoensamblatge de tres pro α-cadenes, que donen lloc a procol·làgena. Després és secretat a la matriu extracel·lular on s’eliminen els propèptids, que permeten l’autoensamblatge de la col·làgena en fibril·les de col·làgena. Aquestes fibril·les s’associen per formar fibres de col·làgena. Les fibril·les quan s’associen entre elles tenen un aspecte estriat degut a la manera com s’uneixen. Els grups hidroxils (OH) permeten formar ponts d’hidrogen entre les cadenes de procol·làgena. Si es dóna el cas de que no podem hidroxilar per falta de vitamina C, no es pot formar la procol·làgena i llavors com a conseqüència la matriu extracel·lular perd rigidesa fent que els vasos sanguinis siguin més fràgils i les dents es desarrelin. L’elastina és la proteïna que forma xarxes de fibres elàstiques en la matriu extracel·lular per tal de donar l’elasticitat necessària en determinats teixits com la pell, els vasos sanguinis i els pulmons. Quan hi ha una determinada força la seva estructura es deforma i un cop esmorteït el cop tornen a la seva posició original. Hi ha determinades matrius que poden arribar a tenir fins a un 50% d’elastina. Les glucoproteïnes estan formades per proteïnes unides a polisacàrids ramificats. La proporció de sucres és més baixa que en els proteoglicants. Inclouen la fibronectina i la laminina. Aquestes proteïnes interactuen tant en les cèl·lules com en les molècules de la matriu extracel·lular. Poden ajudar a les cèl·lules a unir-se a la matriu extracel·lular. La fibronectina és un dímer i està formada per dos cadenes polipeptídiques unides per dos ponts disulfur. Té la característica de formar regions en forma de barres separades per regions flexibles. Existeixen tres formes diferents de fibronectina. Una és plasmòtica, circula per la sang i es creu que està relacionada amb la coagulació de la sang. Les altres dos s’uneixen a la superfície cel·lular i són dipositades en la matriu extracel·lular formant fibril·les de fibronectina. La fibronectina té com a funció permetre que les cèl·lules s’uneixin a la matriu extracel·lular. La fibronectina fa de proteïna connectora entre la col·làgena i la cèl·lula. La integrina és la proteïna que permet la unió de la cèl·lula a la matriu extracel·lular ja que és una proteïna receptora

Page 49: Biologia Cel·lular

49

transmembrana i interacciona amb una proteïna connectora i aquesta interacciona amb els filaments d’actina. La integrina té un domini extracel·lular, per on s’uneix a la matriu extracel·lular i un domini intracel·lular per on s’uneix a la proteïna connectora. Breu resum dels components de la matriu i la seva funció: Elastina Elasticitat Col·làgena Rigidesa Fibronectina Adhesió Glicosaminoglicants Turgència, esmorteir cops i aguantar forces compressió. Proteoglicants Filtre i regulació de la funció de proteïnes. La làmina basal és una matriu extracel·lular modificada que trobem a la part inferior dels tubs epitelials, al voltant de les cèl·lules musculars i entre capes de cèl·lules. La seva funció és la separació de capes cel·lulars. La composició pot variar però en general està formada per col·làgena IV, i el proteoglicà perlecan; les glicoproteïnes laminina i nidògen, també anomenat entactina; i en alguns casos fibronectina. La laminina és un trímer format per tres cadenes polipeptídiques. La laminina té diferents dominis funcionals. Un s’uneix a la col·làgena IV, l’altre al perlecan i uns altres a la integrina. Les funcions de la làmina basal són fer de filtre o sedàs de molècules que van des de la sang fins a l’orina del ronyó, també fa de barrera selectiva al pas de cèl·lules com per exemple deixa passar els glòbuls blancs però no els fibroblasts que són les cèl·lules que hi ha en els teixits connectius. També dóna suport a la migració cèl·lular. La degradació de la matriu extracel·lular pot ser localitzada o ràpida en determinats moments. És ràpida en la involució de l’úter desprès del part, aquests procés dura unes 6 setmanes desprès d’aquest. En la metamorfosi en la pèrdua de la cua del cap gros. La degradació de la matriu extracel·lular és localitzada en les cèl·lules que travessen la làmina basal com per exemple els glòbuls blancs quan surten dels vasos sanguinis per anar als teixits infectats. En les cèl·lules canceroses també es dóna quan migra del seu lloc d’origen als òrgans a través dels vasos sanguinis per fer la metastasi. La matriu extracel·lular es degrada per l’acció d’enzims proteolítics. Hi ha dos tipus d’enzims proteolítics, les metaloproteases l’actuació de les quals pot dependre d’algun metall com el calci o el zenc; i les serinproteases que en el seu centre actiu tenen els aminoàcids anomenats serines. La degradació controlada de la matriu extracel·lular s’aconsegueix gràcies a tres mecanismes: la síntesi dels aminoàcids de forma inactivada que fa que s’activin localment quan convé. També hi ha mecanismes que utilitzen inhibidors de proteases per tal de protegir la zona de la matriu extracel·lular que no cal degradar i també les proteïnes de la membrana plasmàtiques que són necessaris per la migració cel·lular com són la integrina, la fibronectina o la laminina. Un altre mecanisme consisteix en tenir receptors de proteases en la superfície cel·lular que permet que degradin la matriu per allà on la cèl·lula li convé passar. Aquest últim mecanisme s’ha trobat en les cèl·lules canceroses i és el que permet la metastasi. La relació entre la fibronectina i l’actina s’ha demostrat a partir d’experiments en que fibroblasts cancerosos que tenen la propietat de fabricar menys fibronectina, adherir-se poc al substrat i no tenir filaments d’actina si es posen en una matriu extracel·lular en fibril·les de fibronectina es veu com van sortint dins del fibroblast feixos de filaments d’actina paral·lels a les fibres de fibronectina. D’altra banda si posem cèl·lules que tenen filaments d’actina tractades amb

Page 50: Biologia Cel·lular

50

citocalacina que desestructura els filaments d’actina desapareixen les fibriles de fibronectina de la matriu extracel·lular. Les integrines són proteïnes transmembrana que uneixen la cèl·lula a la matriu extracel·lular. Les integrines formen una gran família de proteïnes transmembrana. La unió de l’integrina i el lligant depèn de la presència de ions divalents com el calci i el magnesi. Com a mínim hi ha 8 integrines diferents que s’uneixen a la fibronectina i 5 de diferents que s’uneixen a la laminina. Hi ha una integrina que està implicada en la unió cèl·lula a cèl·lula en els leucòcits. Aquesta integrina s’uneix a uns receptors de les cèl·lules endotelials dels vasos sanguinis. Per combatre les infeccions els leucòcits fagociten microorganismes, maten cèl·lules tumorals i maten cèl·lules infectades per virus. Aquesta integrina facilita als leucòcits la unió a les cèl·lules endotelials properes a la zona d’infecció i anar des del vas sanguini a aquesta zona. Quan no hi ha aquesta proteïna hi ha una malaltia que fa que sigui molt més difícil combatre les infeccions. Hi ha una integrina que està implicada en la interacció amb el fibrogen, permetent la unió entre les plaquetes per tal de coagular la sang. Hi ha una malaltia en la qual hi ha una deficiència en aquesta proteïna que fa que una ferida sagni més del que seria normal. Perquè les integrines es puguin unir eficientment a la matriu extracel·lular cal que interaccionin amb els elements del citoesquelet. En un experiment es va agafar un gen d’integrina i se li va treure la zona que codifica la zona citoplasmàtica que està indirectament implicada amb els elements del citoesquelet. Quan es va introduïr aquest gen en la cèl·lula es va veure que es fabricava una proteïna que només tenia el domini transmembrana i el domini extracel·lular. Es va observar com no es podia unir amb tanta eficiència a la matriu extracel·lular. La capacitat de les integrines per interaccionar amb les proteïnes de la matriu extracel·lular s’ha de regular. En un experiment amb embrions de Drosophila se li va posar una integrina mutada de tal manera que sempre fos activa. Es va veure com les cèl·lules precursores de les cèl·lules musculars no es podien desplaçar i per tant, no es podia formar el teixit muscular. En molts tipus cel·lulars s’ha vist que les cèl·lules han d’estar adherides a la matriu extracel·lular per tal de poder sobreviure, créixer i dividir-se.

Page 51: Biologia Cel·lular

51

Tema 9: Unions cel·lulars. 9.1- Molècules d’adhesió. Connexions citoesquelet-matriu extracel·lular. 9.2- Unions estretes. Unions adherents. Unions de comunicació. Les unions cel·lulars són aquelles que es poden observar al microscopi electrònic. N’hi ha de tres tipus: estretes, d’anclatge i gap o unions de comunicació. Les unions estretes són les que impedeixen la fuga de molècules a través de les separacions entre cèl·lules. Aquestes unions estan en les cèl·lules epitelials i formen una barrera que separa l’organisme de l’exterior i impedeix l’entrada d’agents estranys i la pèrdua de fluids interns. Les unions estretes les trobem per definició en les cèl·lules epitelials. Tenen com a funció impedir l’entrada de patògens i la pèrdua de molècules. Aquestes unions es troben a la part epical de les cèl·lules epitelials i formen una franja al voltant de les cèl·lules sellant-les unes amb les altres. Per comprovar-ho, en un experiment es va posar unes molècules electrodenses a la llum de l’intestí i es va veure que s’aturaven al primer lloc d’unió estreta. També passava el mateix si es feia per l’altre costat. Aquestes unions estretes s’aconsegueixen gràcies a una filera de proteïnes transmembrana, els dominis extracel·lulars de les quals s’uneixen directament als dominis extracel·lulars de les proteïnes transmembrana de les cèl·lules veïnes. Les unions d’anclatge uneixen les cèl·lules, les unes amb les altres, i interactúen amb els filaments del citoesquelet. També poden interactuar amb la matriu extracel·lular. Aquestes unions permeten unir els filaments del citoesquelet d’una de les cèl·lules amb els de l’altre almenys indirectament. Permeten unir els filaments del citoesquelet amb els filaments de la matriu extracel·lular. Les unions d’anclatge tenen com a funció aguantar petites tensions o rascades. Les unions d’anclatge estan en molts tipus cel·lulars, però són especialment abundants en teixits que estan sotmesos a estressos mecànics com són el cor, el múscul o l’epidermis. En totes les unions d’anclatge tenim proteïnes transmembrana que s’uneixen a la matriu extracel·lular o a una proteïna transmembrana de la cèl·lula veïna a nivell extracel·lular. A nivell citoplasmàtic s’uneixen a una proteïna connectora que alhora s’uneix als filaments del citoesquelet (filaments d’actina i filaments intermedis). Les unions adherents les trobem en les cèl·lules epitelials i altres tipus cel·lulars. En les cèl·lules epitelials formen bandes d’adhesió contínues, localitzades just per sota de les unions estretes. Hi intervenen unes proteïnes transmembrana depenents de calci que es coneixen com a cadherines. Les unions d’anclatge són unions cèl·lula – cèl·lula, i es formen per la interacció entre les cadherines d’una cèl·lula amb les de l’altra. A nivell intracel·lular interaccionen amb una proteïna connectora que alhora s’uneix a la actina. Adjacents a les cadherines hi ha un feix de filaments d’actina que són contràctils ja que es troben associades amb miosines que li donen la capacitat contràctil. Per exemple en la formació dels embrions permeten les invaginacions que donen lloc al tubs epitelials. Els contactes focals són unions entre les cèl·lules i la matriu extracel·lular formades per integrines, proteïnes d’unió i els filaments d’actina.

Page 52: Biologia Cel·lular

52

Els desmosomes són unions entre cèl·lules, en les quals hi intervenen filaments intermedis. Es diu que són en forma de botó ja que serveixen per anclar els filaments intermedis que uneixen dos cèl·lules. Estan formades per cadherines, proteïnes d’unió i filaments intermedis. Els hemidesmosomes són unions que estan implicades en la unió de les cèl·lules amb la matriu extracel·lular. Estan formades per integrines, proteïnes connectores i filaments intermedis. Les unions de tipus són un espai entre membranes més reduït. Estan formades per conexons i cada connexió està formada per 12 conexines (proteïnes transmembrana), de les qual 6 són d’una cèl·lula i les 6 restants de l’altra. En cada conexó hi ha un canal a través del qual passen ions i molècules petites. Per tant permet comunicar ràpidament els citoplasmes de totes les cèl·lules d’un teixit. Permet la comunicació química i la elèctrica. L’obertura dels canals es pot regular, en cèl·lules nervioses es regula amb neurotransmissors. Els plasmodesmes són unions que es donen en les cèl·lules vegetals. Al mig d’aquests canals hi ha un desmotúbul. El desmotúbul és un fragment de membrana que prové del reticle endoplasmàtic llis. Permet la comunicació entre cèl·lules vegetals, i resulta clau ja que les cèl·lules vegetals no disposen d’unions d’anclatge. Les adhesions cel·lulars són un tipus d’unions que no es poden observar ni tant sols al microscopi electrònic. Les adhesions cel·lulars són unions entre cèl·lules i entre aquestes i la matriu extracel·lular. Les adhesions cel·lulars són presents en les cèl·lules embrionàries prèviament a cap altre tipus d’unió cel·lular. Les cèl·lules en el procés embrionari es desplacen i s’apropen per formar teixits. S’ha vist que en el procés embrionari si es tracta amb enzims proteolítics les cèl·lules es disgreguen, mentre que en teixits adults això no passa. D’això en deduïm que en aquestes unions hi ha implicades proteïnes transmembrana. També es va veure que si després de desagregar el teixit es treuen els enzims proteolítics, les cèl·lules es tronen a agrupar entre elles per tipus cel·lulars. Aquestes unions es donen per proteïnes CAM (proteïnes Cell Adhesion Mollecules). Les principals CAM són les cadherines en unions entre cèl·lules. Les cadherines formen una gran família i totes les cèl·lules de vertebrats expressen una o més cadherines. Si un teixit embrionari li traiem el calci es disgrega, per tant deduïm que les adhesions cel·lulars són depenents de calci. En les adhesions cel·lulars hi ha tres mecanismes d’adhesió entre cèl·lules: l’homofílic, l’heterofílic i el depenent de lligant. L’homofílic està format per una proteïna transmembrana que interacciona amb la mateixa d’una altra cèl·lula. L’heterofílic està format per una proteïna transmembrana que interacciona amb una de diferent d’una altra cèl·lula. Les depenents de lligant està format per dos proteïnes iguals i un lligant. En un experiment es va veure que si es transfereixen un fibroblast (1), transgènic, el tipus de cadherines - E i a un altre (2) les cadherines – N; deixem que es divideixin. Llavors, les barregem; es veu com es reagrupen les N entre si i les E entre si també.

Page 53: Biologia Cel·lular

53

En les cadherines hi ha una unió indirecta també amb els filaments d’actina per tal de ser més eficients. Les selectines són unes altre proteïnes CAM calci dependents, d’unió cèl·lula – cèl·lula. Es troben a la membrana plasmàtica de les cèl·lules endotelials quan hi ha una infecció. Quan hi ha una infecció interaccionen amb uns glúcids de la membrana plasmàtica dels leucòcits. Quan hi ha una infecció es diu que es donen adhesions cel·lulars dèbils que permeten el rodolament del leucòcit pel costat del vas sanguini. Aquest rodolament activa les integrines del leucòcit. Quan les integrines del leucòcit estan actives interaccionen amb les proteïnes CAM de les cèl·lules endotelials. Gràcies a aquesta interacció el leucòcit pot travessar el vas sanguini. Per tant és aquest un mecanismes d’adhesió cel·lular heterofílic. Les integrines són proteïnes d’unió entre cèl·lules calci dependents. Les N-CAM són proteïnes d’adhesió cel·lular no depenents de calci. S’expressen en una gran varietat de tipus cel·lulars i en les cèl·lules nervioses. Uneixen les cèl·lules per un mecanisme d’adhesió cel·lular homofílic. Les cadherines i les N-CAM es poden trobar en les mateixes cèl·lules però fan funcions molt diferents. Les cadherines fan unions cel·lulars fortes i les N-CAM permeten la classificació cel·lular. Si s’inhibeix la síntesi de les cadherines, l’embrió es mor; mentre que si s’inhibeixen les N-CAM, el desenvolupament normal de l’embrió no es concreta. Trobem les adhesions cel·lulars es el desenvolupament embrionari i en la reparació de teixits cel·lulars. Això és degut a que són la fase prèvia a les unions cel·lulars, són unions no especialitzades i a mesura que el teixit madura augmenten les adhesions amb cadherines fins a esdevenir unions cel·lulars, és per aquest motiu que quan n’hi ha poques no es poden detectar amb la observació al microscopi electrònic.

Page 54: Biologia Cel·lular

54

Tema 10: Nucli cel·lular. 10.1- Estructura del nucli El nucli ens identifica les cèl·lules eucariotes. En les procariotes durant la transcripció ja té lloc la traducció ja que no estan separades físicament. En eucariotes aquests dos processos si que estan separats ja que en el nucli hi té lloc la transcripció, replicació i el processament del RNA de transferència, el ribosòmic i el missatger i fora del nucli hi té lloc la traducció. Per tant hi ha una separació física de la transcripció i la traducció. El nucli conté la major part de la informació genètica de la cèl·lula, per tant funciona de magatzem d’informació com de centre de control de la cèl·lula. També trobem DNA als mitocondris i als cloroplasts. El nucli per si sol té la capacitat de donar-nos la informació de l’individu. Si agafem un òvul no fecundat i li posem el nucli d’una altra cèl·lula, ens surt un organismes de característiques semblants a les de l’organisme donant del nucli. Per tant en el nucli es regula la expressió gènica. Sempre que parlem de nucli ens referim al nucli interfàsic ja que té embolcall nuclear. En els nuclis de les cèl·lules d’un mateix organisme sempre trobem el mateix DNA però diferents proteïnes i diferents RNAm. La làmina nuclear permet aguantar el nucli fent de suport estructural. També és un lloc d’unió de la cromatina. Petites molècules hidrofíliques poden travessar la membrana nuclear externa, per contra les molècules grans han de passar passivament a través del complex de porus pel qual cal una despesa energètica ja que és un passar actiu. El cas de passar a través de complexos de porus és el cas de proteïnes i enzims, aquest procés és conegut com l’import nuclear. Per altra banda del nucli en surten molècules de RNAm, RNAt, RNAr (subunitat). El complex de porus nuclear és una estructura estàtica i permanent ja que poden desaparèixer durant períodes de baixa activitat metabòlica i poden reaparèixer quan augmenten els intercanvis entre nucli i citoplasma. El complex de porus nuclear és una estructura cilindrica, formada per més de 50 proteïnes diferents, anomenades nucleoproteïnes; formen una simetria ortogonal amb 8 filaments per cada cara. Durant la replicació per cada porus nuclear poden passar 100 histones cada minut, i en una cèl·lula amb molta activitat secretora poden passar 6 subunitats grans i petites per minut per cada complex de porus nuclear.

Page 55: Biologia Cel·lular

55

El transport nuclear és emprat per totes les proteïnes que tenen un pes superior a 60 KD (kilodaltons) i que per tant no poden entrar de forma passiva. Aquest és el cas dels ribosomes ja que fan un 90 nm de diàmetre. El transport nuclear es pot dividir en importació nuclear i exportació nuclear. En la importació nuclear hi ha seqüències NLS (Nuclear Localization Siquals) que són seqüències curtes d’aminoàcids que estan a la proteïna nuclear que es vol transportar. La primera NLS es va identificar en l’antigen + del SV 40 (un virus). Aquest antigen és una proteïna implicada en la replicació del DNA víric de les cèl·lules infectades. Aquest té molts aminoàcids bàsics, per tant té càrrega +, llavors, es creia que la seqüència era la responsable de portar les proteïnes al nucli. Però si canviaven un aminoàcid i la proteïna es cultivava, s’observava que la proteïna estava globulitzada i es quedava al citoplasma sense poder entrar al nucli. Per tant, es considera que les NLS són seqüències que poden dirigir qualsevol proteïna al nucli. El motiu pel qual les proteïnes en les quals s’ha modificat una seqüència d’aminoàcids no entren al nucli es va demostrar agafant una NLS que funciones amb una proteïna citoplasmàtica de per molecular als 60 KD, per tal que no passin a través de la membrana per difusió passiva, i es va introduir a l’interior d’una cèl·lula amb una proteïna quimera formada a partir d’una proteïna citoplasmàtica amb una nuclear. Aquesta quimera després de ser traduïda va poder entrar al nucli. Així es va descobrir la primera NLS. El complex de porus nuclear funciona com a diafragma i durant el transport pot arribar a mesurar 26 nm de diàmetre, ja que quan passen les molècules el complex es pot deformar per deixar passa la molècula. A més de les NSL hi ha receptors de transport nuclear, les importines. Aquestes s’uneixen a nucleoporines, proteïnes del complex de porus nuclear i a proteïnes que porten la NLS. La seva funció és la de transportar del citoplasma al nucli les proteïnes moleculars. N’hi ha molts tipus diferents que reconeixen càrregues diferents. També poden reaccionar amb proteïnes adaptadores. La exportació nuclear s’aconsegueix gràcies a les senyals d’exportació nuclear, són seqüències d’aminoàcids que intervenen en la exportació nuclear (NESS). Per tal que el RNA surti del nucli ha d’interaccionar amb una exportina. Aquesta agafa la càrrega, la proteïna, al nucli ; va al citoplasma, allí la deixa i llavors torna al nucli. Citoplasma Nucli (Exportina) Citoplasma � Nucli (Importina) Per a tot transport es necessita la hidròlisi de GTP. El Ram - GTP (proteïna unida a un GTP) s’uneix a la importina, llavors s’allibera la proteïna, després la importina torna al citoplasma unida al Ram – GTP, però per l’acció de cert enzim aquesta passa a Ram – GDP, en aquest procés s’allibera la importina. La exportina s’inicia en el transport en el nucli unint-se a el Ram –

GTP. Aquest complex va al citoplasma, aquí el Ram – GTP passa a Ram – GDP, i en conseqüència la exportina s’allibera. Una manera de regular els factors de transcripció és que vagin cap al nucli. Quan les NLS estan exposades i les NESS amagades, la seqüència d’aminoàcids permet que hi hagi la exportació. A dins del nucli es dóna la activació dels gens que permeten que la cèl·lula sigui activa. Llavors té lloc la pèrdua de la

Page 56: Biologia Cel·lular

56

fosfatasa. La fosfatasa fa que els nuclis quedin exposats. A continuació, una quinasa fosforila la proteïna. Llavor les NESS estan exposades i les NLS amagades, per tant la seqüència d’aminoàcids permet que la proteïna surti a l’exterior. A l’exterior del nucli es perd el fosfat a causa d’uns factors de transcripció, una proteïna fosfatasa. Per tant, tornem a estar en la situació inicial, on tenim les NLS exposades i les NESS amagades. Cal destacar que hi ha mecanismes que bloquegen el procés fent que la fosfatasa no s’uneixi als factors de transcripció. 10.2- Cromatina i nucleol. En el nucleol s’hi dóna la transcripció del RNA ribosòmic, el processament del RNA ribosòmic, l’ensamblatge del RNA ribosòmic amb proteïnes ribosomals ( les subunitats grans i petites dels ribosomes), el processament del RNA de transferència i la síntesi de SnRNA (Small nuclear RNA). El SnRNA s’associa amb proteïnes i dóna el SnRNP, i aquest participa en la maduració del RNA missatger. Aquest procés de maduració del RNA missatger es conegut amb el nom de splicing, i consisteix en la eliminació dels introns de RNA missatger. Per tant, en resum, el nucleol és el lloc on se sintetitza el RNA no codificant (RNA missatger i de transferència), es processa i s’acomplexa amb proteïnes per tal de donar lloc a RNA ribosòmic i SnRNP. Hi ha de 5 a 10 milions de ribosomes són sintetitzats per una cèl·lula de mamífer, això s’aconsegueix perquè a les cèl·lules hi ha moltes còpies dels gens que codifiquen per RNA ribosomal. En les cèl·lules eucariotes hi ha 4 tipus diferents de RNA ribosomal: el 18 s (svedvergs, unitat de revolució), el 5,8 s, el 28 s i el 5 s. Els tres primers provenen de RNA ribosomal nova i precursora, mentre que l’últim se sintetitza fora del nucli. Els ribosomes no tenen membrana i es formen segons les necessitats de la cèl·lula. Per tant els nucleols més actius, els més grans (oòcit de granota), es troben en les cèl·lules metabòlicament més actives. La estructura i les regions del nucleol són: el centre fibril·lar que envolta el dens component fibril·lar i es creu que pren part en la transcripció del RNA ribosòmic, el dens component fibril·lar que es creu que intervé en el processament del RNA ribosòmic en l’ensamblatge amb les proteïnes, la resta és el component granular que es creu que té funcions en l’acabament de l’ensamblatge del RNA ribosòmic amb les proteïnes donant lloc a la formació del les subunitats grans i petites dels ribosomes.

Page 57: Biologia Cel·lular

57

La cromatina i el cromosomes. L’estat de condensació dels cromosomes varia segons el moment del cicle cel·lular. Durant la mitosi els cromosomes estan condensats, mentre que en la interfase els cromosomes estan descondensats. En una cèl·lula humana somàtica (de 5 a 8 µm de diàmetre) hi ha 46 molècules de DNA lineal que mesuren entre 1,7 i 8,5 cm de llargada, entre tots els cromosomes aconseguirien posats un a continuació de l’altre una molècula de 2 metres de llargada. Per tant, cal empaquetar-lo perquè càpiga dins el nucli. Això s’aconsegueix gràcies a proteïnes que s’uneixen al DNA i l’empaqueten de forma organitzada. Per tant un cromosoma està format per una molècula de DNA. La massa molecular del DNA associat a aquestes proteïnes, ens revela que en la cromatina hi ha el doble de massa proteica respecte la de DNA. Les principals proteïnes són les histones que es caracteritzen per ser proteïnes petites, amb molts aminoàcids carregats positivament i que per tant neutralitzen la càrrega negativa del DNA. Hi ha 5 tipus diferents d’histones ( H1, H2A, H2B, H3, H4 ). La unitat bàsica estructural de la cromatina és el nucleosoma que està format per 8 histones ( 2 H2A, 2 H2B, 2 H3, 2 H4 ) i dos voltes de DNA ( 146 parells de bases ). També s’ha observat que si tenim un picogram de DNA també hi ha un picogram d’histones, i un altre picogram de proteïnes que no són histones, entre les quals n’hi trobem de 1.000 tipus diferents com són la nucleoplasmina, la DNApolimerasa, la RNApolimerasa, tropoisomerases... Es forma un nucleosoma cada 200 parells de bases, i per això es permet empaquetar i escurçar la llargada del DNA. En aquest nivell d’empaquetament la cromatina té un diàmetre de 10 nm. Adopta una estructura que s’anomena de rosari o collaret que s’obté a través del tractament en condicions de laboratori. En la cèl·lula la cromatina es troba en forma de 30 nm. Aquest pas de 10 a 30 hi ha un segon nivell d’empaquetament en el qual intervé la histona 1 amb un paper important. Aquesta s’uneix externament a les cadenes que entren i surten del nucleosoma. Hi ha diverses hipòtesis sobre la forma d’aquest empaquetament com són la del solenoide, la del ziga zaga i altres. En el nucleosoma hi ha un octàmer de histones, que són les ja descrites, però hi ha qui ha descrit el cromatosoma com el nucleosoma més la histona 1 i 20 parelles de bases del DNA. Es veu i es creu que la fibra de 30 nm forma una mena de bucles que poden constituir un nombre determinat petit de gens. A la base d’aquests hi ha un esquelet de proteïnes. Aquests gens es creu que s’activen al mateix moment i tenen una funció similar. Aquests gens es descondensen al mateix moment per l’acció d’enzims. A partir d’aquí es torna a empaquetar el DNA en un tercer nivell d’empaquetament. En interfase podem trobar la cromatina en dos estats: eucromatina i heterocromatina. La eucromatina és cromatina descondensada, i està constituïda per un 90% de la cromatina interfasica. Es troba en forma de fibra de 30 nm, organitzada en bucles. Un percentatge baix (10%) s’està transcrivint i per tant està més descondensada encara per tal de que els enzims puguin actuar. La heterocromatina és cromatina condensada, i representa un 10% de la cromatina en interfase. En general es troba en centròmers i telòmers. Representa un nivell més d’empaquetament respecta la eucromatina. Es desconeix com es forma però es a partir de 30 nm que està formant bucles. En el cromosoma mitòtic es dóna l’últim nivell d’empaquetament. Això permet que el cromosoma es pugui moure pel fus mitòtic sense enredar-se ni trencar-se. Aquest últim nivell d’empaquetament hi actuen unes proteïnes que es coneixen com a condensines. Aquestes

Page 58: Biologia Cel·lular

58

hidrolitzen ATP en aquest procés. No se sap com ho fan. El cromosoma és una estructura dinàmica ja que tant podem trobar cromosoma mitòtic com cromosoma interfàsic, i alhora la eucromatina pot passar a heterocromatina i viceversa. Un cromosoma actua com una unitat independent i autònoma. Ha de ser capaç de replicar-se, les còpies replicades han de poder separar-se i repartir-se correctament entre les dos cèl·lules filles. Això s’aconsegueix gràcies a seqüències del DNA dels cromosomes eucariòtics que són l’origen de replicació. Aquests orígens de replicació s’anomenen centròmer i telòmer. L’origen de la replicació és on comença la duplicació del DNA i n’existeixen molts en un mateix cromosoma per tal d’accelerar el procés de replicació. Els centròmers són els llocs on s’associen les dos cromàtides germanes i on s’uneixen els microtúbuls del fus mitòtic a través del complex de proteïnes del cinetòcor. Aquest permet el correcte repartiment de les dos cromàtides germanes durant la mitosi. Els telòmers estan en els extrems dels cromosomes eucariòtics i tenen un paper molt crític en la replicació i el manteniment del cromosoma. Estan formats per seqüències nucleotídiques repetides. S’ha vist que si els cromosomes eucariotes no tinguessin els telòmers als extrems anirien perdent informació cada vegada que la molècula de DNA fos replicada ( de 50 a 100 parells de bases nitrogenades ). Es creu que les seqüències repetides dels extrems formen bucles al final del cromosoma de manera que protegeixen aquest de la degradació. S’ha vist que la llargada dels telòmers és important a l’hora de determinar l’expectativa de vida i la capacitat de divisió d’una cèl·lula. Quan se li acaben les bases ja no es pot reproduir. L’embolcall nuclear durant la mitosi: l’embolcall nuclear desapareix perquè es despolimeritza la làmina nuclear. Les proteïnes (làmines) que formen l’embolcall nuclear es fosforilen , perdent així afinitat entre els tetràmers. Els trossos de membrana queden lliures pel citoplasma, i alhora units al retícle endoplasmàtic. El que fosforila les lamines és una quinasa dependent de ciclina, que actua quan la cèl·lula entre en mitosi. Al final de a mitosi, cap al principi de la telofase, l’embolcall nucleares torna a ensamblar directament sobre la superfície dels cromosomes. Això passa perquè les làmines es defosforilen i poden tornar a unir-se a la membrana nuclear i a la cromatina; tornant a formar la làmina nuclear. La membrana es forma al voltant de cada cromosoma i aquests es fusionen entre ells, formant el nou nucli. Es un nucli petit ja que està a tocar dels cromosomes. El motiu pel qual és més petit és que li falten les proteïnes nuclears, i per tant han de tornar a entrar al nucli des del citoplasma a través de les importines i gràcies al pèptid senyal, que a diferencia del de les proteïnes que entren als orgànuls no es perd; ja que aquestes proteïnes entren i surten varies vegades del nucli; en canvi les proteïnes dels orgànuls queden dins del orgànul, però perden el pèptid senyal.

Page 59: Biologia Cel·lular

59

Tema 11: Divisió cel·lular 11.1- Divisió mitòtica. Citocinesi. La mitosi: abans d’entrar en mitosi, hi ha la duplicació dels centrosomes i del DNA. Les cromàtides germanes dels cromosomes, estan unides per proteïnes anomenades cohesines, durant la mitosi. Quan aquestes proteïnes es degraden les cromàtides germanes es separen i són transportades cap als pols oposats de la cèl·lula, gràcies a la polimerització i despolimerització de microtúbuls i a proteïnes. Profase: durant aquesta etapa fase baixa la vida mitja dels microtúbuls. En aquest cas la inestabilitat dinàmica d’aquests encara és més gran. S’ha vist que hi ha un major nombre de microtúbuls que surten del centrosoma. Aquest fet afavoreix la formació del fus mitòtic. Els centrosomes van cap als pols de la cèl·lula. La cormatina o els cromosomes es condensen i els podem observar al microscopi òptic. Prometafase: durant aquesta etapa l’embolcall nuclear desapareix. Llavors els microtúbuls poden entrar en contacte amb els cromosomes a través dels cinetòcor. Per tal de trobar els cromosomes és necessari que la inestabilitat dinàmica sigui alta, ja que així se’ls troba abans. La inestabilitat dinàmica es torna més estable quan el microtúbul interacciona amb el cinetòcor. Hi ha molts microtúbuls per cinetòcor (20 – 40). Hi ha dos cinetòcors per cromosoma. Metafase: els cromosomes es col·loquen en el centre, en el pla equatorial, a mig camí entre els dos pols. El que ho fa possible és la inestabilitat dinàmica i les proteïnes motores. Hi ha un punt de control que assegura que no s’entra en anafase fins que tots els cromosomes estan units al fus mitòtic, ja que sinó no hi hauria un repartiment correcte de dels cromosomes. Això assegura que no es propaguin mutacions a nivell d’anomalies cromosòmiques a nivell de divisió cel·lular. Anafase: just al principi d’aquesta etapa s’activen els enzims proteolítics que degraden les cohesines; llavors es trenquen les unions entre les cromàtides germanes. Llavors, gradualment , cada cromàtide és atreta cap al pol del fus mitòtic al qual està unida. Anafase A: hi ha la despolimerització dels microtúbuls cinetocròrics i les proteïnes motores que desplacen les cromàtides cap a l’extrem – dels microtúbuls. Anafase B: en aquesta etapa cal que hi hagi la despolimerització dels microtúbuls de l’àster i la polimerització dels microtúbuls polars que estan proteïnes motores que permeten el lliscament entre els microtúbuls polars. Telofase: en aquesta etapa es torna a formar l’embolcall nuclear, ja que es defosforilen les lamines. En conseqüència, es polimeritza la làmina nuclear. Llavors, el nucli creix gràcies a la

Page 60: Biologia Cel·lular

60

entrada de proteïnes al seu interior. Després la cromatina es descondensa permetent de nou la transcripció. La citocinesi té lloc en paral·lel a la mitosi ( la divisió del nucli), són simultànies en el temps. La citocinesi és la divisió del citoplasma. En cèl·lules animals la citocinesi té lloc gràcies a l’anell contràctil format per filaments d’actina i miosina. Durant l’anafase ja es comença a formar un solc en la membrana de la cèl·lula. Aquesta és deguda a una estructura en forma d’anell, aquest ha d’estar unit a proteïnes de la membrana plasmàtica per tal de deformar-la degudament. L’anell contràctil és una estructura transitòria que es forma durant la citocinesi i va desapareixent progressivament a base d’empetitir-se fins que finalment es perd en acabar la citocinesi. En la citocinesi en vegetals es forma un tabic entre les cèl·lules filles, que té el seu origen en vesícules que provenen de l’aparell de Golgi que es col·loquen en el pla equatorial de la cèl·lula a través de microtúbuls, i a continuació aquestes vesícules es fusionen les unes amb les altres formant una estructura semblant a un disc. Aquest disc es fusiona amb la membrana plasmàtica de la cèl·lula. Quan una cèl·lula vegetal va a dividir-se, en la preprofase, és a dir, en interfase, es forma una preprofase banda formada per microtúbuls i filaments d’actina. A mesura que les cèl·lules vegetals entra en mitosi, la preprofase banda va desapareixent, però la nova paret cel·lular es formarà allà on s’havia format la preprofase banda. 11.3- Meiosi. La meiosi, com el seu nom indica, ja que meios significa en grec reducció, és una divisió cel·lular reduccionista. En les cèl·lules somàtiques que són diplonts hi ha diferents versions en els dos cromosomes. En canvi, en el gàmetes només hi ha contingut un sol cromosoma de cada parell. La distribució d’aquests cromosomes durant la meiosi es dóna a l’atzar. Durant la meiosi els cromosomes homòlegs s’aparellen entre ells abans de separar-se en el fus mitòtic, formant una estructura que es coneix com a bivalent. Aquest es col·loca a la placa metafàsica i per tant en separar-se en la primera anafase de la meiosi retorna a la seva combinació habitual formada per dos cromàtides, però no sense abans haver experimentat la recombinació genètica. La primera profase de les cèl·lules nervioses pot arribar a durar 50 anys. En la recombinació genètica un fragment d’un cromosoma s’intercanvia amb el cromosoma homòleg. En humans es dóna una mitjana de 2 a 3 recombinacions genètiques per cromosoma. I quan estan els cromosomes condensats es pot veure l’intercanvi genètic. Aquestes zones d’unió es coneixen com a quiasmes. Aquest procés es pot dividir en 5 estadis que es donen durant la primera profase. En el leptotè la cromatina es condensa. En el zigotè comença l’aparellament íntim entre les cromàtides dels cromosomes homòlegs. En el paquitè s’acaba l’aparellament íntim i es dóna la recombinació genètica, aquesta es pot dur a terme gràcies a nòduls de recombinació. L’estructura de l’aparellament es coneix com a complex sinaptonèmic. En el diplotè es desfà l’aparellament íntim i ja tenim els quiasmes. Aquest procés en oòcits d’humans pot arribar a durar 50 anys. En la diacinesi els cromosomes ja estan completament condensats. Els quiasmes no només són importants en la recombinació genètica sinó que també per la correcta separació dels cromosomes homòlegs. Un baix nombre, produeix un major nombre de gàmetes amb errors en el nombre de cromosomes.

Page 61: Biologia Cel·lular

61

Tema 12: Proliferació i cicle cel·lular. 12.1- Concepte de cicle cel·lular. Fases del cicle. En el cicle cel·lular de les eucariotes la replicació es dóna en una etapa concreta, mentre que en les procariotes la replicació es dóna de forma constant en tot el cicle cel·lular. El cicle cel·lular es pot dividir en dos grans etapes, la fase M on hi ha la mitosi i la citocinesi i l’interfase on es dóna la replicació en la fase S. Aquesta fase S ens permet separar el cicle cel·lular en quatre etapes. La fase M es quan es reparteix la informació genètica. No hi ha expressió gènica i per tant no hi ha transcripció, però si traducció de RNA missatger. L’etapa G1, la G fa referència a la paraula anglesa gap que vol dir buit, ja que aparentment no hi ha activitat ja que no s’observa cap canvi a nivell morfològic en el microscopi. No obstant, continua havent-hi activitat de transcripció i traducció. La fase S el que hi ha de forma exclusiva o única és la replicació del DNA. En aquesta etapa hi ha transcripció gènica i per tant traducció. L’etapa G2 permet la transcripció i la traducció. Durant tota l’interfase hi ha un creixement cel·lular progressiu per tal de mantenir el volum cel·lular quan la cèl·lula es divideixi. La durada de les etapes pot variar segons els tipus cel·lulars. En un organisme hi ha cèl·lules en cicle i n’hi ha altres que estan fora del cicle. Les que estan en el cicle estan contínuament en creixement i divisió, les que estan fora del cicle han perdut la capacitat de divisió. Poden estar fora del cicle de forma temporal o transitòria o bé definitiva i irreversible. Les que ho estan temporalment poden tornar a dividir-se en qualsevol moment, com és el cas d’una lesió, per tal de regenerar el teixit, com és el cas del pulmó, fetge, ... en canvi les que estan fora del cicle definitivament no poden fer-ho com són les neurones i les cèl·lules cardíaques. Les que estan fora del cicle temporalment, entren en un estadi quiescent, de repòs que es coneix com a G0. No es poden dividir però sí continuen amb la seva activitat metabòlica. 12.2- Regulació del cicle cel·lular. En el cicle cel·lular hi ha tres punts de control per regular aquest cicle. Són moments en que la cèl·lula comprova si les condicions internes i externes són favorables per la divisió cel·lular. Si

Page 62: Biologia Cel·lular

62

no es supera el punt de control no es passa d’aquella etapa. Un cop s’ha superat el control, s’entra irreversiblement en la segona etapa. En els oòcits, just després de la fecundació, es donen moltes divisions seguides. No existeix ni la fase G1 ni G2. Només hi ha M i S. Per tant, es perd tamany cel·lular. El sistema de control del cicle cel·lular té varies funcions com són activar les proteïnes i enzims necessaris perquè es pugui donar cadascuna de les etapes per exemple, el control per entrar a M ens activa la fosforilació de la làmina i les condensines. També fa la funció contrària que és la d’inactivar les proteïnes i enzims quan ja no són necessaris com és el cas quan en el final de la fase M s’inactiven les condensines per tal de que la cromatina es relaxi. També és una funció de control del cicle cel·lular assegurar que cadascuna de les etapes del cicle cel·lular s’ha acabat abans de començar la següent. Aquests punts de control els trobem en la fase final de G1 i principi de la fase S, al final de la G2 i principi de M, i a final de M i principi de G1. És molt important que hi hagi una cohesió entre les cèl·lules que faci que la cèl·lula es divideixi quan l’entorn és favorable. Els punts en que es pot regular el cicle cel·lular per senyals extracel·lulars són dos: en el pas de G1 a S i de G2 a M. En el primer hi actuen factors de creixement que permeten superar el punt de control i que la cèl·lula entri en fase S. Si no existeixen els factors de creixement, el cicle cel·lular es queda atrapat en aquell punt entrant en un estadi quiescent o de repòs que és G0. En el pas de G2 a M, la regulació extracel·lular ve donada per una estimulació hormonal. En els oòcits s’atura en el diplotè durant 50 anys, quan reben l’estimulació hormonal superen aquest punt de control. Les senyals internes que regulen el cicle cel·lular són tres: En G1 abans d’entrar a S, si la cèl·lula no ha crescut prou o bé el DNA està mutat s’atura el cicle per tal de donar temps a la cèl·lula a créixer o a reparar el DNA lesionat, evitant així que es puguin propagar mutacions. És molt important en aquesta aturada la proteïna p53 ja que l’augment de la concentració d’aquesta és induïda quan l’ADN està lesionat. Aquesta p53 és la responsable d’aturar el cicle cel·lular per tal que es pugui reparar el DNA lesionat. P53 és una proteïna que s’ha relacionat amb molts càncers humans ja que el gen d’aquesta proteïna està sovint mutat en molts càncers. Les conseqüències d’una mutació en el gen que codifica per p53 fa que la proteïna mutada no faci la seva funció i llavors les lesions en el DNA causants de càncer es puguin propagar en les divisions. El final de G2 o entrada a la fase M també hi ha uns senyals. Quan el tamany és insuficient, el DNA està mutat o quan no s’ha acabat la replicació del DNA el cicle també s’atura. L’últim punt de control és a la sortida de la fase M o en el pas de metafase a anafase. El que assegura aquest control és que tots els cromosomes estiguin alineats a la placa metafàsica i que tots els cinetòcors estiguin units als microtúbuls del fus mitòtic. Les molècules responsables de regular el cicle cel·lular són les quinases depenents de ciclines i les ciclines. El sistema de control del cicle cel·lular el que fa és fosforilar o defosforilar les proteïnes que permeten iniciar i regular la replicació del DNA. També permeten iniciar la fase M, encara que l’acabament de la mitosi està controlada per una degradació proteolítica pel complex promotor de l’anafase, APC. La fosforilació és un mecanisme molt ràpid que modifica les proteïnes canviant-hi l’estructura tridimensional d’aquestes i en conseqüència activant-la i desactivant-la. Aquest mecanisme

Page 63: Biologia Cel·lular

63

permet utilitzar les proteïnes sense haver d’esperar a que es transcriguin i es tradueixin, només activant-les o desactivant-les directament. En aquest procés s’afegeixen grups fosfat a un aminoàcid concret de la proteïna diana. Les proteïnes o enzims que estan implicats en la fosforilació de proteïnes són les quinases, mentre que els enzims o proteïnes que defosforilen les proteïnes són les fosfatases. Aquestes molècules que regulen el cicle cel·lular es van descobrir, per una banda, quan es feien experiments amb els oòcits de granota. Aquestes cèl·lules es caracteritzen per ser molt grans (1 mm de diàmetre) i també per tenir dos zones molt diferenciades que es caracteritzen per ser una més fosca que l’altra. Aquesta cèl·lula es troba normalment aturada en diplotè en l’ovari. Per una estimulació hormonal sortirà d’aquest estadi i passarà fins a metafase II, en metafase II s’observa un punt clar en la zona fosca. Més tard quan hi hagi la fecundació entrarà en anafase II, telofase II i després en moltes divisions cel·lulars seguides. L’experiment va consistir en injectar citoplasma d’oòcit en metafase II a un oòcit en diplotè, es va veure com aquest passava a metafase II. Va haver-hi un segon experiment que consistia en veure com en injectar citoplasma d’oòcit en diplotè a un oòcit en diplotè, aquest restava igual. Aquest segon experiment servia per descartar que la superació del punt de control en el primer experiment no fos causat per l’agressió física de la injecció. Aquest quelcom que contenia el citoplasma de l’oòcit en metafase II que permetia superar el control del diplotè es va anomenar MPF, factor promotor de la maduració; tot i que es va veure que també estava present en les cèl·lules somàtiques. També amb experiments amb llevats que consistien en buscar mutants deficients en el control del cicle cel·lular, es van trobar dos grups que ho complien, uns no podien superar el control de G1 a S i els altres mutants, no podien superar el punt de control de G2 a M. Es va trobar que la seqüència de la proteïna mutada era la d’una quinasa. El fet de treballar amb llevats facilita l’estudi ja que són un model senzill d’eucariota que es reprodueix ràpid i també pel fet que en general el control del cicle cel·lular està molt ben conservat en totes les cèl·lules eucariotes. Això últim es va veure pel fet que les proteïnes reguladores del cicle cel·lular humanes també funcionen en llevats. L’últim experiment el van fer un grup que treballaven amb eriçons de mar que van veure que hi havia unes proteïnes que s’acumulaven en interfase i es degradaven al final de la mitosi de forma cíclica i per això se les va anomenar ciclines. Aquestes ciclines trobades van ser injectades a oòcits aturats en diplotè i llavors es va veure com aquests superaven el punt de control i arribaven fins a metafase II. Un altre grup va purificar el complex MPF i va veure que estava format per quinases i ciclines. La ciclina és la subunitat reguladora que activa les quinases. Per tant, l’activitat de MPF està controlada per l’acumulació i la degradació de la ciclina al llarg del cicle cel·lular. Per això s’anomenen quinases depenents de ciclina CdK. Per tal que la CdK sigui activa cal per una banda, que estigui interaccionant amb la ciclina, que es fosforilin uns aminoàcids concrets, que es defosforilin uns altres aminoàcids concrets i que tampoc estigui interaccionant amb cap proteïna inhibidora. L’activitat de la CdK mitòtica augmenta ràpidament abans d’entrar en mitosi i llavors cau ràpidament al final de la mitosi. Quan les CdK mitòtiques estan actives fosforilen les làmines, les condensines i les proteïnes associades a microtúbuls. En conseqüència es desfà la làmina nuclear, es realitza l’últim nivell d’empaquetament de la cromatina per donar lloc a cromosomes mitòtics i també augmenta la inestabilitat dinàmica dels microtúbuls. Quan s’ha acabat la mitosi les ciclines mitòtiques es degraden per un sistema proteolític.

Page 64: Biologia Cel·lular

64

La CdK de la fase S realitza la fosforilació de les proteïnes implicades en la replicació del DNA. El pas de metafase a anafase o sortida de fase M, s’aconsegueix gràcies al complex promotor de l’anafase o APC. El complex degrada proteolíticament les cohesines i les ciclines de fase M. El complex promotor del fus mitòtic és activat quan tots els cinetòcors estan interaccionant amb els microtúbuls del fus mitòtic. En conseqüència les cromàtides germanes es separen i s’inactiven les CdK mitòtiques, per això es defosforila les làmines, les condensines i les proteïnes associades als microtúbuls i per tant es torna a formar la làmina, es descondensa la cromatina i es recupera el grau d’inestabilitat dinàmica típica dels microtúbuls de la interfase. La citosinesi es pot donar gràcies a la inactivació de les CdK mitòtiques. Quan hi ha una mutació, p53 s’activa i va a la zona reguladora (promotora) i activa la transcripció i traducció del gen que codifica una proteïna que inhibeix la quinasa, p23. En mamífers, les cèl·lules es divideixen només quan hi ha una senyal extracel·lular. Els factors de creixement estan regulats per retinoblastomes (Rb). En situació de no divisió Rb està unit a E2F, formant el complex Rb-E2F, inhibint l’activitat de E2F. Quan hi ha la senyal o factor de creixement adient en el control per passar de G1 a S, Rb és fosforilat i perd afinitat per E2F, i llavors aquest agent queda lliure. Quan E2F és alliberat, aquest factor de transcripció fa que es sintetitzin ciclines de fase S. Les ciclines formen el complex CdK-ciclines. Quan el factor de creixement no hi és, les cèl·lules de mamífer entren en un estat quiescent (G0). En G0 la maquinaria de reproducció desapareix, és a dir, les CdK i les ciclines són degradades proteolíticament. 3.3- Apoptosi.

Quan una cèl·lula d’un organisme pluricel·lular té el DNA molt lesionat i no el pot reparar, p53 té un paper molt important en la mort cel·lular programada o apoptosi. Aquest fet és molt important pel conjunt de l’organisme ja que evita que es propaguin les mutacions en les següents divisions. L’apoptosi permet matar cèl·lules perjudicials per l’organisme (cèl·lules infectades per un virus, o cèl·lules amb el DNA molt mutat). L’apoptosi serveix per mantenir constant el nombre de cèl·lules en teixits i òrgans. Durant el desenvolupament embrionari, l’apoptosi permet la formació dels dits dels peus i de les mans. Durant el desenvolupament, en la metamorfosi, apart de degradar-se la matriu també hi ha apoptosi (cua, cap-gros, granota). Durant el desenvolupament del sistema nerviós, s’eliminen un 50% de les neurones.

Page 65: Biologia Cel·lular

65

Es pot diferenciar la mort cel·lular programada de la mort accidental ja que en l’apoptosi hi ha una degradació o fragmentació del DNA, el que queda es condensa i llavors el nucli es fragmenta. Llavors la cèl·lula també es fragmenta formant els cossos apoptòtics, aquests són fàcilment reconeguts per macrofags o cèl·lules veïnes que els fagociten. No hi ha lesió a nivell de teixit, no hi ha inflamació. Mentre que en la mort accidental s’allibera a l’exterior tot el material de la cèl·lula, i hi ha inflamació del teixit. En l’apoptosi hi ha gens que codifiquen per caspases, són una família de proteïnes de les quals moltes provoquen la degradació de proteïnes. Algunes de les proteïnes que són degradades són els inhibidors de DNAses i les làmines. La degradació d’aquestes fa que el nucli es degradi i es fragmenti a causa de l’activació de les DNAses i l’eliminació de l’embolcall nuclear. A dins d’una cèl·lula en situació normal hi ha les procaspases. Aquestes no són actives perquè tenen alguns pèptids de més. Les

procaspases s’activen gràcies a adaptadors que el que fan és unir les procaspases. L’agregació de les procaspases indueix l’eliminació del pèptids sobrants i per tant, l’activació de les caspases. L’activació de les procaspases pot ser provocada des de l’exterior cel·lular a través de l’activació d’uns receptors de la superfície cel·lular tal i com ho fan els limfòcits assassins en les cèl·lules estreçades infectades per virus. L’apoptosi per senyals internes està regulada moltes vegades per p53 ja que aquesta activa la transcripció de gens que codifiquen per proteïnes que promouen l’alliberació del citocrom C dels mitocondris, i aquest intervé en l’agregació de les procaspases. Aquest mecanisme de l’apoptosi permet eliminar cèl·lules infectades per un virus, cèl·lules canceroses i els limfòcits després de la resposta immunitària. En general, en mamífers les cèl·lules estan programades per morir; a menys que la mort cel·lular sigui suprimida de manera activa per senyals de supervivència que són enviades per les cèl veïnes o altres cèl·lules. 3.4- Càncer El càncer es caracteritza per una proliferació cel·lular desmesurada de qualsevol tipus de cèl·lula del cos. Es pot considerar benigne o maligne en funció de les característiques d’aquest. Quan és benigne està localitzat, no envaeix altres teixits ni s’escampa a parts distals del cos. Quan és maligne envaeix altres teixits i s’escampa a parts distals del cos. Aquesta gran capacitat de proliferació s’aconsegueix a través de diferents maneres i diferents etapes. Les cèl·lules es tornen malignes de forma gradual a través d’alteracions progressives. Aquestes són mutacions en el DNA que alliberen a les cèl·lules dels controls habituals del cicle cel·lular i els de supervivència. El càncer és doncs el mutacions. Els gens que són mutats per donar el procés cancerós són de dos tipus: gens de proliferació i gens d’antiproliferació. Els gens de proliferació codifiquen per proteïnes que estimulen la divisió cel·lular. Els gens d’antiproliferació codifiquen per proteïnes que aturen el cicle cel·lular en els punts de control, com ara p53.

Page 66: Biologia Cel·lular

66

La mutació en un gen de proliferació fa que la proteïna es sobrexpressi o s’hiperactivi. El fet que se sobrexpressi significa que es trobin molt més alts els nivells de RNA missatger i que per tant augmenti la concentració de la proteïna. El fet que s’hiperactivi significa que la proteïna és activa sempre. Aquest gen que ha mutat es coneix com a oncogen o gen promotor de

tumor, mentre que el gen normal o salvatge es coneixen com a proto-oncogens. Els proto-oncogens es troben en les cèl·lules normals i controlen la proliferació cel·lular. L’oncogen està alterat o mutat de tal manera que es dóna una divisió cel·lular excessiva o desmesurada. Per exemple Ras és una proteïna proto-oncogènica que si està mutada esdevé oncogènica i llavors és activa sempre. Procés Normal: Senyal extracel·lular� Ras activa� Ciclines� Divisió cel·lular Procés Cancerós: Ras sempre activa� Síntesi contínua de Ciclines� Divisió cel·lular contínua Un 20% dels càncers humans són deguts a mutacions en el gen de Ras.

Determinades mutacions en els receptors de factors de creixement extracel·lulars de la membrana si estan mutats també fan que Ras estigui sempre en forma activa. En els gens d’antiproliferació quan es dóna un mutació aquest gen, la proteïna per la qual codifica esdevé inactiva, de forma que la proliferació cel·lular es dóna de forma excessiva. A aquests gens se’ls anomena gens supresors de tumors. Per exemple p53 és un gen supresor de tumors, les mutacions en aquest gen són les causants d’un 50% dels càncers humans. En estat normal aquesta proteïna atura el cicle cel·lular quan hi ha mutacions activant p21 que inhibeix el complex Cdk-ciclines; per altra banda també intervé en la apoptosi per alliberació dels citocroms C dels mitocondris. En general aquests gens inhibeixen i/o la supervivència cel·lular, com és el cas de p53. El càncer és doncs una malaltia genètica. Cal destacar que es dóna en diferents etapes que impliquen la mutació i selecció de les cèl·lules que tenen més capacitat de supervivència i de metàstasi. Les cèl·lules canceroses es caracteritzen per certes propietats com són:

Page 67: Biologia Cel·lular

67

- La independència dels factors de creixement necessaris per les cèl·lules normals. - Se sintetitzen factors de creixement que estimulen la pròpia proliferació cel·lular, mentre

que les cèl·lules normals les han de rebre de les cèl·lules veïnes o altres. - Estan menys adherides a la matriu extracel·lular o a les cèl·lules veïnes, la qual cosa

afavoreix la metàstasi o invasió d’altres teixits. - El creixement de les cèl·lules canceroses no s’atura en trobar una altra cèl·lula, mentre

que en les cèl·lules normals el creixement s’atura o involuciona per contacte amb altres. - Les cèl·lules canceroses segreguen factors proteases que degraden la matriu

extracel·lular afavorint la metàstasi. - Segreguen factors de creixement que promouen la formació de nous vasos sanguinis,

aquest procés és conegut com a angiogènesi; aquest afavoreix tant la metàstasi com l’arribada de nutrient i oxigen que afavoreixi el creixement del tumor.

- Les cèl·lules canceroses no es diferencien gaire, és a dir que no s’especialitzen gaire; això fa que no perdin la capacitat reproductiva tal i com ho fan moltes cèl·lules al especialitzar-se com és el cas del eritròcits.

- Sobreviuen molt més que les normals ja que no fan apoptosi.

Page 68: Biologia Cel·lular

68

Page 69: Biologia Cel·lular

69