Bioqumica, Biologa celular y Biologa molecular. Primer Parcial.

Biologa celular, citologa (citos = clula) y logos estudio o tratado. La biologa celular es una ciencia que se encarga de estudio de las clulas en cuanto a sus propiedades, estructura, funciones, orgnulos que contienen, su interaccin con el ambiente y su ciclo vital. Es decir estudia la organizacin nica de un organismo vivo. Las clulas fueron visibles hasta el siglo XVII, cuando se invent el microscopio. El descubrimiento de la clula se acredit a Robert Hooke, un microscopista ingls. Hooke llam a estas estructuras clulas debido a que se asemejaban a las celdas habitadas por los monjes de un monasterio. Leeuwenhoek fue el primero en examinar una gota de agua estancada bajo el microscopio, observ gran cantidad de animculos en el campo del microscopio. Primero en observar bacterias. Schwann concluy que las clulas de plantas y animales son estructuras similares y propuso dos de los principios de la TEORA CELULAR: Todos los organismos estn compuestos de una o ms clulas y la clula es la unidad estructural de la vida. Para 1855, Rudolf Virchow haba formulado un argumento convincente para el tercer postulado de la TEORA CELULAR: Las clulas slo pueden originarse por divisin de una clula preexistente. Al microscopio ptico le han seguido la microscopa con contraste de fase, microscopa de fluorescencia, microscopa de barrido, microscopa electrnica de transmisin, microscopa electrnica de barrido y hasta la microscopa de fuerza atmica.

Las clulas son las unidades fundamentales de la vida y mediante la biologa celular debemos encontrar la respuesta a la pregunta de qu es la vida y cmo funciona. Todos los organismos vivos estn formados por clulas que son unidades pequeas rodeadas de una membrana que contienen una solucin acuosa concentrada de sustancias qumicas dotadas de la extraordinaria capacidad para crear copias de s mismas mediante el crecimiento y la divisin en dos clulas. Las clulas aisladas son las formas de vida ms simples.

Los organismos superiores, como el hombre, son comunidades de clulas que derivan del crecimiento y la divisin de una clula fundadora nica. Cada animal, vegetal y hongo es una colonia extensa de clulas individuales que efecta funciones especializadas.1

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Las clulas varan unas a otras en tanto a su forma, tamao o funcin.

Pese a la gran variacin que puede existir entre las clulas, tienen similitudes. Las clulas se parecen en los detalles de sus procesos qumicos y comparten la misma maquinaria para la mayora de las funciones bsicas. Aqullas clulas que tienen ncleo son denominadas eucariotes eucariontes (del griego eu que significa bien o verdadero y carion que significa ncleo). * Son en general ms grandes y ms complejos que los procariotas. * Algunas llevan vida independientes como organismos unicelulares como las levaduras, otras forman agrupaciones pluricelulares. * Los organismos pluricelulares ms complejos como los animales estn formados por clulas eucariotas. * Por definicin todas las clulas eucariotas tienen un ncleo definido. *Tienen tambin orgnulos intracelulares la mayora de los cuales son comunes para todos los organismos eucariotes. * El ncleo tiene como funcin principal almacenar el ADN. * Las mitocondrias generan energa. * El retculo endoplsmico tiene como funcin producir la mayora de los componentes de la membrana celular. *El aparato de Golgi modifica las molculas producidas en el retculo endoplsmico y las expulsa de la clula o hacia otras localizaciones. *Los lisosomas llevan a cabo la digestin intracelular. *Las clulas eucariticas tienen una longitud 10 veces mayor y un volumen 1000 veces mayor que los procariotas.

Los organismos cuyas clulas no tienen ncleo diferenciado son denominados procariontes o procariotes (del griego pro que significa antes). *Tienen una cubierta protectora resistente alrededor de la membrana plasmtica llamada pared celular. *Este tipo de clulas se reproducen con rapidez en dos partes (fisin).

*Aunque la mayora de los procariotes viven como organismos unicelulares, algunos se unen para formar cadenas, grupos, u otras estructuras multicelulares organizadas. *Los procariotes se pueden clasificar en dos eubacterias (o simplemente bacterias) y archaea.Dr. Marco Antonio Falcon Franco

dominios diferentes denominados2

*La mayora de los procariotes de la vida cotidiana pertenecen a las eubacterias.

Caractersticas de las clulas eucariticas y procariticas:CARACTERSTICAS COMUNES: Membrana plasmtica de estructura similar. Informacin gentica codificada en el ADN mediante cdigos genticos idnticos. Rutas metablicas compartidas. Aparato similar para conservar la energa en forma de ATP Mecanismos parecidos para sintetizar e insertar protenas de membrana. CARACTERSTICAS PRESENTES SLO EN EUCARITAS: Divisin de la clula en ncleo y citoplasma, separados por una envoltura nuclear que contiene estructuras complejas de poros. Cromosomas complejos y compuestos por ADN. Poseen organelos citoplasmticos. Cilios y flagelos complejos. Tres enzimas diferentes sintetizan ARN. Reproduccin sexual que requiere meiosis y fecundacin. Sistema complejo de citoesqueleto (microtbulos, microfilamentos).

Caractersticas presentes solo en PROCARIOTICAS:Contienen pared celular adems de la membrana plasmtica. Poseen plstidos, cloroplastos y vacuolas. Plstidos: Su funcin principal es la produccin y almacenamiento de importantes compuestos qumicos usados por la clula.

Estructura de las Membranas Biolgicas Las clulas estn delimitadas por una membrana, que es una estructura fina, resistente y flexible, constituida por lpidos, protenas y carbohidratos.

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Las membranas definen los lmites externos de las clulas y separan compartimentos dentro de ellas. Son componentes esenciales de todas las clulas vivas. Estn formadas por bicapas lipdicas y muchas protenas embebidas en ellas. Las protenas controlan el transporte de iones y de molculas que entran y salen de las clulas. Las membranas generan y mantienen la concentracin de gradientes esenciales para la produccin de ATP. Son indispensables en la adhesin intercelular y en la comunicacin celular. La membrana plasmtica esta formada por: Carbohidratos Protenas Lpidos (anfipticos, por presentar regiones hidrfilas e hidrfobas la misma molcula). Lpidos: los fosfolpidos en las membranas estn distribuidos en dos monocapas formando una bicapa, estructura base de las membranas biolgicas. En esta bicapa de fosfolpidos tambin est presente la esfingomielina, as como el colesterol. La presencia de colesterol en las membranas es indispensable para la fluidez de las membranas. La distribucin de los fosfolpidos en las membranas biolgicas es variable de acuerdo al tipo de clula e incluso en los diferentes organelos de las mismas clulas: Monocapa externa: Fosfatidilcolina y Esfingomielina.

Membrana plasmtica del eritrocito y Monocapa interna: Fosfatidiletanolamina, Fosfatidilserina Fosfatidilinositol.

Hepatocitos

Membrana plasmticaFosfatidilcolinaDr. Marco Antonio Falcon Franco 4

Fosfatidilserina Esfingomielina Colesterol Membranas intracelulares Fosfatidilcolina Fosfatidilserina Membrana mitocondrial interna

30% 15% 30%

75%

Cardiolipina (prcticamente ausente en otras membranas)

Carbohidratos.- pueden estar unidos a la bicapa lipdica y reciben el nombre de glucolpidos, o unidos a las protenas transmembrana y reciben el nombre de glucoprotenas. Generalmente esta en la monocapa externa de la membrana plasmtica. Las protenas estn embebidas en la bicapa lipdica y pueden ser: *Integrales o intrnsecas.- Atraviesan la bicapa lipdica. *Perifricas o extrnsecas.- Estn asociadas no covalentemente a la bicapa lipdica.

Las protenas integrales estn ubicadas de manera asimtrica a travs de la membrana. Estas protenas desempean mltiples funciones: Funcin estructural Funcionan como bombas Portadoras Conductoras Enzimticas Receptores

Las protenas perifricas estn unidas dbilmente a una sola monocapa. Sus Funciones pueden ser:

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Recibir informacin Ligar substancias que han de penetrar a la clula Participar en reacciones bioqumicas.

Los lpidos estn en constante movimiento, por lo tanto la fluidez de la membrana depende principalmente de la composicin de los lpidos. Tipo de movimiento de los lpidos en las membranas: *Difusin lateral (un fosfolpido se intercambia por otro dentro de la misma monocapa). *Difusin transversal flip-flop (un fosfolpido se intercambia por otro dentro de una monocapa aotra).

*Rotacin

La fluidez de la membrana afecta de manera significativa sus funciones. Las membranas son barreras de permeabilidad selectiva que restringen el paso libre de la mayor parte de las molculas, y ese trnsito molecular se lleva a cabo a travs del transporte celular. El transporte celular es el intercambio de sustancias entre el interior celular y el exterior a travs de la membrana celular. La clula necesita este proceso porque es importante para esta expulsar de su interior los desechos del metabolismo y adquirir nutrientes del lquido extracelular. Las membranas tienen mecanismos para transportar molculas pequeas y tambin para transportar molculas grandes. Transporte de molculas de bajo peso molecular Los mecanismos de transporte para las molculas de pequeo tamao son: Transporte pasivo y transporte activo. El transporte pasivo es el intercambio simple de molculas de una sustancia a travs de la membrana plasmtica. No hay gasto de energa que aporta la clula. Va a favor del gradiente de concentracin o a favor de gradiente de carga elctrica, es decir, de un lugar donde hay una gran concentracin a uno donde hay menor. El proceso celular pasivo se realiza por difusin simple o por difusin facilitada. Difusin simple La difusin es el movimiento de tomos, molculas o iones de una regin de mayor concentracin a una de menor concentracin sin requerir gasto de energa. (+)(-)Dr. Marco Antonio Falcon Franco 6

Por lo general la velocidad de la difusin simple depende del gradiente de concentracin, del tamao de la molcula y de la facilidad con la que se disuelven en lpidos. Las molculas solubles en lpidos, como el alcohol etlico y la vitamina A, se difunden fcilmente a travs de la bicapa fosfolipdica, lo mismo que las molculas muy pequeas, entre ellas el agua y gases disueltos, como oxgeno y dixido de carbono. Este proceso se llama difusin simple.

Difusin facilitada. Es el movimiento de molculas que no pueden pasar a travs de la membrana plasmtica y necesita ayuda de una protena. Esta protena puede ser: protena de canal o protena portadora. Las molculas solubles en agua, como los iones (K+, Na+, Ca+2), aminocidos y monosacridos, slo pueden difundirse al otro lado con la ayuda de uno de dos tipos de transporte: protenas de canal y protenas portadoras (carriers). Las protenas de canal forman poros o canales, en la bicapa lipdica, a travs de los cuales ciertos iones pueden cruzar la membrana. Las protenas portadoras se unen a molculas especficas, como ciertos aminocidos, azcares o protenas pequeas, provenientes del citoplasma o del fluido extracelular. La unin provoca un cambio en la forma de las protenas portadora, el que permite a las molculas pasar a travs de las protenas y llegar al otro lado de la membrana plasmtica. La difusin facilitada se efecta mediante protenas portadoras que no gastan energa celular. Estas protenas slo mueven molculas si el gradiente de concentracin es favorable. Transporte activo Requiere un gasto de energa (ATP) para transportar la molcula de un lado al otro de la membrana. Requiere de una molcula transportadora (protena) El transporte activo es el nico que puede transportar molculas contra un gradiente de concentracin. Son de inters dos grandes categoras de transporte: Transporte activo primario: usa energa (de ATP) directamente, a nivel de la misma protena de membrana produciendo un cambio conformacional que resulta en el transporte de una molcula a travs de la protena.Dr. Marco Antonio Falcon Franco 7

El ejemplo mas conocido es la bomba de Na+/K+. La bomba de Na+/K+ realiza un contratransporte ("antiporte") transporta K+ al interior de la clula y Na+ al exterior de la misma, al mismo tiempo, gastando en el proceso ATP. Transporte activo secundario: utiliza la energa para establecer un gradiente a travs de la membrana celular, y luego utiliza ese gradiente para transportar una molcula de inters contra su gradiente de concentracin. Es decir el gasto de energa es indirecto. Un ejemplo es el transporte de glucosa. El mecanismo de transporte secundario Na+-glucosa usa la bomba de sodio/potasio en una primera etapa, genera as un fuerte gradiente de sodio a travs de la membrana. Luego la protena "sinporte" para el sistema sodio-glucosa usa la energa del gradiente de sodio para transportar glucosa al interior de la clula. El transporte activo por la direccin de las molculas transportadas puede ser: Uniporte: una solo molcula es decir en un solo sentido. Cotransporte: que puede ser: *Sinporte. Dos molculas en el mismo sentido *Antipoporte. Una molcula en un sentido y otra en sentido contrario. IONOFOROS Ciertos microrganismos utilizan pequeas molculas orgnicas hidrofbicas llamadas ionforos, que funcionan como lanzaderas y aumentan la permeabilidad de la membrana a determinados iones. Bsicamente su funcionamiento radica en bloquear la carga del in, dejndolo pasar a travs de una zona hidrofbica, sin ningn gasto de energa. De esta manera el in pasa de un lado a otro de la capa por diferencia de gradiente. Ejemplos, la valinomicina y la gramicidina.Diferentes bombas ATPasa Na+K+ ATP asa Ca++ATPasa H+-K+ATPasa

Na+K+ ATP asaEl funcionamiento de la bomba electrognica de Na+/ K+ (sodio-potasio), se debe a un cambio de conformacin en la protena que se produce cuando es fosforilada por el ATP.

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Como el resultado de la catlisis es el movimiento transmembrana de cationes, y se consume energa en forma de ATP. La bomba de sodio-potasio encontrada en la clulas del corazn es una diana importante para los glucsidos cardiacos (como digoxina y ouabana), drogas inotrpicas ampliamente usadas en la clnica para incrementar la fuerza de contraccin. Mecanismo de accin de la bomba Na+K+ ATPasa: a) Unin de tres Na+ a sus sitios activos. b) Fosforilacin de la cara citoplasmtica de la bomba que induce a un cambio de conformacin en la protena. Esta fosforilacin se produce por la transferencia del grupo terminal del ATP. c) El cambio de conformacin hace que el Na+ sea liberado al exterior. d) Una vez liberado el Na+, se unen dos molculas de K+ a sus respectivos sitios de unin de la cara extracelular de la protena. e) La protena se desfosforila producindose un cambio conformacional de esta, lo que produce una transferencia de los iones de K+ al citosol.

Bomba Ca++-ATPasaLa bomba de calcio de la membrana plasmtica es fundamental en la regulacin de la concentracin citoplasmtica basal de este catin. Esta enzima que constituye el 80% de de las protenas de la membrana del retculo sarcoplsmico, desempea un papel importante en la contraccin muscular. La Ca2+-ATPasa de la membrana plasmtica es estimulada por calmodulina (CaM). Tambin puede ser estimulada mediante fosforilacin por la protena-quinasa A y por la protein-quinasa C.

Bomba H+ ATPasa - Bomba de ProtonesEl jugo gstrico humano contiene una solucin de cido clorhdrico (H+Cl-) 0.1 M. El cido clorhdrico es producido por las clulas parietales de la mucosa gstrica. El proceso implica una ATPasa situada en la membrana apical de la clula, la parte que se enfrenta al lumen del estmago. La ouabana extracelular. o digitalis inhibe la Na+K+ ATPasa mediante su unin a la regin

El K+ extracelular puede ser antagonista de la inhibicin de la ATPasa por parte de la ouabana.

Transporte de molculas de alto peso molecularDr. Marco Antonio Falcon Franco 9

En clulas eucariotas existen dos mecanismos de intercambio de material a travs de la membrana plasmtica: *Exocitosis: es el mecanismo por el que protenas y lpidos sintetizados en el retculo endoplasmtico (rugoso o liso, respectivamente) se incorporan a la membrana plasmtica o son expulsados al medio extracelular. La secrecin por exocitosis puede ser de dos tipos: Secrecin constitutiva . Descarga continua de vesculas en la membrana plasmtica, Independiente de seales extracelulares especficas. Secrecin regulada. extracelulares. Descarga rpida y controlada, dependiente de seales

*Endocitosis: es el proceso por el que la clula capta partculas del medio externo mediante una invaginacin de la membrana en la que se engloba la partcula a ingerir. Tipos de endocitosis. Fagocitosis Pinocitosis Endocitosis mediada por receptor Fagocitosis: Incluye la ingestin de microorganismos y restos celulares mediante la formacin de vesculas grandes llamados fagosomas(>250 nm). Pinocitosis: Incluye la ingestin de fluidos y molculas mediante la formacin de pequeas vesculas (