1. EDUARDO DE ROBERTISJOS HIBFUNDAMENTOS DE . ~ BIOLOGIA CELULARY MOLECULARDE DE ROBERTISRdiftffial El AtL~eoFundamentos ha sido concebido como textopara estudiantes de bachilleratosespecializados y para quienes desean ingresara instituciones universitarias o realizan cursossuperiores de biologa celular en el campo delas ciencias mdicas, agronmicas, veterinarias,exactas y biotecnolgicas.Su contenido ha sido organizado de maneradidctica e integrada, pasando de lascuestiones ms simples a las ms complejas.Brinda una cobertura completa de loscomponentes de la clula, abordados con uncriterio funcional a fin de facilitar la conexinde sus temas con los de otras materiasbiolgicas. En lo concerniente a las cienciasmdicas, el texto responde tanto a losprogramas tradicionales como a los basadosen el autoaprendizaje y la resolucin deproblemas, ya que los contenidos de sus 23captulos son presentados de modo tal que elestudiante puede localizarlos, incorporarlos einterrelacionarlos autnomamente.Fundamentos es un texto de biologa celularconciso, actualizado, muy comprensible yprofusamente ilustrado con micrognifas yfiguras en colores, concordante con laorientacin seguida por la enseanza de lamateria en los principales centros en que seimparte.

2. ~.,.,._ ..... _11 Eduardo M. F. De Robertisd.l'- Es doctor en Medicina y se gradu conMedalla de Oro en la Facultad de Medicinade la Repblica Oriental del Uruguay.Adems es doctor en Bioqumica de laFacultad de Ciencias Exactas de laUniversidad de Buenos Aires. Despus decompletar su doctorado en la FundacinCampomar se traslad a Cambridge, Inglaterra, para continuarsu entrenamiento con Sir Gurdon en embriologa de anfibios.Desde 1985 es profesor titular de Bioqumica de la Facultad deMedicina de la Universidad de California, Los Angeles, dondeocupa la Norman Sprague Endowed Chair for MolecularOncology. En 1994 recibi la distincin de ser nombradoInvestigador del Howard Hughes Medicallnstitute. Ha sidoelegido miembro de la European Molecular Biology (EMBO), dela Organizacin Iberoamericana de Biologa Molecular (IMBO) yes miembro correspondiente de la Socit de Biologie de Paris.Ha recibido distinciones de la Fundacin Konex, del College deFrance de Paris y de otras entidades. Es miembro de ConsejosAsesores de numerosas organizaciones internacionales.Recientemente ha sido elegido miembro de la AmericanAcademy of Arts and Sciences.Jos HibSe gradu en la Facultad de Medicina dela Universidad de Buenos Aires. Esdoctor en Medicina de esa universidad ydoctor en Biologa de la Universidad delSalvador. Tempranamente se dedic a ladocencia y se traslad --como becariode la Organizacin Mundial de la SaludalCentro latinoamericano de Perinatologa de Montevideo,dirigido por el profesor Roberto Caldeyro-Barcia.AII realizsus primeros trabajos de investigacin, vinculados con lacontractilidad de los rganos del sistema reproductormasculino y su regulacin farmacolgica y hormonal. Luego seradic en Buenos Aires, donde como miembro del CONICETcontinu con sus investigaciones, que fueron registradas en msde 30 publicaciones en revistas extranjeras, o comunicadas encongresos nacionales e internacionales de la especialidad. En1986 fue nombrado profesor adjunto del Departamento deBiologa Celular, Histologa, Embriologa y Gentica de laFacultad de Medicina de la Universidad de Buenos Aires y desde1996 es profesor titular de esa asignatura en la UniversidadAbierta lnteramericana. Fue miembro del Comit Cientfico delPrimer Congreso Panamericano de Androloga y ha sidopremiado por el Ministerio de Educacin de la Nacin por sutrabajo Contraailidad de/ epiddimo. Es autor de los librostnl>rlolo:la Mdica Histologa de Di Fiore - Texto y Atlas-; este'lt lnu .. 11 l:oal q111 lwtlwntlllo~. h:1 sido traducido al portugus.Los estudios moleculares de la clula hanalcanzado logros tan significativos que conviertena la biologa celular en el basamento de lamayora de las asignaturas de las cienciasbiolgicas.Los veintitrs captulos que componen estanueva edicin han sido revisados, ampliados yactualizados en consonancia con losespectaculares avances registrados en la mayorparte de los temas. Todos han sido presentadosen forma concisa y didctica, encabezados porcdigos que agilizan la bsqueda de loscontenidos y permiten su integracin. Adems seha cambiado el formato del libro y se harecreado su diseo mediante la incorporacin deilustraciones nuevas y el empleo de colores.En lo que atae a los estudios mdicos, el textose adecua tanto a los programas tradicionalescomo al aprendizaje basado en la resolucin deproblemas, pues ha sido redactado de modo queel estudiante pueda comprender sus conceptoscon razonable facilidad.Editorial El At~~~J,,,111111t:J;::l~ or-" oe- ')~-----~:J.-e-)r-r 1 r.- . .r -:;o~z~ 3. Fundamentosde Biologa Celulary Molecularde De Robertis 4. Fundamentosde Biologa Celulary Molecularde De RobertisEduardo M. F. De Robertis .Jos Hibe) Editorial El Ateneo 5. De Robertis, EduardoFundamentos de Biologa Celular y Molecular de De RobertisDe Robcnis, Eduardo-Hib. Jos4' ed. - Buenos Aires- El Ateneo, 2004444 pginas. 16 x 23 cmISBN 950-02-0414-21. Biologa Celular- 2 fl iologa Molecular- l. Jos Hib JI. TtuloCDD 618.2Tercera edicin publicada en ponugus con el ttuloDe Rober1is - Bases da Biologia Celular e MolecularGuanabara-Koogan, Ro de Janciro. 2001Diseo Tapa: Cla udia SolariDise11o i nlcrior: Alejandro Ji. DcmartiniCuana edicin de Editorial El Ateneo GRUPO ILHSA S.A .. 2004l'atagoJJeS 2463 - (C 1282ACA) fluenos Aires - ArgentinaTel. : (54 11) 4943 8200- Fax: (54 JI ) 4308 4 199E-mai 1: ed itorial @cbtcnco.comDerechos exclusivos de edicin en castellanoreservados para lodo el mundo.Queda hecho el depsito que establece la k y 11 .72]Impreso en Talleres Verbp S.A.Comandante Spun 65], Avellaneda.Provincia de Buenos Aires.en el mes de abril de 2004.http"'' " 1 117. EL SISTEMA DE ENDOMEMBRANAS 137En los tejidos conectivos los proteoglicanosque se liberan pasan a la matriz extracelular(cap. 6-3), mientras que en algunos epitelios derevestimiento forman parte del moco que protegey lubrica su superficie. Llamativamente, aveces retornan a las clulas y se reintegran alglicocliz, donde quedan adosados como glicoprotenasperifricas.7- 19. Algunas protenas son procesadasen el RE y en e l complejo de GolgiAntes de ser secretadas, algunas protenasexperimentan una serie de modificaciones, imprescindiblespara su funcionamiento normal.Por ejemplo, en las clulas ~ de los islotes delpncreas se sintetiza la preproinsulina, que esla prohormona precursora de la insulina (fig.7-19). En el RE, al ser removido de su extremoarnino un segmento de 26 aminocidos -correspondienteal pptido seal- , la preproinsulinase convierte en proinsulina. Esta contiene81 aminocidos, 51 de los cuales pertene-oo :2(f)::SD.. o ozwo..J::J o:::wa:a ..J o(.')woo -,w..JD..2 o oPptido-se-alcen a la insulina activa y 30 a un pptido de conexin llamado pptido C. Pormedio de vesculas transportadoras, la proinsulina pasa del RE al complejode Golgi, donde una enzima hidroltica especfica separa la insulina del pptdoC. Luego, mediante otras vesculas transportadoras, ambas molculasson conducidas hacia la membrana plasmtica para su secrecin.En el captulo 16-23 se describir el procesamiento experimentado porotra prohormona, la proopiomelanpcortina (POMC).7- 20. En el sistema de endomembranas las protenas son clasificadassegn su naturaleza q umica y su destinoEn la seccin 7-13 definimos las distintas vas seguidas por las protenasJuego de su incorporacin al RER. Estas molculas, excepto las que se establecencomo residentes permanentes en el RE o en el complejo de Golgi, alcanzanel extremo de salida de este ltimo, donde se clasifican para su ulteriordespacho. Segn su naturaleza, tendrn como destino incorporarse a unendosoma o dirigirse a la superficie .celular (fig. 7-1).Los itinerarios seguidos por las protenas dependen de ciertas seales ensus molculas y de receptores especficos en los lugares por donde pasan.La primera seal fue descubierta en las enzimas hidrolticas destinadas alos endosornas. Como se ver en la seccin 7-30, luego de arribar a un sectorespecfico de la regin .de salida del complejo de Golgi, estas protenas setransfieren - mediante vesculas transportadoras- a endosomas cargadoscon sustancias endocitadas en la superficie celular.Por qu las vesculas que transportan enzimas hidrolticas destinadas alos endosornas se fusionan con ellos y no se dirigen a la membrana plasmtica?Tngase en cuenta que en el segundo caso podran ser secretadas haciael medio extracelular y producir graves consecuencias. La respuesta abarcavarios 'procesos, pero la causa responsable de la conduccin de las enzimashnd:1 ,. lugar :ul uadn I'S la u"t'SI"II1 1 f ,('IU' I :uloj dnt lllll l ' InoiUI LI III.IIiCITOSOLOihidroxiacetona 3-fosfato ----Glicerol3-fosfato v- NADH Wdeshidrogenasa ~NAO+MITOCONDRIADihidroxiacetona 3-fosfatoGlicerol 3-fosfatodes!JidrogenasaGlicerol 3-fosfato -------- ---- Glicerol 3-fosfatoLa ATP sintasa puede tambin llamarse ATPasa, pues es capaz de hidrolizarATP (a ADP y P) y con la energa liberada bombear H al espacio ntermembranosoa travs de la porcin F0. No obstante, recibe el nombre de ATPsintasa porque en la matriz mitocondrial el cociente ATP/ADP normalmentees inferior a la unidad, lo cual lleva a la sntesis y no a la hidrlisis del ATP.8-17. Los H+ y los e- se combinan con el oxgeno atmosfricopara formar aguaCabe ahora indagar sobre el destino de los e, los cuales, Juego de perderuna parte sustancial de su energa, abandonan la cadena respiratoria y regresana la matriz mitocondrial. Se combinan con los H venidos del espacio intermembranosoy el 0 2 proveniente de la atmsfera, lo que da lugar a la fo rmacinde Hz (figs. 8-10 y 8-12). La atraccin de Jos e por el 0 2 se debe aque poseen una gran afinidad por ste, mayor que la que tienen por la citocromooxidasa, lugar por donde salen de la cadena respiratoria. Con la formacindel H20 culmina la fosforilacin oxidativa.Se necesitan 4 e y 4 I-f+ por cada 0 2 para que se produzcan 2 molculasde H20 , que es uno de los productos finales del metabolismo (el otro es elC0 2). El Hz pasa de la mitocondria al citosol, donde puede quedar retenidao salir al espacio extracelular.8-1 8. Los NADH generados durante la gluclisis no ingresanen las mit ocondriasHasta ahora hemos soslayado el destino de los NADH generados durantela gluclisis (seccin 8-6) (fig. 8-6). A di ferencia de los NADH formados enlas mitocondrias, que rinden 2,5 ATP cada uno, los de la gluclisis a vecesgeneran 1,5 ATP y a veces 2,5. El menor rendimiento energtico se debe aque el NADH citoslico no puede ingresar en la mitocondria, puesto que sumembrana interna le es impermeable.CITOSOL MITOCONDRIAMalato ------- ----- MalatoMalatodes!Jidrogenasay. NAO+~ NADHOxalacetato~ r ~a lAspartato aminotmnNAO+ ~H+ NAOH w..--1MalatodeshidrogenasaOxalacetato l A pnrt te +----- ------- 1.,p ll .t!O8. LAS MITOCONDRIAS 173Para que el NADH citoslico pueda ceder su energa al ATP, ingresan enla mitocondria slo sus e y H+, ya que no el propio NADH. Ello es posiblegracias a ciertas molculas citoslicas que actan como " lanzaderas". As,una lanzadera, luego de captar dos e y un H del NADH (ms otro H delmedio), los conduce a la mitocondria, donde los transfiere a otra molcula;luego retorna sin ellos al citosol, por lo que queda disponible para una nuevaoperacin.Una de las lanzaderas es el glicerol 3-fosfato, formado en el citosol al reducirsela dihidroxiacetona 3-fosfato (fig. 8-14). El glicerol 3-fosfato ingresaen el espacio intermembranoso y se pone en contacto con la membrana mitocondrialinterna, ms precisamente con el FAD, al que le cede los dos e y losdos H+, es decir, una molcula de hidrgeno (H2). Se forma por lo tanto unFADH2, que como sabemos cede sus e a la ubiquinona. En la seccin 8-16vimos que cuando los e ingresan en la cadena respiratoria por la ubiquinonadan lugar a 1,5 ATP en lugar de 2,5.Existen adems lanzaderas de malato-aspartato (fig. 8-15). En este casolos dos e y el H del NADH citoslico (ms otro H+ del medio) reducen a unoxalacetato, que se convierte en malato. Este ingresa en la matriz mitocondrialy se reoxida a oxalacetato. El H2 salido del malato se usa para reducirun NAD+ a NADH (el H sobrante pasa al medio), que como se sabe produ cetres ATP. El oxalacetato mitocondrial, dado que no puede atravesar lamembrana interna de la mitocondria, para pasar al citosol se transforma enaspartato, que s la atraviesa. En el citosol el aspartato se reconvierte en oxalacetato,lo cual cierra el ciclo.8-19. En presencia de 0 2, por cada molcula de glucosase generan 30 o 32 ATPPara efectuar el clculo de la energa ganada en unidades de ATP al cabode la oxidacin de una molcula de glucosa se debe sumar la energa producidaen el citosol a la gestada en la mitocondria.La gluclisis genera 4 molculas de ATP. Debido a que gasta 2, en estaetapa hay una ganancia neta de 2 ATP (fig. 8-6). Pero adems genera 2NADH, que por ser citoslicos producen 1,5 o 2,5 ATP cada uno, 3 o 5 en total.As, el aporte de la gluclisis es de 5 o 7 ATP, 2 generados en el citosol y3 o 5 en la mitocondria.Los dos piruvatos derivados de la gluclisis entran en la mitocondria, dondepor descarboxilacin oxidativa se convierten en dos acetilos. El procesogenera 2 NADH, uno por cada piruvato. Dado que por cada NADH la fosforilacinoxidativa produce 2,5 ATP, esta etapa rinde 5 ATP.En el ciclo de Krebs cada acetilo genera 1 ATP, 3 NADH y 1 PADH2, porlo que al cabo de las dos vueltas que se necesitan para metabolizar a los dosacetilos surgen 2 ATP, 6 NADH y 2 FADH2 Dado que por cada NADH lafosforilacin oxidativa genera 2,5 ATP, y por cada FADH2, 1,5 ATP, a los 2ATP surgidos de las dos vueltas del ciclo de Krebs deben sumrseles los 15ATP aportados por los 6 NADH ms los 3 ATP aportados por los 2 FADH2,lo que hace un total de 20 ATP.Sumados a los 5 o 7 ATP de la gluclisis y a los 5 ATP de la descarboxilacinoxidativa, la ganancia de energa por molcula de glucosa es de 30 o32 ATP.on1 prcsc esta produr in con los exiguos 2 ATP generados en el citosoly Sl ' l eud r~ uua idl'll dt la iutpnrlan: ia de la rnitocomh:l,cn la provis in det Jit"l f 1fll p n 111 t..l la1111 Ju iUntt ' 111 d, 111 Cl'{lnlas que 1.-'0JJStlll ll ' ll o X (} ~r nu , 94. 174 FUNDAMENTOS DE BTOLOGIA CELULAR Y MOLECULARRespecto de los cidos grasos, si bien en su degradacin no existen procesosequivalentes a la gluclisis y a la descarboxilacin oxidativa (fig. 8-5),aportan ms energa que la glucosa debido a los NADH y los FADH2 suplementariosproducidos durante la ~-ox idacin de sus cadenas.8-20. En las clulas musculares el piruvato puede convert irseen lactatoLas clulas musculares, cuando sobrepasan un determinado nivel de actividad,agotan el 0 2 atmosfrico que les llega mediante los glbulos rojos, situacinque es normal. Ante la falta de 0 2, el piruvato, en lugar de convertirseen el grupo acetilo de la acetil CoA, se transforma en lactato. Este procesometablico se conoce con el nombre de fermentacin tctica. Como esobvio, el ciclo de Krebs y la fosforilacin oxidativa se omiten.El lactato producido en las clulas musculares pasa a la sangre y llega alhgado. En los hepatocitos - va piruvato- el lactato se convierte en glucosa,que utilizar la clula muscular si contina demandando energa.8- 21. En las mitocondrias de las clulas de la grasa parda la energagenerada por las oxidaciones se disipa en forma de calor -Si la energa protonicomotora de los H situados en el espacio intermembranosono se rescatara para formar ATP, los H, al volver a la matriz mitocondrial,igual se uniran a los e- y al 0 2 para formar H20 , pero la energaprotonicomotora, al cabo de la reaccin, se convertira en energa trmica, esdecir, se disipara como calor. Esto es lo que ocurre en las clulas adiposas dela denominada grasa parda, cuyas mitocondrias son incapaces de transferirla energa protonicomotora al ATP. Es que en la membrana interna de estasmitocondrias existe un transportador de H llamado termogenina, el cual,debido a que no posee la porcin F1 -es decir, la funcin enzimtica de laATP sintasa-, permite el regreso de los H a la matriz mitocondrial sin quesu energa sea aprovechada para formar ATP. En consecuencia, la energaprotonicomotora, al reaccionar los H con los e- y el 0 2 atmosfrico durantela formacin de H20 , se disipa como calor.La grasa parda es un tejido que poseen los recin nacidos en la regin interescapular.Si el nio nace en un medio muy fro, los cidos grasos de lostriacilglicero les depositados en las clulas de la grasa parda se degradan y generancalor en lugar de ATP. Como vemos, la grasa parda puede ser vital enel momento del nacimiento, al permitir una rpida adaptacin de los recinnacidos a las bajas temperatu ras.8-22. Las mitocondrias desempean otras f uncionesRemocin de Ca2 del citosol. Normalmente esta funcin est a cargo delRE (cap. 7-26). No obstante, cuando la concentracin de Ca2 aumenta en elcitosol a niveles peligrosos para la clula, se pone en accin una Ca2 -ATPasalocalizada en la membrana interna de las mitocondrias, que al bombear elCa2 hacia la matriz mitocondriallo retira del citosol.Sntesis de aminocidos. A partir de determinadas molculas intermediariasdel ciclo de Krebs, en las mitocondrias de los hepatocitos tienen lugar algunospasos metablicos que llevan a la sntesis de varios aminocidos.Sntesis de ester oides. En algunas clulas de la corteza suprarrenal, de losovarios y de los testculos, la mitocondria participa en la sntesis de d iv rsossi roid s (l'nn in slcroidognica). P.n prim r 1 nnino, l-'1 colc.~tcml c ap1 :1cl11 fll ll' lns t't lul a s , ~: I I'H IISpcHIHdtl hndn ln ndltll'nlldrirt, dtllld t ~ lll ll l l 'll t i ttt l tlt~8. LAS MJTOCONDRIAS 17.calizada en la membrana mitocondrial interna loconvierte enpregnenolona. Esta sale de la mitocondriae ingresa en el RE (cap. 7-27), donde continasu metabolismo mediante diversas enzimas que actansecuencialmente. En el caso de la corteza suprarrenal,dan lugar a desoxicorticosterona, desoxicortisoly al andrgeno androstenodiona. Los dos primerosesteroides, luego de abandonar el RE, regresana la mitocondria, donde la 11 ~-h idroxi lasa conviertea la desoxicorticosterona en corticosterona yal desoxicortisol en cortisol. Estos glucocorticoidesson producidos en las clulas de la zona fasciculadade la corteza suprarrenal. Posteriormente, en el citoplasmade las clulas de la zona glomerulosa, por accinde la 18-hidroxilasa y la 18-hidroxiesteroideoxidasa, la cort.icosterona se convierte en el mineralocorticoidealdosterona. La mayor parte de los pasosmetablicos mencionados son oxidaciones, y ensu transcurso una familia de citocromos presentes enla mitocondria -los citocromos P450- actan comoreceptores de e-.ADNMuerte celular. En el captulo 22-4 se analiza la participacin de la mitocondriaen la muerte celular programada.REPRODUCCION DE LAS MITOCONDRIAS8-23. Las mitocondrias se reproducen para duplicar su nmero antesde cada divisin celular y para reemplazar a las que desaparecenEn las clulas que no se multiplican o que poseen interfases prolongadas,las mitocondrias envejecen y son degradadas por fagolisosomas (cap. 7-35);no obstante, su nmero se mantiene estable debido a que se forman otras mitocondrias.Adems, antes que las clulas se dividan, todos sus componentesse duplican, incluidas las mitocondrias. A continuacin describiremos el mecanismoque hace posible que las mitocondras se fabriquen en ambas situacionesde demanda.La reproduccin de las mitocondrias no se produce a consecuencia de unensamblaje espontneo de Jos componentes que las integran sino por la divisinde mitocondrias preexistentes, para lo cual previamente duplican su tamao.Este proceso se denomina fisin binaria. En la figura 8-16 pueden observarselas etapas de crecimiento y de di visin mitocondrial.La divisin de las mitocondrias tiene lugar durante todo el ciclo celular,tanto en la interfase como en la mitosis. Adems, no todas las mitocondriasse multiplican, y por ello algunas deben dividirse repetidas veces en el cursode un mismo ciclo para compensar la falta de divisin por parte de otras.8- 24. Los f osfolipidos de las membranas mitoeondriales son provistospor la membrana del RELa gnesis de nuevas mitocondrias requiere que se duplique el rea de sumembrana interna y su membrana externa, para lo cual deben sumarse nuevosf'osf'o lfpidos a s11s hi :qms lipfd i;as. Al igual que con las otras membranasdi' la d luln, l11s i'o::J .,I ipi.Jo. ;.o11 provislus por l:i'n,ll' lllhl':nla clvl 1~1. clonoll '/.1' fll' i/1!111 (1 '1 1( 1/1 1 > 1 llllFig. 8-16. Reproduccin d"las mitocondrias. 95. 176 FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULARFig. 8-17. Transferencia defosfolpidos desde la bicapalipdica del retculo endoplasmticoa la bicapa lipdica dela membrana mitocondrial extema.Membranadel retculoendoplasmtico(~ CITOSOL externa__~J1Protena intercambiadora"descargada'Para tomarlos del RE, la mitocondria recurre a protenas citoslicas llamadasintercambiadoras, que los sustraen de la membrana del retculo y losdescargan en la monocapa citoslica de la membrana mitocondrial externadel modo ilustrado en la figura 8-17. Una parte de los fosfolpidos pasa a lamonocapa opuesta gracias a movimientos de "fl ip-flop" (cap. 3-3). Finalmente,el traspaso de fosfolpidos de la membrana externa a la membrana internase produce a travs de puntos de contacto que se crean entre ambas membranaspara tal fin.Algunos glicerofosfolpidos que llegan a la membrana mitocondrial nternaexperimentan modificaciones. Por ejemplo, se unen de a dos y forman difosfatidilglicerol(seccin 8-1 1).8-25. Algunas protenas mitocondr iales se fab rican en la mat rizLa mayor parte de las protenas de la mitocondria provienen del citosol,en tanto unas pocas se producen en el territorio del propio organoide, quecuenta con los recursos para elaborarlas.Efectivamente, la mitocondria posee varias unidades idnticas de un ADNcircular, a partir del c ual se transcriben los genes de 13 ARNm (base para lasntesis de otras tantas protenas), de 22 tipos de ARNt y de 2 clases de ARNr(uno correspondiente a la subunidad mayor de los ribosomas mitocondrialesy otro a la subunidad menor). Todas estas molculas se encuentran en la matrizmtocondrial; las de los ADN circulares se hallan adosadas a la membranainterna del organoide (figs. 8-9 y 8-1 6).Con aminocidos llegados desde el citosol, en los ribosomas mitocondrialesse sintetizan las siguientes 13 protenas, la mayora pertenecientes a la cadenarespiratoria: siete subunidades del complejo NADH deshidrogenasa,una del complejo b-c1, tres del complejo citocromo oxidasa y dos subunidadesde la ATP sin tasa.8- 26. El ADN mitocondrial es d iferente del ADN nuclearEl ADN mitocondrial presenta las siguientes particularidades que lo diferenciandel ADN nuclear (fig. 8-18):1) Es circular y carece de histonas.2) Posee un solo origen de replicacin (cap. 17-3), en 1 cual una eh- las':tden:ts hijas COitticn:r.:t a sinteli :r.a rs(' :111IC:s ljtll' la olr:t 111 l ~: u , 11 Jllnlil ,,. , 1111111110 dilc ('lllt' Jl i'II IJ'lt'illlll 11111 i 11 /.l 'j' lllll lil ,8. LAS MITOCONDRIAS 1773) Es muy pequeo, pues posee 37 genes solamente. En casi todos los tiposcelulares la suma de los ADN tomados de todas las mitocondrias representano ms del .1% del ADN nuclear.4) Posee muy pocas y a la vez muy cortas secuencias no gnicas, es decir,que no se transcriben.5) Genera 22 tipos de ARNt, en lugar de los 31 que transcribe el ADN delncleo.6) Las dos clases de ARNr (12S y 1 6S) que codifica dan lugar a ribosomasque poseen un coeficiente de sedimentacin de 55S, inferior al de los ribosomasde los procariotas (70S) y del citosol (80S).7) En su cdigo gentico existen 4 codones cuyas instrucciones difierende las de sus pares del ADN nuclear (cap. 13-4). Se trata de los codonesAGA, AGG, AUA y UGA. En el ADN nuclear los dos primeros correspondenal aminocido arginina, mientras que en el ADN mitocondrial se comportancomo codones de terminacin. En el ADN nuclear el codn AUA determinaa la isoleucina, y en el ADN mitocondrial a la metionina. En el ADNnuclear el codn UGA es un codn de terminacin y en el ADN mitocondrialdetermina al triptfano.8) Se transcriben sus dos cadenas. Los genes de los 2 ARNr, de 14 ARNty de 12 ARNm se localizan en una de las cadenas del ADN mitocondrial,mientras que los genes restantes, correspondientes a 8 ARNt y a un ARNm,se localizan en la otra cadena.9) Las molculas de ARN que transcribe el ADN se procesan mientras sesintetizan. El procesamiento comprende la remocin de partes de los ARN.10) Como se seal, la mitocondria posee varias copias de un mismoADN y no dos como el ADN nuclear. Debe sealarse que las mitocondrias decualquier individuo son de origen materno, pues todas provienen del ovocito(cap. 19-19).8-27. La s ntesis de las protenas mtocondrales requiereuna adecuada coordinacinAunque la mitocondria posee ADN, ARNm, ARNt y ribosomas propios,las protenas que fabrica son muy pocas, 13 en total. Por consiguiente, lamayorparte de las que necesila para su reproduccin debe importarlas desde el" GiuAFig. 8-18. A. ADN circular dela mitocondria humana en elque se representan los 37 genespresentes en sus dos cadenas.Se sealan los genes delos 22 ARNt (rojo), de los 2ARNr (marrn) y de los 13ARNm. Estos ltimos correspondena dos subunidades dela ATP sintasa (naranja), asiete del complejo NADHdeshidrogenasa (verde), a unadel complejo b-e, (celeste) y atres del complejo citocromooxidasa (viole/a). Puede versetambin el rea donde se hallael origen de replicacin (grisado).B. ADN mitocondrialde una clula de rata observadocon la tcnica de extendidoy sombreado metlico. (Cortesade B. Stevens.) 96. 178 FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULARATP~ .ADPFig. 8-19. Ingreso de las protenasen la mi10condria a travsde translocones de lasmembranas mitocondrialesexterna e interna y accin delas chaperonas hsp70 de lamatriz mitocondrial.citosol. Ms an, debido a esa doble procedencia se requiereuna perfecta coordinacin entre las actividades de los genomasmitocondrial y nuclear a fin de que todos los componentesde la mitocondria sean producidos en las proporciones adecuadas.Las protenas importadas son sintetizadas en ribosomas citoslicoslibres (no asociados al RE). Entre las ms importantesse encuentran las enzimas del complejo piruvato deshidrogenasa,las responsables del ciclo de Krebs y de la P-oxidacinde los cidos grasos, muchas de las protenas que participan enla fosforilacin oxidativa, los canales inicos y las permeasasde la membrana mitocondrial interna, la ADN polimerasa, laARN polimerasa, las protenas de los ribosomas mitocondriales,etctera.8-28. La incorporacin de protenas a las membranasy a los compartimientos mit ocondriales esel resultado de un proceso complejoConforme surgen de los ribosomas, las protenas mitocondrialesproducidas en el citosol se asocian con chaperonas dela familia hsp70. Estas mantienen desplegadas a las protenashasta que aniban a la mitocondria, a cuyo cuerpo no podranincorporarse si llegaran plegadas (cap. 4-5).El pasaje de las protenas a travs de las membranas externae interna de la mitocondria es un proceso complejo. Cuandouna de ellas se pone en contacto con la membrana mitocondrialexterna, se desprende de las chaperonas hsp70 citoslicas,atraviesa ambas membranas y se asocia con chaperonas ligadasa la membrana mitocondrial interna. Estas chaperonas,que tambin pertenecen a la familia hsp70, atraen a la protenahacia el interior de la mitocondria por un mecanismo queconsume ATP, tal vez de la manera mostrada en la figura 8-J 9.Una vez en la matriz mitocondrial, la protena se pliega sin ayuda o con la asistencia de una chaperona de la familia hsp60(cap. 4-5).Las protenas se incorporan a la mitocondria a travs de lostranslocones denominados con las siglas TOM y TIM (portranslocase of the outer y of the inner mitochondrial membrane),presentes en las membranas mitocondriales externa e intema,respectivamente (cap. 7-12). Como muestran las figuras8-19 y 8-20, para que la protenas puedan ingresar es necesarioque ambos translocones estn juntos y sus luces alineadas, Jo que obligaa las membranas externa e interna a acercarse mutuamente.Todas las protenas importadas desde el citosol incluyen en su extremoamino un pptido seal que las conduce hasta la mitocondria y que es reconocidopor un receptor especfico asociado al translocn externo (caps. 4-4 y16-17) (tabla 4-1 y fig. 8-20). Si el paradero de la protena es la matriz mitocondrial,apenas atraviesa los translocones pierde el pptido seal y se liberaen su interior (el pptido seal es escindido por una proteasa de la matriz)(fig. 8-20). En cambio, las protenas destinadas a las membranas externa e internaposeen ~eale~ adicionales, distinta~ entr ~r. las n;tks n1 i 'llrn a amboslipos tk pro1d 11as c 11 la lllt' llti>rmta ttlt' N 11ut:letidos en el lado frontal de la burbuja, en tanto que los de la re'''l' " il odia s' vuelven a unir (fig. 14-2). Esto ltimo es posible porque all el11N w d sliga de los ribiHIUCI tidos. No obstante, el ARN -cada vez ms''"1'" ,.,1'11 .' 1111ido a ln< 'lllkllll "'"""' d ADN por medio d los Iilimos ri IIHHII ll1111dnN inr nrpnr ,..,Fig. 14-2. Sfntesis de ARN.Puede observarse la ARN polimerasa(en rojo) y una "burbuja"de ADN que se desplazadebido a que sus cadenasse van separando en un extremoa medida que se juntan enel otro. 132. 250 FUNDAMENTOS DE BfOLOGfA CELULAR Y MOLECULARLa transcripcin concluye cuando la ARN polimerasa alcanza la secuenciade terminacin en el extremo 3' del gen. En ese punto la enzima se libera.Tambin lo hace el ARN, que adquiere el nombre de transcripto primario.En el extremo 5', el primer nucletido del ARN retiene los tres fosfatos,mientras que en el extremo 3' el ltimo nucletdo presenta un grupo OH libre(fig. 14-1).En el captulo 17-11 se analizar cmo la enzima topoisomcrasa 1 desenrollaal ADN durante la transcripcin.14-4. La clu la posee t res cl ases de ARN po limerasasExisten tres tipos de ARN polimerasas -llamadas I, JI y III- , responsablesde la sntesis de las distintas clases de ARN. La ARN polimerasa 11 sintetizalos ARNm y la mayora de los ARNpn; la ARN polimerasa 1, el ARNr45S; la ARN polimerasa III, el ARNr SS, los ARNt, el ARNpc y unos pocosARNpn.Estas polimerasas responden de manera distinta a la accin de un venenoproducido por el hongo Amanita phalloides, denominado a-amanitina. As,la ARN polimerasa JI es muy sensible al veneno, la ARN polimerasa III esmedianamente sensible y la ARN polimerasa 1 es insensible.TRANSCRIPCION DE LOS GENES DE LOS ARN MENSAJ EROS14- 5. Los genes que codifi can a los ARNm son ' 11 .'1 11 1! 111 e 'I'SJI f l'"' , /, r/'(1 .' :nvencionales.Las RNPpn que reemplazan a las Ul, U2, U4 y U6 se denominan Ull,1112, U4atac y U6atac, respectivamente (el subndice "atac" hace referencia aI11H dinucletidos AT yAC en el ADN, que cmresponden a los dinucletidos1 IJ yAC en el ARN).Para que las RNPpn den lugar a los cortes y empalmes se necesita la preilt'llcia del cap en el extremo 5' del transcripto primario. En cambio, puesto, 111 estas reacciones pueden producirse sin que se haya completado la snteINdel transcripto, no exigen la poliadenilacin de su extremo 3'.lin algunos ARNm los cortes y empalmes se completan en segundos, enltt lllll que en otros tienen una duracin de ms de 20 minutos. Debe sealar!oldc-- forman un bucle que crece entre la ADN polimerasa ay l'i ngulo de la horquilla de replicacin.1 ~1 bucle se forma porque la ADN polimerasa a no puede desl11.:1rsc activamente sobre el ADN molde debido a que, como sevio, s halla en el ngulo de la horqui lla de replicacin unida a lai 1 lN polilllcrasa 8. Por consecuencia, le conesponde al ADNH>Id d s li ,.ars~.: n r lac i6n a lit enzima, lo cual genera un bucle>i< loll ,IIId l'l111 11 11'1111', lo 3', colocndose en el lado de la caden;3'~S ' del modo ilustrado en la figura 17- 12.A partir de ese momento la cadena 5' ~3' rene los requisitos que le permiten crecer: tiene su propio extremo 3' libre y una secuencia de nucletido~que le sirve de molde, la del ARN de la telomerasa. Puesto que a medida qutcrece provoca el corrimiento de la telomerasa, el proceso se reitera varias veces. Concluye cuando la cadena 5' ~3' recupera su longitud y el telmero St'libera de la telomerasa.Como se ve, la telomerasa es una ADN polimerasa que copia una secuencia de ARN, de modo que se comporta como una transcriptasa inversa (cap.17-24).Resta describir cmo la cadena 3' ~5 ' recupera su longitud. Es restauradapor la ADN polimerasa a, que utiliza como molde el ADN 5' ~3' recin sintetizadoy agrega los nucletidos complementarios a partir del extremo 3' delARN de un cebador previamente fabricado por la enzima ADN primasa. Finalmente, el cebador es removido y la enzima ADN ligasa une el antiguo extremo5' de la cadena con el extremo 3' del segmento recin formado.Dado que no existe un balance exacto entre las prdidas telomricas y susrecuperaciones peridicas, la longitud de los telmeros vara en los distintoscromosomas.Se sospecha que los telmeros no son estructuras diseadas nicamentepara evitar el acortamiento progresivo de los ex.tremos de los cromosomas.En estudios sobre envej ecimiento celular se ha comprobado que en medtosde cultivo las clulas provenientes de embriones y de individuos jvenes sedividen ms veces que las clulas provenientes de individuos de mayoredad, las cuales, adems, mueren mucho antes. Este fenmeno celular seconocecon el nombre de senescencia replicativa. Muchos investigadorescreen que las clulas jvenes cultivadas viven ms porque sus telmeros recuperanel ADN perdido a una velocidad mayor que los telmeros de las clulasenvejecidas, lo cual estara relacionado con la reduccin progresiva dela sntesis de la telomerasa que tiene lugar en las clulas a medida que se suFir~.17-1 :. Separacin de las dos c:uhnas ,Annu. Rev. Biochem. 57:29.Seeberg E., Lars E. and Bjors M. (1995) The base excisionrepair pathway. TIBS 20:391.S harma A. and Mondragon A. ( 1 995) DNA topoisomerases,Curr. Opio. Struc. Biol. 5:39.Sharp P.A. ( 1983) Conversion of RNA to DNA in mammals:Alu-like elements and pseudogenes. Nature 301:471.Shinohara A. and Ogawa T. (1995) Homologous recombination and the roles of doub1e-strand breaks. TIBS 20:387.Stillman B. (1996) Cell cycle control of DNA replicatiou.Science 274:1659.Wang J.C. (1991) DNA topoisornerases: why so many? J.Biol. Chem. 266:533.Wevrick R. and Buchwald M. (1993) Mammalian DNArepair genes. Curr. Opio. Genet. Dev. 3:470.La mitosisControl del ciclo celularMITOSIS18-1. Un individuo adulto est formado por unas 10 13 c lulasLa capacidad de reproducirse es una propiedad fundamental de la clula.Se puede tener una idea de la magnitud de la reproduccin celular si se conoideraque un individuo adulto est formado por billones de clulas (10 13), to~das derivadas de una sola, el cigoto. La multiplicacin celular sigue siendonotable aun en un ser adulto que ha dejado de crecer. Un ejemplo llamativolo dan los eritrocitos, cuya vida media es de slo 120 das. As, el organismodebe producir unos 2,5 millones de eritrocitos por segundo para mantener sunmero relativamente constante. Esa reproduccin celular debe ser reguladade manera perfecta para que la formacin de nuevas clulas compense lasprdidas y se mantenga el equilibrio.18-2. En el ci clo celular se interca lan perodos de interfasecon divisiones celu laresComo adelantramos en el captulo 17-11, las clulas pasan por un cicloque comprende dos perodos fundamentales: la interfase y la divisin celular.Esta ltima tiene lugar por mitosis o por meiosis. A causa de los profundoscambios que el microscopio ptico permita observar, el perodo de divisinconstituy durante muchos aos el punto de inters primordial para los citlogos,ya que la interfase fue considerada como una etapa de "reposo", a pesarde ser el perodo en el que ocurren las funciones ms importantes del ciclocelular, tanto en el ncleo como en el citoplasma. La mayora de las clulaspasan la parte ms extensa de su vida en interfase, durante la cual -sise van a dividir- se duplican todos sus componentes. Debe sealarse que algunostipos celulares diferenciados se dividen rara vez, y que las clulas nerviosas,despus del nacimiento, no se dividen en absoluto; as, en las neuronasel perodo de intetfase dura toda la vida del individuo.El ciclo celular puede ser considerado como una compleja serie de fenmenosque culminan cuando el material celular duplicado se distribuye en las~.: l u las hijas. La divisin celular es slo la fase final y microscpicamente visiblede cambios previos a nivel molecular. As, antes que la clula se dividapor mitosis, sus ptincipales componentes ya se han duplicado. En este aspectola divisin celular representa la separacin final de las unidades molecularc~y estructurales previamente duplicadas.1 0- 3, La interfase compwnde los perodos G 1, S y G21 :1 ttNo d ' m t odos itnqn fnli l:oN hri nd(l los prim ros indicios do qu la dupllt 'll