BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR Blga. Olga Libia Cjuno Huanca

Universidad Andina del Cusco

Facultad de Ciencias de la Salud

CARRERA PROFESIONAL DE MEDICINA HUMANA

NUCLEO • Fue descubierto por Robert Brown en 1880, es

el centro vital de la célula, contiene el material genético en forma de una molécula ADN, en el se produce la replicación del ADN y su transcripción a ARN mensajero, ARN ribosómico y ARN transferente.

• Núcleo Interfásico. • Tamaño 5-15 μm aprox. • existe para c/tipo celular una

relación entre el volumen del núcleo y el del citoplasma = Indice nucleoplasmático (NP)

Vn Vn: volumen nuclear

NP = ------- Vc: volumen celular

Vc - Vn

• Número: varia (0-1-2-varios).

• Forma: variable

• Ubicación:

Periférica:

Central

Polar

FUNCIONES DEL NUCLEO:

Estructura al microscopio optico

Membrana nuclear

nucleolos

cromatina

Jugo nuclear

Carioteca

Carioplasma

Lamina nuclear

ESTRUCTURA

ESTRUCTURA MEMBRANA NUCLEAR O CARIOTECA (ENVOLTURA NUCLEAR):

15-75nm 7.5nm

10

5n

m

7.5nm

100nm diam.

3. Complejo de poro nuclear: • Discoidal compleja entre 3,000-4,000 poros/nucleo • X +100 proteínas diferentes. 3000-4000. • Diámetro de 100nm , • Orificio de 9nm de diámetro y 15nm de largo.

Octogonal Anillo Intermedio

8 rayos 9nm de diam.

Anillo interno

Anillo distal

ESTRUCTURA QUIMICA DEL COMPLEJO:

- Proteína radial - Proteínas de anclaje - Anillo externo e interno - Filamentos proteícos

citosol

nucleoplasma

FUNCION DEL COMPLEJO PORO

• El pasaje de iones y moléculas pequeñas (5000Da a -) difunden rápido. Una proteína globular mayor a 6000Da, parece que es completamente incapaz de entrar en el núcleo.

• Las macromoléculas para atravezar primero inducen su dilatación (ha. 22nm), requiere (ATP).

• Transporte x poros: requiere de proteínas y señal de localización nuclear (NSL = péptido)

MECANISMO DE LAS IMPORTINAS

• El ARNm es una molécula sinteizada en el nucleo y sale al citoplasma. Esto ocuree solo cuando culmina el proceso de maduración del ARNm (CAP-poliA). El extremo poli A es reconocido por ribonucleoproteínas. Estas se desplazan a traves de la canasta nuclear, transporta tanto la proteína hacia el citoplasma. Una vez en el citoplasma, las ribonucleoproteínas son reeemplazadas por proteínas CRBP (Proteínas de unión al ARN citoplasmáticas) que evitan que vuelva al núcleo.

Transporte por el poro nuclear Transporte por otras membranas

Por un poro acuoso regulado Por un transportador proteíco

Las proteínas mantienen su plegamiento durante el trasporte

Las proteínas deben desplegarse durante el transporte

NUCLEOPLASMA

O Carioplasma: Es el medio interno del núcleo donde se encuentran el resto de los componentes nucleares: • Nucleolo • Cromatina: ADN + Proteínas basicas + Proteínas acidas • Cariolinfa o matriz, semiliquida, incolora, viscosa con contenido de:

– Nucleotidos trifosfatoados ATP, GTP, CTP, TTP, UTP para la síntesis de ARN y ADN

– Proteínas: nucleoplasmina, proteína N1, enzimas, ácidos residuales.

NUCLEOLO

Son masas densas refringentes y esféricas descritas por Felice Fontana en 1871.

Estructura del Nucleolo: • Redondeadas, relativamente grandes

• El número varía/tipo celular 1-2-+

• Son basófilos o acidófilos.

• En células frescas son refringentes.

Origen:

El nucleolo se organiza de la región organizadora nucleolar (NOR) es el sitio cromosómico donde se localizan los genes ribosómicos que codifican ARNr (cromosomas acrocéntricos 13,14,15,21 y 22 en humanos).

Composición química: • ARN de 45s que generan ARNs 18s, 5.8s y 28s

y ADN

• Proteínas 80-90%

Zona granular

Ultraestructura del nucleolo • Formados por dos zonas: • Area de material claro o centros fibrilares claros

(ADN no trasncriptible) • Retículo fibrilar denso u oscuro = nucleolonema.

Presenta un componente granular (ARNr en formación).

Ciclo nucleolar durante el ciclo celular

:

Silencio genico

Metafase Anafase Telofase

Interfase Profase

• SESIONES DE CLASE NO PRESENCIALES

- Expliquese el mecanismos de importación y exportación a través de los poros nucleares.

- Explique el ciclo nucleolar, y el comportamiento del nucléolo durante su ciclo.

Funciones del nucléolo

Está relacionado con la síntesis de proteínas Biosíntesis de ARNr 45s que da origen a ARNr 18s, 28s y 5.8s Ensamblaje de las subunidades ribosómicas mayor y menor

mediante el ARNr más proteínas citoplasmáticas. Regulación de la citocinesis. Inactivación de KDC (kinasas dependientes de ciclinas) por

secuestro de Ciclinas. Ensamblaje de ribonucleoproteínas. Exportación nuclear. Interviene en el envejecimiento celular por la inestabilidad de l

ADN de los organizadores nucleolares. El nucléolo además, interviene en la maduración y el transporte

del ARN hasta su destino final en la célula.

CROMATINA

Término acuñado por Fleming, 1879. a material basófiol del núcleo. ESTRUCTURA: Al M.O.

COMPOSICION QUIMICA

Develada en 1949, por Feulgen x Reacción de Feulgen ADN. Cromatina: Complejo Molecular = desoxiribonucleoporteína, constituído por: ADN : 30% ARN : 5% Proteínas histónicas y no histónicas: 65%

ADN:HISTONA:NO HISTONA:ARN = 1:1:0.5-1.5:0.05 ADN, material genético fibrilar que tiene como unidad constituyente a los nucleosomas que le da el aspecto de las cuentas de un collar.

Proteínas básicas: ricas en lisina y arginina con afinidad al ADN. Ej.Histonas nucleosómicas (H1, H2A, H2B, H3, H4), proteínas desestabilizadoras de la hélice, etc. Proteínas no histónicas o ácidas: ricas en aminoácidos (-) que pueden ser Acidicas, residuales o cun función enzimática (para la duplicación y transcripción Ej. ADNpolimerasas, ADNligasas, ADN primasas, etc.)

HISTONAS PESO MOLECULAR

AMINOACIDOS

VARIAC EN LAS ESPECIES

N° DE MOLEC/200 PB DE ADN

H1 20.000 Ricas en

lisina Amplia 1

H2A 13.700 Relat. Ricas

en lisina Relativamente conservadas

2

H2B 13.700 2

H3 15.700 Ricas en arginina

Muy conservadas

2

H4 11.200 2

NIVEL DE ORGANIZACIÓN DE LA CROMATINA

Solenoide

Asas o bucles de 200nm

Cromosoma de 700nm

ULTRAESTRUCTURA DE LA CROMATINA

Nucleosoma: o cuerpos UN o médula y ligador. De 10-11nm de diámetro. Médula: octámero de proteínas: H2A, H2B, H3, H4 + 1 ¾ vuelta de ADN (147pb) Ligador: ADN(30-60pb) de 10-20nm + La H1 que forma el segmento espaciador.

1. Corresponde a la molécula de ADN (fibra de DNA) 2. ADN unido a proteínas globulares (histonas), formando una estructura denominada "collar de perlas", formado por la repetición de unas unidades que son los nucleosomas, que corresponderían a cada perla del collar. (fibra nucleosomica) 3. se pasa a una estructura de orden superior formando un "solenoide” (fibra de 30nm)

4. se consigue aumentar el empaquetamiento, formando la fibra de cromatina, nuevos "bucles".

5. llegamos al grado de mayor espiralización y compactación, formando un denso paquete de cromatina, que es en realidad, un cromosoma.

1

2

3

4

5

Compactación de la cromatina

• Estructuralmente, cada cromátida está constituida por un esqueleto proteico, situado en el interior, alrededor del cual se dispone enrollado el ADN y las proteínas que forman el cromosoma.

Microfotografía electrónica de armazón no histónico

Las PNH forman un grupo heterogéneo

que incluyen proteínas básicas que no

son histonas, proteínas ácidas y enzimas.

Estas últimas relacionadas con la

replicación y la transcripción del ADN

(ADN polimerasa ARN polimerasa, etc.).

Las PNH tienen una función enzimática,

reguladora y estructural

CROMATINA EN EL NUCLEO EUCARIOTE

TIPOS DE CROMATINA

En función del grado de condensación se distinguen:

Eucromatina, corresponde al conjunto de zonas donde la cromatina está poco condensada. Generalmente, estas zonas transcriben su información genética.

Heterocromatina, es una forma inactiva condensada localizada sobre todo en la periferia del núcleo, que se tiñe fuertemente con las coloraciones. La heterocromatina puede ser de dos tipos diferentes: la constitutiva, idéntica para todas las células del organismo y que carece de información genética DNA

altamente repetitivo en pares de bases AT, y la facultativa, diferente en los distintos

tipos celulares y que contiene información sobre todos aquellos genes que no se expresan Ejm. uno de los cromosomas X inactivados en las hembras de los

mamíferos.

FUNCIONES DE LA CROMATINA:

1. Empaqueta el ADN en un pequeño volumen dentro de la célula.

2. Fortalece al ADN en la mitosis y meiosis.

3. Sirve como mecanismo de control de la expresión génica.

CROMOSOMAS • Del griego ”cuerpo que se tiñe";

cromatina "sustancia que se tiñe". • En el momento de iniciarse la

división, el cromosoma está formado por dos cromátidas.

• Ambas unidas por la constricción primaria o centrómero, ->cuatro brazos.

• El centrómero por el cinetocoro(proteico) engarza las fibras (microtúbulos) del huso acromático (tanto en la mitosis como en la meiosis) y permite la separación de los cromosomas homólogos o las cromátidas en estos procesos de división.

• Las cromátidas:.

• El centrómero: divide a las cromátidas en dos BRAZOS. región que se fija al huso acromático en la mitosis y meiosis. compuesto de

proteínas de unión a los

microtúbulos y puede poseer

gran cantidad de ADN

repetitivo asociado a

cinetocoro.

• Brazos: cromátida comprendidas entre el centrómero y el extremo del cromosoma.

Cromosoma eucariótico

Brazos p

Brazos q

Constricción secundaria: ubicado en el brazo q. (no presente en todos los cromosomas) Telómero: región más extrema del cromosoma. dan estabilidad, el ordenamiento de los cromosomas y la relación con la membrana y arquitectura nuclear, en el apareamiento cromosómico y el envejecimiento celular. El organizador nucleolar: En algunos cromosomas se encuentra la región del organizador nucleolar (NOR). El satélite (SAT): Segmento entre el organizador nucleolar y el telómero

Cromosomas con satélite

CROMOSOMA

Procarionte

Eucariontes.

FUNCIONES DE LOS CROMOSOMAS

Almacena Replica Transmite

• Cromatina y cromosomas son un conjunto complejo de ADN, ARN y proteínas: Histónicas (PH)y no histónicas (PNH).

• El contenido de ARN y PNH varía en las diferentes células.

• ADN y PH se encuentran siempre en una relación 1:1 de peso con el ADN.

ADN:HISTONA:NO HISTONA:ARN= 1:1:0.5-1.5:0.05

COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS CROMOSOMAS:

Tamaño y forma • Inmersos en el nucleoplasma. Se forman por

condensación de las fibras de cromatina. • El tamaño: variable, su longitud oscila entre 0,2 – 30

u (humanos: 1,5-5u de longitud) y de ancho varía entre 0,2 - 2u.

1,5% de todo el genoma humano.

LA ORGANIZACIÓN DE LOS GENES EN UN CROMOSOMA HUMANO.

Numero - característica • En células somáticas de especies eucarióticas es variable.

• Aparecen por pares de homólogos (uno paterno y otro materno).

• Los homólogos tienen información para los mismos tipos de genes. (no poseen idéntica pbn) p.e. la información que determina el color azul de ojos mientras que en el homólogo puede existir información para el color marrón.

• Los dos cromatidos hermanos de un mismo cromosoma poseen exactamente la misma información genética (= secuencia pbn).

• En muchos organismos, un par homólogos es distinto al resto, definiendo el sexo del individuo. (cromosomas sexuales o heterocromosomas ó gonosomas)

• En el Sistema XY: para el ser humano y animales. • Hembras, XX, c/gametos = 2 cromosoma X, sexo

homogamético. • Machos, XY, 2 gametos desiguales, uno cromosoma X y otro

Y. En la fecundación, al unirse los gametos, una probabilidad de 50% en combinación XX (hembra) o XY (macho).

Especie Número Cromosómico

Especie Número Cromosómico

Hombre 46 (23 pares) Maíz 20 (10 pares)

Bovinos 60 (30 pares) Tabaco 48 (24 pares)

Oveja 54 (27 pares) Tomate 24 (12 pares)

El conjunto de cromosomas representados una sola vez en la célula se

denomina GENOMA O GENOMIO.

Una célula o individuo que posee dos genomas se denomina DIPLOIDE

Tres o más genomas: POLIPLOIDES

NUMEROS CROMOSOMICOS

Ejemplos

CLASIFICACION DE ACUERDO AL NUMERO DE CROMOSOMAS POR CÉLULA

• DIPLOIDES (2n) Dos juegos de cromosomas, con un juego de cromosomas materno y otro paterno

• HAPLOIDES (n) un solo juego de

cromosomas,

• El Número de cromosomas es constante en divisiones celulares sucesivas (mitosis).

• En meiosis, las divisiones dan la mitad de cromosomas (gametos)

• Si hay errores en estos procesos, se producen aberraciones.

• Las fallas constituyen causas importantes de pérdidas reproductivas y problemas que incluyen el cáncer

TIPOS DE CROMOSOMAS

meta y submetacéntricos submetacéntrico

submetacéntricos

Acrocéntricos (NOR) submetacéntricos

metacéntricos

Acrocéntricos (NOR)

acrocentrico submetacentrico

Bandeo cromosomico

CLASES NO PRESENCIALES

• En que consiste determinar el cariotipo.

• Describa el cariotipo humano

• En que consisten las técnicas de bandeo y su aplicación en la genética médica

CICLO CELULAR

Fases:

Interfase: • Fase G1 (6-12 horas, a veces días a años)

• Fase S (6-8 horas)

• Fase G2 (3-4 horas)

Mitosis / Citocinesis: • Profase

• Metafase

• Anafase

• Telofase

Elementos: • Ciclinas

• Kinasas dependientes de ciclinas (CDKs)

• Inhibidores de Kinasas dependientes de Ciclinas

Ciclinas: cofactores, vm corta, llaves de control del ciclo, universales en las celulas eucariotas

• Grupo G1: D1, D2, D3 y E (en G1 y paso G1-S)

• Grupo A: (en S y paso G2-M)

• Grupo B: B1 y B2 (entrar y salir de M)

• Grupos C, F, G, H (?)

Kinasas dependientes de las Ciclinas: Se han identificado 8: CDK1 a CDK8 • CDK1 (CDC2): se puede asociar a ciclina A o B • CDK2: se asocia a ciclina D y A • CDK4 y CDK6: se asocia a D1, D2 y D3 ( los complejos fosforilan Rb)

Inhibidores de Kinasas dependientes de ciclinas. • Poco selectivas: p21, p27, p57

• Especificas de ciclinas D-CDK4/6: p15, p16, p18, p19

CICLO CELULAR

Inicio: • Las células entran en ciclo celular en respuesta a

una cascada de señales que inducen proliferación y se frena en respuesta a una cascada de factores inhibidores.

• Las señales se reciben en receptores de Membrana y se trasmiten al núcleo.

• Mensajeros: Mensajeros paracrinos: FGF, PDGF, EGF Mensajeros endocrinos: Somatomedina, Eritropoyetina Anclaje a la matriz extracelular

GENES QUE REGULAN EL CICLO CELULAR:

• POSITIVAMENTE: Protooncogenes • Ciclinas

• Kinasas dependientes de ciclinas

• NEGATIVAMENTE: Genes supresores • Gen Rb (Retinoblastoma)

• Gen p53 p15, p16, p18, p19, p21, p27, p57

PROTOONCOGENES EN LA TRANSDUCCION DE LA SEÑAL MITOGENICA: PROTOONCOGENES: regulan positivamente el ciclo celular • Codifican Factores de crecimiento • Codifican receptores Tirosin-Kinasa • Codifican receptores sin actividad Tirosin-Kinasa (Serin/treonin Kinasas) • Codifican proteinas que transducen la señal mitogénica • Codifican proteinas implicadas en la transcripcion genica. Genes implicados en la adhesión celular: regulan positivamente el ciclo

– Uniones intercelulares • Uniones estrechas • Uniones adherentes • Desmosomas • Gap-juntions

– Uniones célula-matriz • Hemidesmosomas • Uniones focales

Genes supresores: • Son reguladores negativos del ciclo celular • Son responsables de los síndromes tumorales humanos. • Son recesivos (se necesita la mutación de los dos alelos) • Paran el ciclo en determinados puntos (puntos de control) • Algunos componentes ponen en marcha mecanismos de reparación:

P53 (Proteina inhibidora del ciclo): produce p21 y p16 que bloquean cdc2 (p53 integra señales que indican daño en G1 y G2)

Rb (retinoblastoma): tienen 400 veces mas riesgo de tumores mesenquimales NF1: Neurofibromatosis VHL: von Hippel-Lindau APC: poliposis adenomatosa familiar

Genes reparadores: • Sindromes con deficit de reparación:

– Sindrome de Bloom: Helicasa – Xeroderma pigmentosum: Factores de transcripción (varios) y Nucleasas (varias) Hipersensibilidad a

la luz UV. – Ataxia telangiectasia: Gen ATM (reconoce cromosomas rotos y detiene el ciclo para permitir la

reparación). Hipersensibilidad a la luz UV. – Sindrome HNPCC-Lynch: Gen altamente conservado en la evolución (desde E. Coli a humanos) – Sindrome Cockayne: hipersensibilidad a la luz y productos quimicos – Aplasia de Fanconi – BRCA1(17q21) – BRCA2 (cromosoma 13)

PUNTOS CRITICOS DE CONTROL: Gen Rb (retinoblastoma) y p53

• Paso de G0-G1

• Fase G1 (Punto R): • Gen Rb

• Paso G1-S (antes de duplicar el DNA): • Gen Rb

• Gen P53 p21, p27, p57, p15,

p16, p18, p19

• Paso G2-M (antes de empezar la mitosis)

• Paso de metafase a anafase

• Paso de anafase a telofase

Control del ciclo celular

Unos determinados genes activan el suicidio, entonces las células se encogen y se separan de sus vecinas y acaban rompiéndose en pequeños fragmentos que serán engullidos por células vecinas.

Reloj biológico

Apoptosis Apoptosis Apoptosis

DIVISION CELULAR CELULAR En organismos unicelulares supone un mecanismo de reproducción. En organismos pluricelulares es un mecanismo para: - Crecimiento del individuo - Reponer células envejecidas o deterioradas. - Reparar heridas - Forma de producción de células reproductoras, gametos y esporas.

Mitosis

División del núcleo y del citoplasma.

Se divide en:

Profase

Metafase

Anafase

Telofase

Citocinesis

MITOSIS

Función e importancia de la mitosis

• Desarrollo: mediante las sucesivas divisiones celulares se originan las millones de células que forman parte de un individuo.

• Crecimiento: permite un aumento en el numero de células

en los organismos. • Reparación y renovación de tejidos: permite reestablecer

las células perdidas por algunos daños.

• Asegura que las células hijas tengan igual información genética y el mismo número de cromosomas que la célula madre.

MEIOSIS • Dos divisiones sucesivas con una única

duplicación del material genético. – Primera división meiótica o división reduccional,

se separan los cromosomas homólogos. La células resultantes ya son haploides

– Segunda división meiótica. Se separan las cromátidas hermanas entre las células hijas.

– Se obtienen cuatro células hijas con la mitad de cromosomas que la célula madre.

Primera división meiótica

Profase I. Etapa muy larga en la que se produce el sobrecruzamiento o entrecruzamiento, intercambio de fragmentos entre las cromátidas no hermanas de los cromosomas homólogos.

Se divide en varias fases: Leptoteno, Zigoteno, Paquiteno, Diploteno, Diacinesis

Leptoteno

Los cromosomas se hacen visibles. Cada cromosoma posee ya las dos

cromátidas (aunque éstas no sean visibles, ya que permanecerán estrechamente unidas hasta el final de la profase I).

Zigoteno

Los cromosomas homólogos se aparean entre sí, fenómeno conocido

con el nombre de sinapsis. Cada pareja de cromosomas se llama bivalente (2 cromosomas) o tétrada (4 cromátidas).

Paquiteno

Sobrecruzamiento

Diploteno

Los cromosomas homólogos comienzan a separarse, aunque permanecen unidos por los puntos donde ha tenido lugar el sobrecruzamiento, denominados quiasmas.

Diacinesis Los cromosomas se condensan al máximo, se aprecian las cuatro cromátidas

(tétradas). Se aprecian los quiasmas existentes entre cromátidas no hermanas. Al final de la diacinesis comienzan a desaparecer la envoltura nuclear y el nucleólo, al mismo tiempo se forma el huso acromático y empiezan a formarse los microtúbulos cinetocóricos.

La meiosis

INTERFASE (duplicación del ADN)

1. PROFASE I (Condensación de los cromosomas)

2. METAFASE I (Los cromosomas se disponen en parejas)

3. ANAFASE I (Separación

de los cromosomas)

4. TELOFASE I y CITOCINESIS

5. PROFASE II (se

vuelve a formar el huso)

Células hijas

6. ANAFASE II (Separación de cromátidas)

7. TELOFASE y CITOCINESIS

MEIOSIS I (separación de cromosomas homólogos)

MEIOSIS II (separación de cromátidas hermanas)

MEIOSIS I (separación de cromosomas homólogos)

INTERCINESIS

Comparación entre mitosis y meiosis MITOSIS MEIOSIS

Nº de divisiones 1 2

Nº de Células 2 4

Dotación genética de las células resultantes

Diploide 2n Haploide n

Células en las que ocurre

Células somáticas Células germinales

Anafase En Anafase se

separan cromátidas En la Anafase I se

separan cromosomas

Recombinación No Si

Cromosomas Idénticos a los de las

célula madre

Mezcla de cromosomas

maternos y paternos

– La meiosis es de gran importancia para los organismos con reproducción sexual dado que

es fuente de variabilidad en las especies.

– La variabilidad genética ocurre por:

• Mutación (independiente de la Meiosis).

• Mezcla de cromosomas de individuos distintos.

• Reparto al azar de cromosomas maternos y paternos al formar los gametos.

• Mezcla al azar de información genética materna y paterna.

Importancia de la meiosis

GAMETOGENESIS

ESPERMATOGENESIS

OVOGENESIS

• Sesiones de clase no presenciales: 1. Determine las diferencias entre mitosis y

meiosis. 2. Indicar la importancia de cada una de estas

divisiones en los seres vivos. 3. Determinar las diferencias entre ovogénesis y

espermatogénesis. 4. Cuando se restablece el número diploide en

humanos?