1 BIOLOGIA CELULAR UNIDAD III Instituto Tecnológico de Zacatepec. Morelos México Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica. Profesor QBP. Abel Flores Moreno.

2 BIOLOGIA CELULAR 3.1 Estructura y función del núcleo celular El núcleo de las células fue descubierto por Robert Brown en 1835. Desde ese entonces ha sido motivo de múltiples estudios, principalmente des de el punto de vista morfológico y mas recientemente en el aspecto bioquímico y fisiológico.

3 BIOLOGIA CELULAR El núcleo es una estructura que contiene el material químico fundamental (ADN) que lleva la información genética. Actualmente ocupa el lugar mas importante en el estudio de la bioquímica y biología molecular. Precisamente es en los cromosomas donde residen las unidades genéticas.

4 BIOLOGIA CELULAR UNIDAD III Con el fin de estudiar las funciones del núcleo se hará necesario analizarlo mediante un criterio: 1.-Morfológico 2.-Fisiológico

5 BIOLOGIA CELULAR UNIDAD III Al observar el núcleo celular en la interfase es cuando se pueden apreciar los siguientes elementos: 1.- Membrana nuclear. 2.-Nucleoplasma 3.-Nucleolo 4.-Cromosomas (formado por estructuras nucleoproteicas)

6 ESTRUCTURA DEL NÚCLEO El núcleo está rodeado por la envoltura nuclear, una doble membrana interrumpida por numerosos poros nucleares. La envoltura nuclear es sostenida desde el exterior por una red de filamentos intermedios dependientes del citoesqueleto, mientras que la lámina nuclear, la cual se localiza adyacente a la superficie interna de la envoltura nuclear, provee soporte interno. El núcleo también tiene un nucleoplasma, en el cual están disueltos sus solutos y un esqueleto filamentoso, la matriz nuclear la cual provee soporte a los cromosomas y a los grandes complejos proteicos que intervienen en la replicación y transcripción del ADN.

7 FUNCIONES DEL NUCLEO 1.-Almacenar la información genética en el ADN. 2.-Expresión de la información genética. Trascripción del DNA, maduración del hnRNA, procesamiento de tRNA, rRNA. 3.-Ensamblaje de ribosomas 4.- Replicación del cromosoma a) a nivel de DNA fase S del ciclo celular. b) a nivel de proteínas (síntesis citoplasmática, ensamblaje nuclear) c) a nivel de patrón de expresión.

8 LA MEMBRANA NUCLEAR Y SU DINAMICA Puede observarse al microscopio electrónico una membrana de estructura doble, separada de si misma por un espacio de 30 nm que se interrumpe en ciertos puntos conocidos como poros.

9 En algunas ocasiones se ha llegado a observar otra membrana fina que cubriendo los poros permite la separación del contenido nuclear del resto de la célula. Parece que hay una relación entre la membrana nuclear y ciertos elementos del retículo endoplasmatico.

10 EL PORO NUCLEAR Y SUS MECANISMOS DE TRANSPORTE Los poros nucleares tienen un diámetro cercano a los 100 nm se observan de 3000 a 4000 de ellos en el núcleo de la célula. No son simples orificios que perforan la cubierta, si no complejas cadenas formadas por 150 a 200 polipéptidos los cuales constituyen una estructura muy elaborada con forma de rueda de carreta, por lo tanto se habla de complejos de poro.

11 Los complejos de poro están formados por cerca de 100 polipetidos llamados nucleoporinas. Los CPN presentan uno o varios canales acuosos a través de los cuales las pequeñas moléculas solubles en agua se difunden (transporte no regulado). Las moléculas de mayor peso molecular son transportadas en forma activa, por lo que requieren energía y moléculas transportadoras.

12 Los mecanismos implicados en el transporte a través del poro son diferentes al transporte de proteínas en las membranas de otros organelos. Por ejemplo, las proteínas nucleares son transportadas a través del poro manteniendo su conformación plegada, por el contrario las proteínas que no se localizarán en el núcleo se despliegan durante el transporte.

13 Los complejos de poro nuclear hacen de la envoltura nuclear una barrera selectiva entre el núcleo y el citoplasma. Estos complejos constituyen la principal vía de comunicación entre el compartimiento nuclear y citoplasmático de la célula ante el pesado tráfico molecular. Aun cuando las proteínas pequeñas y otras moléculas viajan a través de los canales periféricos, las proteínas de gran tamaño deben poseer una etiqueta para ingresar por el canal central. Estas proteínas sintetizadas en el citoplasma contienen la señal de localización nuclear (nuclear signal localization, NSL).

14 La entrada y salida de grandes moléculas del núcleo está estrictamente controlada por los complejos de poro nucleares. Aunque las pequeñas moléculas pueden entrar en el núcleo sin regulación, las macromoléculas como el ARN y las proteínas requieren asociarse a carioferinas llamadas importinas para entrar en el núcleo, y exportinas para salir. Las proteínas cargadas que deben ser translocadas desde el citoplasma al núcleo contienen cortas secuencias de aminoácidos conocidas como señales de localización nuclear que están unidas a las importinas, mientras que las transportadas desde el núcleo al citoplasma poseen señales de exportación nuclear unidas a las exportinas De hecho se ha demostrado que se produce un transporte activo que da lugar a la deformación de las partículas o de la estructura de los poros.

15 MATRIZ NUCLEAR Es una red fibrilar que se extiende por todo el núcleo desde la lámina nuclear hasta contactar con los cromosomas. Contribuye a mantener y dar forma al núcleo.

16 FUNCIONES DE LA MATRIZ NUCLEAR A) Estructural: organización de la cromatina y de los otros elementos estructurales por ejemplo el nucleolo y la unión de los filamentos intermedios citosolicos. B) Funcional: lugar de anclaje de los complejos de replicación, trascripción y de replicación viral.

17 ESTRUCTURA Y COMPOSICION DE LA MATRIZ NUCLEAR Depende de RNAsa Por microscopia electrónica se han descubierto tres componentes: 1.-Lamina nuclear 2.-Complejos de poro 3.-Red entera de fibras y residuos del nucleolo.

18 LA CROMATINA Es una masa densa de material fibroso que se acumula cerca de la superficie interna de la envoltura nuclear Esta formada por ARN, ADN y proteínas básicas llamadas histonas

19 COMPONENTES QUIMICOS DE LA CROMATINA Y TIPOS DE DNA SEGÚN SU GRADO DE REPETICION La cromatina esta compuesta por: a) DNA en un 35% y puede ser de: 1) una hebra/ cromosoma (G0-G1) 2) dos hebras/cromosoma (G2-M) b) Proteínas en un 60% 1) Histonas: *Nucleosomales(H2A,H2B,H3,H4) *No nucleosomales (H1) 2) No histonicas (HMG) c) RNA: transcrito, RNA estructural

20 COMPACTACION DE LA CROMATINA EUCROMATINA Y HETEROCROMATINA La cromatina se pueden encontrar de dos formas: 1.-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: a) la constitutiva, idéntica para todas las células del organismo y que carece de información genética,.

21 b) y la facultativa, diferente en los distintos tipos celulares y que contiene información sobre todos aquellos genes que no se expresan 2.-Eucromatina, diseminada por el resto del núcleo y no visible con el microscopio de luz. Representa la forma activa de la cromatina en la que se está transcribiendo el material genético de las moléculas de DNA a moléculas de RNAm.

22 FUNCIONES DE LA CROMATINA Las funciones de la cromatina dependen de del grado de empaquetamiento y son: a) proporcionar información genética necesaria para la síntesis de RNA mediante la trascripción b) conservar y transmitir la información genética contenida en el ADN y para ello se produce las duplicación del mismo, cuyas hebras quedaran unidas en un punto y formaran las dos cromatidas de un cromosoma

23 CONCEPTO MORFOLOGIA Y CLASIFICACION DE LOS CROMOSOMAS Nombre que recibe una diminuta estructura formada por ácidos nucleicos y proteínas presente en todas las células vegetales y animales y para fines didácticos se la da una forma de X

24 El tamaño de los cromosomas es variable según el tipo de célula y del momento funcional de la célula, no obstante oscila entre 0.2 micras a 50 micras de longitud por 0.2 a 2 micras de diámetro y en la especie humana entre 4 y 6 micras

25 CLASIFICACION DE LOS CROMOSOMAS DE ACUERDO A LA POSICION DEL CENTROMERO Los cromosomas son organelos constantes en numero, forma y características, pero los cromosomas de una célula pueden ser diferentes unos de otros. Estas diferencias están sobretodo en la posición del centrómero que es variable lo que permite clasificar a los cromosomas en:

26 a) metacéntricos b) submetacentricos c) acrocentricos d) telocentricos

27 Metacéntricos: El centrómero está ubicado más o menos en el centro, es decir los brazos p y q son aproximadamente de la misma longitud. Submetacéntricos: El centrómero se encuentra desplazado claramente del centro. (Los brazos difieren en longitud). Acrocéntricos: El centrómero está ubicado cerca a un extremo. (Un brazo considerablemente grande comparado con el otro) Telocéntricos: Con el centrómero en un extremo, este cromosoma solo tiene el brazo largo

28 ESTRUCTURA Y ELEMENTOS FUNCIONALES DE LOS CROMOSOMAS En cada cromosoma podemos observar: a)CROMATIDA: en la metafase cada cromosoma esta formado por dos componentes simétricos cada uno de los cuales contiene una molécula de ADN.

29 b) CENTROMERO: es la región del cromosoma donde convergen las fibras del huso mitótico, se encuentra en una parte más delgada del cromosoma la constricción primaria.

30 c)TELOMERO: al extremo de cada brazo del cromosoma se le denomina telomero. El AND de los telomeros no se transcribe y en cada proceso de división se acorta o reduce. Cuando los telomeros desaparecen el cromosoma sigue acortándose y la célula pierde información genética útil y degeneran. Se cree que su función es evitar que se "peguen" o fusionen con otros fragmentos. Zona que no posee información genética.

31 EL ORGANIZADOR NUCLEOLAR En algunos cromosomas se encuentra la región del, organizador nucleolar (NOR), en ella se sitúan los genes que se transcriben como ARNr, con lo que se promueve la formación del nucleolo y de los ribosomas. Esta zona no se espiraliza tanto y por eso se ve mas clara. El satélite (SAT).-es el segmento del cromosoma entre el organizador nucleolar y el telomero correspondiente. Solo poseen satélite aquellos cromosomas que tienen NOR.

32 ULTRA ESTRUCTURA DEL CINETOCORO El cinetocoro es una estructura compleja que en general aparece como placa trilaminar estrechamente unida con el centromero de cada cromatida. Los dos cinetocoros de un cromosoma metafasico están orientados en sentidos opuestos y sirven como sitio de anclaje a los microtubulos.

33 DEFINICION Y ESTRUCTURA DE UN GEN GEN: is defined as the entire nucleic acid sequence that is necessary for the synthesis of a functional polypeptide

34 En todo gen, además, distinguiremos las siguientes regiones: - La región promotora o promotor (P) - La región codificadora (C) - La región terminadora o terminador (T)

35 a)La región promotora es una porción del ADN situada al principio del gen y que, sin codificar ningún aminoácido, sirve para que las enzimas que realizan la transcripción reconozcan el principio del gen. b)La región codificadora es la parte del gen que contiene la información para la síntesis de la proteína. En la región codificadora van a existir fragmentos de ADN que no contienen información: los intrones, y fragmentos que sí que contienen información: los exones. c)La región terminadora. Marca el final del gen.

36 REPLICACION, REPARACION Y RECOMBINACION DEL DNA Existe un único sitio en el cromosoma en el que se inicia la síntesis del DNA y se le denomina origen de la replicación. El origen de la replicación consiste en una secuencia especifica de 300pb que es reconocida por proteínas especificas de la iniciación.

37 En el origen de la replicación la doble hélice de DNA se abre y el inicio de la replicación del DNA se produce en las dos cadenas. Al sitio de inicio de la replicación se le denomina horquilla de la replicación para moverse a lo largo del DNA.

38 REPLICACION La replicación del DNA consiste en la formación de dos cadenas de DNA a partir de una siguiendo como modelo de copia las dos hebras de la molécula progenitora. Las estrictas reglas de apareamiento de bases significa que la utilización de una cadena como molde dará lugar a otra cadena con una secuencia de bases complementaria.

39 1° paso2° paso3° paso O = helicasa || = ADN () = ADN, enrollado O = polimerasa iii || = ADN ! ¡ = ARN O = polimerasas i y ii + endonucleasa || = ADN ! ¡ = ARN En este paso, la helicasa rompe los enlaces de hidrógeno para separar las dos hebras de ADN, por segmentos. En este paso, la polimerasa iii, agrega la hebra de ADN hija, en el lado derecho de manera continua, en el lado izquierdo, es discontinuo para poder hacerlo en el sentido correcto. El trozo de ARN, lo utiliza como partidor, sin el cual, el proceso no funciona. En este paso, las polimerasas i y ii, en conjunto con la endonucleasa, verifican que los nucleótidos de la hebra hija estén bien puestos y corrigen los pedazos de ARN, transformándolos en ADN. La revisión, se realiza nucleótido por nucleótido. Esta corrección, reduce las probabilidades de error de 1/1.000.000 a 1/1.000.000.000.000.

40 1. DNA Polimerasa I. 2. DNA polimerasa II. 3. DNA polimerasa III. 4. Girasa. 5. Primasa. 6. Helicasa. 7. Ligasa. 8.Topoisomersa

41 RECOMBINACION GENETICA La recombinación genética es el proceso mediante el cual la información genética se redistribuye. La recombinación genética ocurre durante la profase I de la meiosis. La meiosis es la división celular que genera células haploides (gametas) a partir de células diploides. El proceso se conoce como gametogénesis

42 La gametogénesis ocurre solo en las células sexuales de los individuos y su resultado es la formación de gametas (células) haploides, diferentes geneticamente entre sí. Las gametas femeninas, resultado de la meiosis o gametogenesis se llaman ovocitos y las masculinas espermatocitos.

43 Viajemos al interior de nuestro organismo, hasta donde se genera la recombinación génica

44 En las células sexuales durante la gametogenésis... La molécula de ADN se condensa en cromosomas, indicando que inicia la meiosis

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47 RECOMBINACION GENERAL Y HOMOLOGA Tipos principales de recombinación: 1) Recombinación general u homóloga 2) Recombinación específica (no-homóloga), en la que a su vez distinguimos: a) Rec. específica legítima, conservativa; b) Rec. específica “ilegítima”, propiciada por elementos genéticos transponibles.

48 Recombinación general u homologa: Puede ocurrir en cualquier lugar del genomio, por emparejamiento entre pares de secuencias que presenten una homología suficientemente extensa. Depende de la intervención de un equipo enzimático característico, en el que la proteína RecA (o equivalente) es central en el proceso

49 Recombinación específica legítima (conservativa) Requiere cortas secuencias de homología entre el exogenote y el endogenote (por eso se llama también “específica de sitio”), que son reconocidas por proteínas específicas. Es independiente de RecA. Este tipo de recombinación es típica de la integración de genomas de fagos en sitios concretos del genoma de bacterias hospedadoras.

50 Recombinación específica ilegítima: fenómenos de transposición No depende de homologías (ni siquiera cortas) entre el exogenote (en este caso, un elemento genético transponible, como IS o Tn) y el endogenote También es independiente de RecA. El elemento transponible codifica una enzima (genéricamente se les denomina transposasas) que reconoce secuencias específicas inversamente repetidas en los extremos del propio elemento, lo cual se requiere para el proceso de transposición. Muchos elementos transponibles (pero no todos) poseen un mecanismo replicativo de transposición: es decir, al transponerse dejan una copia de sí mismos en el sitio original, y generan una copia nueva en el sitio a donde se transponen (recombinación específica duplicativa).

51 DAÑOS O MUTACIONES DEL ADN La mayor parte de las mutaciones génicas que afectan a las células se producen espontáneamente durante la replicación del DNA Mutaciones génicas Las mutaciones génicas mas comunes son: 1. Sustitución de un nucleótido por otro. 2.Perdida (delección) de uno o varios nucleótidos. 3.Inserción(intercalción) de uno o varios nucleótidos en la molécula de ADN. La célula ha desarrollado mecanismos especiales para corregir estos errores. Esos mecanismos eliminan el 99.9% de los errores.

52 DAÑOS O MUTACIONES DEL ADN Existen otras clases de mutaciones genicas espontaneas no vinculadas con la replicacion del AND y son: 1.Desaminacion: La desaminación es un proceso normal en el que las bases nitrogenadas citosina y adenina pierden sus grupos amino (-NH 2 ). Esto cambia la estructura de los enlaces puente de hidrógeno que la base puede formar, si el daño no es reparado cuando ocurra la duplicación de ADN se producirá la mutación por apareamiento de la base mutada con otra base que no corresponde.

53 DAÑOS O MUTACIONES DEL ADN La adenina también sufre desaminación a Hipoxantina (A -> H), molécula que puede formar pareja con citosina, produciendo una transición AT-->GC.

54 DAÑOS O MUTACIONES DEL ADN 2.Apurinación o despurinación: ocurre cuando una purina se desprende de su desoxirribosa, de modo que el nucleótido afectado pierde su base. Como consecuencia, queda en el gen un sitio apurinico, (AP) un sitio sin información a pesar de no haberse cortado el ADN.

55 Existen tres grupos de agentes ambientales que al actuar sobre la célula inducen la aparición de mutaciones. 1.Agentes químicos 2.Radiaciones ionizantes: UV, rayos gama y rayos X 3. Virus capaces de introducir ADN foráneo AGENTES QUIMICOS: Numerosas sustancias tienen acción mutágena: la mayoría de las drogas como el LSD, la cafeína, la nicotina, el opio, la morfina, quinina y muchos edulcorantes. Según el tipo de sustancia que sea, pueden provocar distintos efectos

56 Radiaciones ionizantes. Son radiaciones que tienen longitud de onda muy corta y son por tanto muy energéticas. Estas radiaciones son rayos X, rayos ganma y la emisión de partículas alfa y beta que se producen en las explosiones nucleares. Las radiaciones provocan la pérdida de electrones en algunos átomos del ADN que quedan en forma de iones muy reactivos. Pueden provocar la rotura de los cromosomas favoreciendo la aparición de mutaciones cromosómicas y también producir modificaciones en las bases que conlleva a la formación de mutaciones puntuales. Radiaciones no ionizantes. Son, fundamentalmente, las radiaciones ultravioleta. No provocan ionización, pero los electrones pasan a niveles orbitales superiores lo que provoca la aparición de mutaciones puntuales.

57 Virus. Pueden producir cambios en la expresión de algunos genes. Se cree que los virus mutagénicos podrían realizar su acción al llevar en su genoma fragmentos de ADN tomados de una célula previamente infectada que incorporarían a la nueva célula parasitada.

58 ESTRUCTURA DEL NUCLEOLO Tienen una estructura proteica densa (hasta un 40%), y dos tipos de elementos: gránulos de ARN y fibrillas de ADN. Su función principal es la síntesis del ARN ribosómico.

59 Dentro del nucleolo, se han descrito tres regiones: el centro fibrilar (CF), la región fibrilar (F) donde se cree que ocurre la transcripción y el ensamblaje inicial y la región granular (G) donde se finalizan las unidades pre-ribosomales

60 ESTRUCTURA Y FUNCION DE LOS RIBOSOMAS Los ribosomas son orgánelos sin membrana, sólo visibles al microscopio electrónico debido a su reducido tamaño ( 29 nm en célula procariota y 32 nm en eucariota). Están en todas las células vivas (excepto en el espermatozoide). Su función es ensamblar proteínas a partir de la información genética que le llega del ADN transcrita en forma de ARN mensajero (ARNm).

61 El ribosoma consta de dos subunidades que se encajan y trabajan juntas para la traducción del ARNm en proteínas en el proceso de síntesis proteica. Cada subunidad está formada por una, dos o tres moléculas muy grandes de ARN (llamado ARN ribosómico) y numerosas proteínas más pequeñas.