La célula 5a ed g cooper, r hausman (marbán, 2011) 1

a CÉLULA Geoffrey M Cooper Robert E HdUSITian quinta edición m Cooper & Hausman La CLULA quinta edición El Estigma del Dr VaPorEso ?*9 Geoffrey M Cooper & Robert E Hausman Boston University Los autores Geoffrey M Cooper es Profesor y Jefe (chair) del Departamento de Biología en la Universidad de Boston En 1973 se doctoró en Bioqmica en la Universidad de Miami, realizó la tesis doctoral Howard Temin en la Universidad de Wisconsin, donde desarrolló ensayos de transferencia genética para detectar el ADN proviral del virus del sarcoma de Rous y los retrovirus relacionados En 1975 ingresó en la facultad del Dana-Farber Cáncer Institute y en la Harvard Medical SchooL ampliando esos estudios hacia la identificación de los oncogenes en tumores humanos Desde su llegada a la Universidad de Boston en 1998, el Dr Cooper empleado La Célula para sus clases de biología celular, también continuado sus investigaciones y participado en la importante expansión de la biocíencia Las investigaciones del Dr Cooper se centran en el entendimiento de las funciones de las proteínas de los oncogenes en las vías de salización que regulan la proliferación celular y la muerte celular programada Ha publicado dos libros sobre cáncer y más de 100 artículos de investigación acerca de salización celular y cáncer Robert E Hausman es Profesor y Director (gradúate director) del Departamento de Biología en la Universidad de Boston Obtuvo el doctorado en Ciencias Biológicas de la Universidad de Northwestern en 1971, realizando la tesis doctoral junto a Aron Moscona en la Universidad de Chicago, donde investigó las interacciones célula-célula en las primeras fases del desarrollo embrionario y descubrió una de las moléculas de adhesión celular En el o 1978 amplió sus investigaciones sobre las interacciones de la superficie celular en el desarrollo muscular y la regulación de la expresión genética en el desarrollo del sistema nervioso mediante contacto célula a célula Ha sido profesor de biología celular y impartido cursos de especialización en la Universidad de Boston Actualmente los profesores Cooper y Hausman imparten juntos biología celular Su trabajo se centra en el entendimiento de cómo las interacciones celulares y entre células y la matriz extracelular afectan a la diferenciación y a la morfogénesis La cubierta La cubierta ilustra los receptores de la superficie celular, la formación de una fosa recubierta de catrina, estructuras citoesqueléticas, ribosomas y otros componentes del citoplasma ©2011 ©2010 © MAREAN LIBROS, S.L Joaqn María López 72 28015 Madrid Espa Teléf: (34)91 543 55 55 Fax: (34) 91 5441380 wv7w.marbanlibros.com El artista David S Goodsell es Profesor Asociado de Biología Molecular en el Scripps Research Institute Sus libros ilustrados, The Machinery of Life y Our Molecular Nature, exploran las moléculas biológicas y los distintos papeles que desempeñan en las células vivas Su nuevo trabajo: Bionanotechnology: Lessons from Nature, presenta la creciente conexión entre biología y nanotecnología Se puede encontrar más información en: http://mgl.scripps.edu/people/goodsell Edición en espol de: The Cell: a Molecular Approach, 5th edition Geoffrey M Cooper and Robert E Hausman Edición original © ASM Press Translated and published by arrangement with ASM Press, Washington, DC; USA El Estigma del Dr VaPorEso Traducción: Dra N Wright Centro de Investigaciones Biológicas Madrid, España Fotocopiar es un delito (Art 270 C.P.) Este libro está legalmente protegido por los derechos de propiedad intelectual Cualquier uso, fuera de los límites establecidos por la legislación vigente, sin el consentimiento del editor, es ilegal Esto se aplica en particular a la fotocopia y, en general, a la reproducción en cualquier otro soporte MARBÁN es marca registrada La fotocopia o el uso de productos protegidos bajo una marca registrada ©constituye delito tipificado en el artículo 274 C.P que protege el derecho de propiedad industrial ISBN: 978-84-7101-811-3 (MARBÁN, S.L - Edición en espol) ISBN: 978-0-87893-300-6-2009 (ASM Press - Edición en inglés) M-31575-LII Impreso en España Printed in Spain Contenido •u^rw£^ Ciclo celular 653 Ciclo celular eucariota 653 Fases del ciclo celular 654 Regulación del ciclo celular por el crecimiento celular y por señales extracelulares 655 Puntos de control del ciclo celular 657 Restringir la replicación del ADN a una vez por ciclo celular 658 Reguladores de la progresión del ciclo celular 659 Protnas quinasas y la regulación del ciclo celular 659 Familias de ciclinas y quinasas dependientes de ciclinas 664 Factores de crecimiento y la regulación de las Cdk deGl 667 Puntos de control de lesiones en el ADN 670 Acontecimientos de la fase M 672 Etapas de la mitosis 672 Cdkl/Ciclina B y la progresión hacia la metafase 675 Punto de control de ensamblaje del huso y progresión hacia anafase 678 Citocinesis 680 Meiosis y fecundación 681 Proceso de la meiosis 681 Regulación de la meiosis en los oocitos 684 Fecundación 687 EXPERIMENTO CLAVE: Descubrimiento del MPF 660 EXPERIMENTO CLAVE: La identificación de la ciclina 663 Resumen y palabras clave 688 Preguntas 690 Bibliografía 690 Muerte y renovación celular 693 ' celular programada 693 - - : ;~:os de la apoptosis 694 «pasas: Los ejecutores i la apoptosis 697 fcsniadores centrales í la apoptosis: la familia 698 • ¿e salización t regulan la apoptosis 701 e alternativas de muerte r^lar programada 705 I i -_Lf madre - i -ar.tenimiento IT :< tejidos adultos 705 irộraỏún de cộlulas ôciadas 706 -rradre 708 lociones mộdicas de las y-:'.5~ madre de adulto 713 '-•: — madre embrionarias - ¿ i: nación terapéutica 716 • madre embrionarias 716 r\cia nuclear de células - T_i-;a; 718 iré totipotenciales 719 STO CLAVE: Identificación os aenes necesarios para la muerte ¿mada 696 \~O CLAVE: Cultivo de ~": ::~e embrionarias 715 - r v oalabras clave 720 "22 — aria 722 I d » Cáncer 725 \M Desarrollo y causas del cáncer 719 Tipos de cáncer 725 Desarrollo del cáncer 727 Causas del cáncer 728 Propiedades de las células cancerosas 729 Transformación de las células en cultivo 734 Virus tumorales 735 Virus de la hepatitis B y C 736 SV40 y poliomavirus 736 Papilomavirus 737 Adenovirus 738 Herpesvirus 738 Retrovirus 738 Oncogenes 739 Oncogenes retrovíricos 739 Proto-oncogenes 740 Los oncogenes en el cáncer humano 743 Funciones de los productos oncogénicos 747 Genes supresores de tumores 752 Identificación de los genes supresores de tumores 752 Funciones de los productos de los genes supresores de tumores 756 Papel de los oncogenes y de los genes supresores de tumores en el desarrollo del tumor 759 Enfoques moleculares para el tratamiento del cáncer 761 Prevención y detección precoz 761 Diagnóstico molecular 761 Tratamiento 763 EXPERIMENTO CLAVE: Descubrimiento de los proto-oncogenes 742 MEDICINA MOLECULAR: Imatinib: Tratamiento del cáncer dirigido contra en oncogén bcr/abl 766 Resumen y palabras clave 767 Preguntas 770 Bibliografía 770 Respuestas a las preguntas Glosario 783 índice 799 773 Sección I • Introducción Cadena lateral Figura 2.13 Estructura de los aminốcidos Cada aminoácido consiste en un átomo de carbono central (el carbono a) ligado a un átomo de hidrógeno, un grupo carboxilo, un grupo amino y una cadena lateral específica (denominada R) ApH fisiológico, tanto el grupo carboxilo como el amino se encuentran ionizados, como se muestra en la figura • Aparte de ser las unidades de construcción de ¡as protnas, los aminốcidos tienen otra función biológica importante como moléculas empleadas por las células para comunicarse Los aminoácidos glicina y giutamato, junto otros diversos aminoácidos que no se encuentran en las protnas, actúan como neurotransmisores (véase Cap 15) • Las proteínas muestran una diversidad increíble Algunas proteínas poco frecuentes incluyen: Proteínas de cemento que son empleadas por los percebes para adherirse a las superficies sumergidas bajo el agua Los científicos están intentando desarrollar estas proteínas para su uso industrial como pegamentos o recubrimientos anticorrosivos La seda de la araña de la Orbe Dorada es extremadamente ligera y flexible pero casi tan fuerte como Kevlar, que se emplea para fabricar los chalecos antibalas Los nucleótidos no sólo son importantes como los ladrillos de const™ ción de los ácidos nucleicos; también desempan papeles vitales en or* procesos celulares Quizá el ejemplo más destacado es el adenosín 5' trifni fato (ATP), que es la principal forma de energía química dentro de las c; ¿ las Otros nucleótidos funcionan de manera similar como transportad.:^ de energía o de grupos químicos reactivos en una gran variedad de re:;: nes metabólicas Además, algunos nucleótidos (p ej., AMP cíclico) sor _3 portantes moléculas de salización dentro de las células (véase Cap Ir Proteínas Mientras que los ácidos nucleicos transportan la información genética ¿¿ i célula, la responsabilidad básica de las proteínas es ejecutar las tareas día gidas por esa información Las protnas son las más variadas de toda; j macromoléculas, y cada célula contiene varios miles de proteínas difere^ tes, que realizan una amplia gama de funciones Los papeles de las proa ñas incluyen servir como componentes estructurales de células y tejido- tuar en el transporte y almacenamiento de pequeñas moléculas (p ej., en| transporte de oxígeno por la hemoglobina), transmitir información entr lulas (p ej., hormonas proteicas), y proporcionar una defensa frente a la i fección (p ej., anticuerpos) La propiedad fundamental de las protnas : embargo, es su capacidad para actuar como enzimas, que, como se trata < la siguiente sección, catalizan casi todas las reacciones qmicas en los sis mas biológicos De este modo, las proteínas dirigen virtualmente todas ' actividades de la célula La importancia central de las proteínas en la quir ca biológica viene determinada por su nombre, derivado de la palabra ¡ ga proteios, que significa «de primer rango» Las protnas son polímeros de 20 aminốcidos distintos Cada ar cido consiste en un átomo de carbono (llamado carbono a) ligado a un , po carboxilo (COO-), un grupo amino (NHJ), un átomo de hidrógen una cadena lateral característica (Fig 2.13) Las propiedades químicas ( cíficas de las diferentes cadenas laterales de los aminoácidos determinan j papeles de cada aminoácido en la estructura y función proteica Los aminốcidos pueden agruparse en cuatro amplias categorías dep diendo de las propiedades de sus cadenas laterales (Fig 2.14) Diez amin ácidos tienen cadenas laterales no polares que no interaccionan el ag La glicina es el aminoácido más simple, una cadena lateral consiste en un sólo átomo de hidrógeno La alanina, valina, leucina e isoleucina nen cadenas laterales hidrocarbonadas compuestas por hasta cuatro áton de carbono Las cadenas laterales de estos aminoácidos son hidrófobas y ¿ ahí que tiendan a localizarse en el interior de las proteínas, donde no set cuentran en contacto el agua Igualmente, la prolina tiene una cade lateral hidrocarbonada, pero es la única que en su cadena lateral está liga al nitrógeno del grupo amino así como al carbono a, formando una est tura cíclica Las cadenas laterales de dos aminốcidos, cistna y metior contienen átomos de azufre La metionina es bastante hidrófoba, pero la c tna lo es menos debido a su grupo sulfhidrilo (SH) Como se trata : adelante, el grupo sulfhidrilo de la cisterna desempeña un importante pa en la estructura proteica porque se pueden formar enlaces disulfuro i las cadenas laterales de distintos residuos de cistna Finalmente, dos í nốcidos no polares, fenilalanina y triptófano, tienen cadenas laterales < contienen anillos aromáticos muy hidrófobos Cinco aminoácidos tienen cadenas laterales sin carga pero polares Esr incluyen la serina, la treonina y la tirosina, que tienen grupos hidroxilo < sus cadenas laterales, así como la asparragina y la glutamina, que tiene gT | pos amida (O=C—NH2) polares Debido a que las cadenas laterales de estnJ aminoácidos pueden formar enlaces de hidrógeno el agua, estos arruncé Composición de las células i- nốcidos no polares - ; '.-C-COCr (Gly) G H3N-C-COCT H H H Alanina (Ala) A Valina (Val) V Leucina (Leu) L HoN-C-COO~ H N-C-COCr H3N-c-cocr - '.-C-COCT H N-C-COO" H Isoleucina (lie) I H H H Metionina (Met) M Fenilalanina (Phe) F Triptófano (Trp) W H na (Cys) C H3N-c-cocr H3N-C-COCr H H2N-C-COCr H Prolina (Pro) P ácidos polares H3N-c-cocr H3N-C-COO- H3N-c-cocr H H H Treonina (Thr) T Tirosina (Tyr) Y Asparragina (Asn) N Glutamina (Gln) Q idos básicos —C-COCT H N-C-COCr H Aminoácidos ácidos H3N-C-COCr H3N-C-COCT H3N-C-COCT H H H H _s-ia(Lys)K Arginina (Arg) R Histidina (His) H Ácido aspértico (Asp) D H,N-C-COO- Ácido glutámico (Glu) E Figura 2.14 Aminoácidos Se indican ; :< son hidrófobos y tienden a localizarse en la parte externa de las pro- minoácidos Usina, arginina e histidina tienen cadenas laterales •^r-r-í básicos cargados La usina y la arginina son aminốcidos muy bási§ us cadenas laterales están cargadas positivamente dentro de la célu- :anto, son muy hidrófilos y se encuentran en contacto el agua en superficie de las proteínas La histidina puede estar sin carga o cargada > -".amenté a pH fisiológico, así que frecuencia desempeña un papel ! en reacciones enzimáticas que implican el intercambio de iones hixr'eeno, como se trata en el Capítulo Por último, dos aminốcidos, el ácido aspártico y el ácido glutámico, tieenas laterales acidas que terminan en grupos carboxilo Estos arniiddos están cargados negativamente dentro de la célula y por tanto a enudo se denominan aspartato y glutamato Como los aminoácidos bási- las abreviaturas de tres y una letra para cada aminoácido Los aminoácidos se agrupan en cuatro amplias categorías dependiendo de las propiedades de sus cadenas laterales: no polares, polares, básicas y acidas Sección I • Introducción EXPERIMENTO CLAVE Plegamiento de las cadenas polípeptídicas Rotura de reducción de los puentes disulfuro en la ribonucleasa Michael Sela, Frederick H White, Jr., y Christian B Anfinsen National Institutes of Health, Bethesda, MD Science, Volumen 125,1957, págs 691-692 Contexto Las proteínas funcionales son estructuralmente mucho más complejas que las cadenas lineales de aminốcidos La formación de enzimas activas o de otras proteínas requiere del plegamiento de las cadenas polipeptídicas en configuraciones tridimensionales precisas Esta diferencia entre las proteínas y las cadenas polipeptídicas plantea preguntas cruciales relación a la comprensión de la estructura y función proteica ¿Cómo se escoge la configuración proteica adecuada de las múltiples configuraciones posibles que podrían ser adoptadas por un polipéptido, y cuál es la naturaleza de la información que dirige el plegamiento de las proteínas? Los clásicos experimentos realizados por Christian Anfinsen y sus colaboradores proporcionan respuestas a estas preguntas Estudiando la enzima ribonucleasa, Anfinsen y sus colaboradores fueron capaces de demostrar que las H / HH Enlace peptídico Figura 2.15 Formación de un enlace peptídico El grupo carboxilo de un aminốcido se liga al grupo amino de otro proteínas desnaturalizadas pueden replegarse espontáneamente adoptando una configuración activa Por tanto, toda la información requerida para especificar la configuración tridimensional correcta de una protna está contenida en su secuencia primaria de aminoácidos Una serie de estos experimentos llevó a Anfinsen a la conclusión de que la estructura tridimensional nativa de una proteína se corresponde a su conformación termodinámicamente más estable, determinada por las interacciones entre sus aminoácidos constituyentes Las observaciones originales que condujeron a la formulación de este principio crucial fueron comunicadas en este artículo de 1957 por Christian Anfinsen, Michael Sela y Fred White Experimentos La proteína estudiada por Sela, White y Anfinsen era la ribonucleasa bovina, una pequa protna de 124 aminốcidos que contiene cuatro enlaces disulfuro (S-S) entre las 100 75 >50 25 Grupos SH Resumen de los resultados de los experimentos de renaturalización La actividad enzimática viene representada como una función del número de grupos sulfhidrilo presentes después de diversos tratamientos La actividad se expresa com porcentaje de la actividad de la enzima nativa cadenas laterales de residuos de cisterna La actividad enzimática de la ribonucleasa podía estar determinad^ por su habilidad para degradar ARX a nucleótidos, proporcionando una eos, estos aminốcidos son muy hidrófilos y habitualmente se localizan a] la superficie de las protnas Los aminốcidos están unidos por enlaces peptídicos entre el grupo J amino de un aminoácido y el grupo a carboxilo del siguiente (Fig 2.15) La polipéptidos son cadenas lineales de aminoácidos, habitualmente de cieJ tos o miles de aminoácidos de longitud Cada cadena polipeptídica tienJ dos extremos distintivos, uno terminando en un grupo a amino (el extremí amino, o N terminal) y el otro en un grupo a carboxilo (el extremo carboxJ o C, terminal) Los polipéptidos se sintetizan desde el extremo amino al cari boxilo terminal, y la secuencia de aminoácidos en un polipéptido se escriba (por convención) en el mismo orden La característica definitoria de las proteínas es que son polipéptidos coJ secuencias de aminốcidos específicas En 1953, Frederick Sanger fue el pñi mero en determinar la secuencia completa de aminốcidos de una protei^ la hormona insulina Se encontró que la insulina estaba constituida por dJ cadenas polipeptídicas, unidas por enlaces disulfuro entre residuos de áfl Composición de las células EXPERIMENTO evaluación sencilla de la función de la :na nativa Esta actividad enzimática se perdía completamente cuando la ribonucleasa se sometía a mientas que alteraban los enlaces - -oválenles (p ej., los enlaces de hidrógeno) o desdoblaban los enlaces ü-ulfuro al reducirlos a grupos suifihidrilo (SH) La proteína - -naturalizada parecía así estar en ^ra conformación aleatoria inactiva Sela, White y Anfinsen observaron, afeo crucial, que la actividad ática reaparece si la proteína desnaturalizada se incubaba en :.:iones que permitía a la cadena rvlipeptídica replegarse y reformarse : los enlaces disulfuro En estos experimentos se retiraban los agentes desnaturalizantes, y la enzima —-activada era incubada a anperatura ambiente en un tampón if :ológico en presencia de O2 Este T^edimiento llevó a la oxidación de j^s srupos sulfhidrilo y a la formación de los enlaces disulfuro I>_rante este proceso, la enzima ecuperó su actividad catalítica, rcicando que se había replegado a su ^•-figuración nativa (véase figura) Jebido a que no estaba presente •ngún otro componente celular, toda ¿ información requerida para el CLAVE plegamiento proteico adecuado parecía estar contenida en la secuencia primaria de aminốcidos de la cadena polipeptídica Impacto Experimentos posteriores definieron las condiciones bajo las que la ribonucleasa desnaturalizada recuperaba completamente su estructura nativa y su actividad enzimática, estableciendo la «hipótesis termodinámica» del plegamiento proteico —esto es, la estructura nativa tridimensional de una proteína corresponde al estado termodinámicamente más estable en condiciones fisiológicas— La estabilidad termodinámica está gobernada por las interacciones de los aminốcidos constitutivos, así que la configuración tridimensional de las protnas está determinada directamente por su secuencia de aminốcidos Puesto que el orden de los nucltidos en el ADN especifica la secuencia de aminoácidos de un polipéptido, se deduce que la secuencia de nucleótidos de un gen contiene toda la información necesaria para determinar la estructura tridimensional de su producto proteico Aunque el trabajo de Anfinsen estableció la base termodinámica del plegamiento proteico, comprender el mecanismo de este proceso continúa siendo un área de investigación activa El plegamiento proteico es extremadamente complejo, y todavía somos incapaces de deducir la estructura tridimensional de una proteína directamente de su secuencia de aminoácidos También es importante destacar que el plegamiento espontáneo de las proteínas in vitro es mucho más lento que el plegamiento proteico dentro de la célula, que es asistido por enzimas (véase Cap 8) El plegamiento proteico continúa siendo de este modo un desafío central en la qmica biológica Fig 2.16) Lo que era más importante, el experimento de Sanger revecada proteína consiste en una secuencia específica de aminoácidos mente las secuencias proteicas se suelen deducir a partir de secuenARNm, y se han determinado las secuencias aminoacídicas de más 2.16 Secuencia de aminoácidos de la insulina Jina contiene dos cadenas polipeptídicas, una de 21 y ; 30 aminốcidos (indicados aq según sus turas de una letra) Las cadenas laterales de tres pares duos de cisterna están unidas por enlaces disulfuro, los cuales conectan las cadenas polipeptídicas N-G L;Q©©A s v© S LYQL1 N © Enlaces disulfuro entre residuos de cisterna ^I-C ¡ N-F V N Q @ L © G S(H)L V E A L Y L yâQớ|XfjG F'F'V T PđA-C Secciún I Introducciún El calentamiento y si tratamiento un agente químico reductor para romper los puentes disulfuro altera la configuración nativa, desnaturalizando la protna 124 v\ Si la ARNasa desnaturalizada vuelve a sus condiciones nativas, se replegará espontáneamente adoptando su configuración natural Enlaces disulfuro ARNasa nativa Figura 2.17 Desnaturalización y replegamiento proteico La ribonucleasa (ARNasa) es una protna de 124 aminốcidos (indicados por números) La proterna normalmente está plegada en su configuración natural, que contiene cuatro enlaces disulfuro (indicados como círculos pareados que representan residuos de cisteína) Grupo hemo Figura 2.18 Estructura tridimensional de la mioglobina La mioglobina es una protna de 153 aminốcidos que está implicada en el transporte de oxígeno La cadena polipeptídica está plegada alrededor del grupo hemo que sirve como lugar de enlace de oxígeno ARNasa desnaturalizada ARNasa nativa de 100.000 proteínas Cada una consiste en una secuencia única de aminc dos, determinada por el orden de los nucleótidos en un gen (véase Cap J La secuencia de aminoácidos de una protna es sólo el primer eleme de su estructura En vez de ser cadenas prolongadas de aminốcidos, protnas adoptan configuraciones tridimensionales características que ¡ cruciales para su función Estas configuraciones tridimensionales de ' proteínas son el resultado de las interacciones entre sus aminốcidos tuyentes, así que la forma de las proteínas viene determinada por su : cuencia de aminoácidos Esto fue demostrado por primera vez por los ex rimentos de Christian Anfinsen en los que alteró la estructura tridimensic de las proteínas mediante tratamientos tales como el calentamiento, , rompen los enlaces no covalentes —un proceso denominado desnatural: ción (Fig 2.17)— Después de la incubación en condiciones más favorablí dichas proteínas desnaturalizadas frecuencia regresan espontanean te a sus configuraciones nativas, indicando que estas configuraciones < determinadas directamente por la secuencia de aminoácidos La estructura tridimensional de las proteínas se analiza mayor : cuencia por cristalografía de rayos X, una técnica de alta resolución i puede determinar el ordenamiento de átomos individuales dentro de i molécula Se dirige un haz de rayos X a los cristales de la protna que se ¿ sea analizar, y el patrón de rayos X que pasan a través del cristal proteíi se detecta en una película de rayos X A medida que los rayos X chocan i tra el cristal, son dispersados en patrones característicos determinados : el ordenamiento de los átomos en la molécula La estructura de la moléc puede por tanto ser deducida a partir del patrón de rayos X dispersados patrón de difracción) En 1958, John Kendrew fue el primero en determinar la estructura i mensional de una protna, la mioglobina —una protna relativamer simple de 153 aminốcidos (Fig 2.18)— Desde entonces, se detern la estructura tridimensional de miles de proteínas La mayoría, como ] mioglobina, son proteínas globulares cadenas polipeptídicas plegad en estructuras compactas, aunque algunas (como las proteínas estructura de los tejidos conectivos) son largas moléculas fibrosas El análisis de la i tructura tridimensional de estas proteínas revelado varios principios sicos que gobiernan el plegamiento proteínico, aunque la estructura protí ca es tan compleja que predecir la estructura tridimensional de una protr directamente a partir de su secuencia de aminốcidos es imposible Composición de las células Enlace de hidrógeno / ^^^^^ >=c/\ N-H -N—h N-H- o y H- C'' / N_ H 0=C \ C / v i—C -~/-o= C— N— N—H / / ^ Figura 2.19 Estructura secundaria de las proteínas Los tipos más comunes de estructura secundaria ^a héüce « y 1a hoja p En la hélice a, los enlaces de hidrógeno se forman entre grupos CO y NH de enlaces peptídicos separados por cuatro residuos de aminốcidos En 1a h°Ía P, los enlaces de hidrógeno conectan dos partes de una cadena polipeptídica que se encuentran una junto a otra Las cadenas laterales de los aminoácidos no se muestran son H A- / y H'' O''' H -Enlace de hidrógeno C - ructura proteica generalmente se describe en cuatro niveles La esexra primaria de una proteína es la secuencia de aminốcidos de su ca: -ireptídica La estructura secundaria es el ordenamiento regular de oácidos dentro de regiones localizadas del polipéptido Dos tipos de ~_r? secundaria, que fueron propuestos por primera vez por Linus ir¿ v Robert Corey en 1951, son particularmente comunes: la hélice a y •_ i LÍ Ambas estructuras secundarias se mantienen por enlaces de hitaigEno entre los grupos CO y NH de los enlaces peptídicos La hélice a se •2 cuando una región de una cadena polipeptídica se enrolla sobre sí HL= el grupo CO de un enlace peptídico formando un enlace de hi•pno el grupo NH de un enlace peptídico situado cuatro residuos ¿?ajo de la cadena lineal polipeptídica En contraste, la hoja P se forma d : ~ partes de una cadena polipeptídiN terminal errjentran una junto a otra enlaces icgeno entre ellas Estas hojas f3 pueden arse entre varias hebras polipeptídicas, rueden estar orientadas bien paralela o :: :.; _^?.mente entre sí _¿ estructura terciaria es el plegamiento de -: rolipeptídica como resultado de las acciones entre las cadenas laterales de kidos que se encuentran en diferentes •es de la secuencia primaria (Fig 2.20) '-&in : 20 Estructura terciaria de la ribonucleasa - d E estructura secundaria de hélices a y hojas •e—-idas por regiones lazo, se pliegan en la ^piración nativa de la protna En esta ertan esquemática de la cadena polipeptídica -r —odelo de cinta, las hélices a están srtadas como espirales y las hojas p como flechas Región lazo Hojap C terminal Sección I • Introducción Grupo hemo Cadenas |3 ~ Cadenas a 58 Figura 2.21 Estructura cuaternaria de la hemoglobina La hemoglobina se compone de cuatro cadenas polipeptídicas, cada una de las cuales está ligada a un grupo hemo Las dos cadenas ct y las dos cadenas p son idénticas En la mayoría de las proteínas, combinaciones de hélices a y hojas P, conec- tadas por regiones lazo de la cadena polipeptídica, se pliegan en estructuras globulares compactas denominadas dominios, que son las unidades básicas de la estructura terciaria Las protnas pequas, como la ribonucleasa o la mioglobina, contienen solamente un único dominio; las proteínas más grandes pueden contener varios dominios diferentes, que frecuentemente están relacionados funciones características Un determinante crucial de la estructura terciaria es la localizatión de los aminốcidos hidrófobos en el interior de la protna y de los aminốcidos hidrófilos en la superficie, donde interaccionan el agua El interior de las proteínas plegadas está constituido de este modo principalmente de aminốcidos hidrófobos organizados en hélices a y hojas P; estas estructuras secundarias se encuentran en el centro hidrófobo de las protnas porque los enlaces de hidrógeno neutralizan el carácter polar de los grupos CO y NH de la columna vertebral polipeptídica Las regiones lazo que conectan los elementos de la estructura secundaria se encuentran en la superficie de las proteínas plegadas, donde los componentes polares de los enlaces peptídicos forman enlaces de hidrógeno el agua o las cadenas laterales de los aminốcidos hidrófilos Las interacciones entre las cadenas laterales de los aminoácidos polares (enlaces de hidrógeno y enlaces iónicos) en la superficie proteica son también importantes determinantes de la estructura terciaria Además, los enlaces disulfuro covalentes entre grupos sulfhidrilo de los residuos de cisteína estabilizan la estructura plegada de muchas proteínas de la superficie celular o de secreción El cuarto nivel de la estructura proteica, la estructura cuaternaria, consiste en las interacciones entre diferentes cadenas polipeptídicas en proteínas compuestas de más de un polipéptido La hemoglobina, por ejemplo, está compuesta por cuatro cadenas polipeptídicas que se mantienen unidas por el mismo tipo de interacciones que mantienen la estructura terciaria (Fig 2.21) De este modo, las características qmicas propias de los 20 aminốcidos distintos conducen a una variación considerable en la configuración tridimensional de las protnas plegadas En consecuencia, las proteínas constituyen un grupo extremadamente complejo y variado de macromoléculas, adaptadas a la gran variedad de tareas que llevan a cabo en la biología celular Membranas celulares La estructura y función de las células dependen de forma crucial de las membranas, que no sólo separan el interior de la célula de su entorno sino que también definen los compartimentos internos de las células eucariotas, incluyendo las organelas de núcleo y citoplasma La formación de membranas biológicas se basa en las propiedades de los lípidos, y todas las mem-l branas celulares comparten una misma organización estructural: bicapas de fosfolípidos proteínas asociadas Estas proteínas de membrana son responsables de muchas funciones especializadas; algunas actúan como receptores que permiten a la célula responder a señales externas, algunas son responsables del transporte selectivo de moléculas a través de la membrana, y otras participan en el transporte de electrones y en la fosforilación oxidativa Además, las protnas de membrana controlan las interacciones entre Composición de las células EXPERIMENTO CLAVE Estructura de las membranas celulares El modelo del mosaico fluido para la estructura de las membranas celulares S J Singer y Garth L Nicolson University of California en San Diego y el Salk Institutefor Biological Sciences, La Jolla, CA Science, Volumen 175,1972, págs 720-731 nembranas celulares juegan - -rntrales en prácticamente Ic-s aspectos de la biología ciar, funcionando como límites de ,;os subcelulares de las r- '.3- eucariotas además de definir a recia célula separando su -rs-jido del medio externo La rrrensión de la estructura y H»nzación de las membranas ic-ares era, por tanto, un paso ;; en el análisis de la base fccular del comportamiento talar En los años 60, se sabía que —:embranas celulares estaban supuestas por proteínas y lípidos r: r.o estaba claro cómo estaban arcadas estas moléculas Además, •C una gran variación entre las ic-pc*siciones de proteína y lípidos Tre as diferentes membranas ^ulires, dando lugar a que algunos vengadores pensasen que las tnerentes membranas podrían no üT-partir una organización sructural común Por el contrario, Jonathan Singer y ':¿-~ Xicolson se enfrentaron al ±>lema de comprender la Kr-icrura de la membrana, basados r la premisa de que los mismos rmcipios generales describirían la -ación de lípidos y proteínas en :c¿s las membranas celulares, trucaron los principios de srmodinámica además de integrar -r-i variedad de resultados experimentales para desarrollar el rvxdelo del mosaico fluido —un rodelo que se establecido en el empo para la comprensión de las irversas funciones de las membranas r '.a biología celular Experimentos S J Singer Las consideraciones de termodinámica fueron básicas para el desarrollo del modelo del mosaico fluido de Singer y Nicolson En particular, pensaron que la estructura general de las membranas estaría determinada por una combinación de interacciones hidrof óbicas e hidrofílicas Estas interacciones fueron reconocidas como determinantes de la organización de bicapas de fosfolípidos, y Singer y Garth L Nicolson Nicolson pensaron que interacciones similares gobernarían la organización de las proteínas de membrana Propusieron, por tanto, que los postulaban como antipáticos, residuos de aminoácidos apelares de regiones apelares insertadas en la las proteínas de membrana estarían bicapa lipídica y regiones polares secuestrados en el interior de la expuestas hacia el medio acuoso La membrana, de forma similar a las bicapa lipídica se creía que constituía cadenas de fosfolípidos de los ácidos una matriz estructural de la grasos, mientras que los grupos membrana en la que estaban polares de las proteínas estarían insertadas las proteínas expuestos al ambiente acuoso Estos argumentos estaban en (Continúa en la página siguiente) contra del modelo anterior de estructura de membrana en el que se proponía que las membranas poseían una estructura en tres capas y consistía en una bicapa lipídica interna flanqueada por dos capas de proteínas Singer y Nicolson propusieron por el contrario, una estructura de mosaico, en el que las proteínas integrales de membrana globulares estaban insertadas en una bicapa fosfolipídica (véase El modelo del mosaico lípido-proteína globular figura) Las proteínas, al Las proteínas globulares se encuentran distribuidas igual que los fosfolípidos, se en una matriz de fosfolípidos Sección I • Introducción EXPERIMENTO Diversas líneas de evidencia experimental fueron citadas para apoyar el modelo del mosaico fluido Primero la microscopía electrónica de membranas empleando la técnica de fractura por congelación proporcionó pruebas directas sugiriendo que las protnas estaban incluidas en la bicapa lipídica (véase Fig 1.36) Además, como predecía el modelo del mosaico fluido, las proteínas se encontraban distribuidas aleatoriamente en el plano de la membrana cuando eran detectadas mediante la tinción superficial de las células Y, finalmente, como se verá en el Capítulo 13, los experimentos de Larry Frye y Michael Edidin demostraron que las proteínas podían HpO Grupo polar de cabeza Cola hidrófoba H2O Figura 2.22 Bicapa fosfolipídica Los fosfolípidos forman espontáneamente bicapas estables, sus grupos polares de cabeza expuestos al agua y sus colas hidrófobas enterradas en el interior de la membrana Figura 2.23 Movilidad de los fosfolípidos en una membrana Fosfolípidos individuales pueden rotar y moverse lateralmente dentro de una bicapa CLAVE moverse lateralmente a través de la membrana Múltiples enfoques experimentales indicaron así que las proteínas de membrana estaban insertadas y capaces de moverse lateralmente a través de la bicapa lipídica, proporcionando un fuerte apoyo para el modelo del mosaico fluido para la estructura de membrana Impacto El modelo del mosaico fluido de Singer y Nicolson sido apoyado de forma abundante por experimentación subsiguiente, y sigue representando nuestra comprensión básica de la estructura de la membrana celular Dados los diversos papeles de las membranas en la biología celular, el modelo del mosaico fluido es, por tanto, fundamental para la comprensión de prácticamente todos los aspectos del comportamiento celular, incluyendo fenómenos tan diversos como el metabolismo energético, la acción hormonal y la transmisión de información entre células nerviosas en la sinapsis Basado inicialmente en consideraciones termodinámicas de las propiedades de lípidos y proteínas, Singer y Nicolson desarrollaron un modelo de estructura de membrana que tenido gran impacto en todos los aspectos de la biología celular células de organismos pluricelulares La organización estructural común i las membranas subyace de este modo en una gran variedad de proces biológicos y funciones especializadas de membrana, que se tratarán de talle en otros capítulos Lípidos de membrana Los bloques de construcción fundamentales de todas las membranas celu res son los fosfolípidos, que son moléculas anfipáticas, que consisten en cadenas de ácidos grasos hidrófobos ligadas a un grupo de cabeza hidrófi que contiene fosfato (véase Fig 2.7) Debido a que sus colas de ácidos gras son escasamente solubles en agua, los fosfolípidos forman bicapas esponb neamente en soluciones acuosas, las colas hidrófobas enterradas en i interior de la membrana y los grupos polares de cabeza expuestos en amb lados, en contacto el agua (Fig 2.22) Dichas bicapas fosfolipídicas fo man una barrera estable entre dos compartimentos acuosos y representan ] estructura básica de todas las membranas biológicas Los lípidos constituyen aproximadamente el 50% de la masa de la mayo ría de las membranas celulares, aunque esta proporción varía dependiend del tipo de membrana Las membranas plasmáticas, por ejemplo, son apri ximadamente un 50% de lípidos y un 50% de proteínas La membrana inte na de la mitocondria, por otra parte, contiene una fracción inusualmenti alta (aproximadamente el 75 %) de proteínas, reflejando la abundancia i complejos proteínicos implicados en el transporte de electrones y la fosfo lación oxidativa La composición lipídica de las diferentes membranas cela lares también varía (Tabla 2.1) La membrana plasmática de E coli contien predominantemente fosfatidiletanolamina, que constituye el 80% del tot, de lípidos Las membranas plasmáticas de los mamíferos son más complí jas, conteniendo cuatro fosfolípidos principales —fosfatidilcolina, fosfat dilserina, fosfatidiletanolamina y esfingomielina— que juntos constituye entre el 50% y el 60% del total de lípidos de membrana Además de los i folípidos, la membrana plasmática de las células animales contiene gluco pidos y colesterol, que generalmente corresponden a aproximadament el 40% de las moléculas de lípidos totales Composición de las células Grupo de cabeza del fosfolípido Tabla 2.1 Composición lipídica de las membranas celulares" Membrana plasmática :ido £ co/i Eritrocito Retículo endoplasmático rugoso Membranas mitocondriales externas -:-~:3Údi¡colina 17 55 •r^fatidilserina ^raddiletanol -•.na 80 16 16 23 Lsr_" ¿omielina 17 0 45