EDUARDO DE ROBERTIS JOSÉ HIB PDF

Preview

Summary

EDUARDO DE ROBERTIS JOSÉ HIB FUNDAMENTOS DE . ~ Fundamentos ha sido concebido como texto para estudiantes de bachilleratos especializados y para quienes desean ingresar BIOLOGIA CELULAR a instituciones universitarias o realizan cursos superiores de biología celular en el campo de las ciencias médica...

Description

EDUARDO DE ROBERTIS JOSÉ HIB

FUNDAMENTOS DE .

~

BIOLOGIA CELULAR YMOLECULAR DE DE ROBERTIS

Fundamentos ha sido concebido como texto para estudiantes de bachilleratos especializados y para quienes desean ingresar a instituciones universitarias o realizan cursos superiores de biología celular en el campo de las ciencias médicas, agronómicas, veterinarias, exactas y biotecnológicas. Su contenido ha sido organizado de manera didáctica e integrada, pasando de las cuestiones más simples a las más complejas. Brinda una cobertura completa de los componentes de la célula, abordados con un criterio funcional a fin de facilitar la conexión de sus temas con los de otras materias biológicas. En lo concerniente a las ciencias médicas, el texto responde tanto a los programas tradicionales como a los basados en el autoaprendizaje y la resolución de problemas, ya que los contenidos de sus 23 capítulos son presentados de modo tal que el estudiante puede localizarlos, incorporarlos e interrelacionarlos autónomamente.

Fundamentos es un texto de biología celular conciso, actualizado, muy comprensible y profusamente ilustrado con micrognifías y figuras en colores, concordante con la orientación seguida por la enseñanza de la materia en los principales centros en que se imparte.

Rdiftffial El AtL~eo

Eduardo M. F. De Robertis Es doctor en Medicina y se graduó con Medalla de Oro en la Facultad de Medicina de la República Oriental del Uruguay. Además es doctor en Bioquímica de la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad de Buenos Aires. Después de completar su doctorado en la Fundación Campomar se trasladó a Cambridge, Inglaterra, para continuar su entrenamiento con Sir Gurdon en embriología de anfibios. Desde 1985 es profesor titular de Bioquímica de la Facultad de Medicina de la Universidad de California, Los Angeles, donde ocupa la Norman Sprague Endowed Chair for Molecular Oncology. En 1994 recibió la distinción de ser nombrado Investigador del Howard Hughes Medicallnstitute. Ha sido elegido miembro de la European Molecular Biology (EMBO), de la Organización Iberoamericana de Biología Molecular (IMBO) y es miembro correspondiente de la Société de Biologie de Paris. Ha recibido distinciones de la Fundación Konex, del College de France de Paris y de otras entidades. Es miembro de Consejos Asesores de numerosas organizaciones internacionales. Recientemente ha sido elegido miembro de la American Academy of Arts and Sciences. ~.,.,._....._11

d.l'-

José Hib Se graduó en la Facultad de Medicina de la Universidad de Buenos Aires. Es doctor en Medicina de esa universidad y doctor en Biología de la Universidad del Salvador. Tempranamente se dedicó a la docencia y se trasladó --como becario de la Organización Mundial de la Saludal Centro latinoamericano de Perinatología de Montevideo, dirigido por el profesor Roberto Caldeyro-Barcia.AIIí realizó sus primeros trabajos de investigación, vinculados con la contractilidad de los órganos del sistema reproductor masculino y su regulación farm acológica y hormonal. Luego se radicó en Buenos Aires, donde como miembro del CONICET continuó con sus investigaciones, que fueron registradas en más de 30 publicaciones en revistas extranjeras, o comunicadas en congresos nacionales e internacionales de la especialidad. En 1986 fue nombrado profesor adjunto del Departamento de Biología Celular, Histología, Embriología y Genética de la Facultad de Medicina de la Universidad de Buenos Aires y desde 1996 es profesor titular de esa asignatura en la Universidad Abierta lnteramericana. Fue miembro del Comité Científico del Primer Congreso Panamericano de Andrología y ha sido premiado por el Ministerio de Educación de la Nación por su t rabajo Contraailidad de/ epidídimo. Es autor de los libros tnl>rlolo¡:la Médica Histología de Di Fiore - Texto y Atlas-; este •'•lt lnu •..11 l¡:oal q111 lw•tlwnt·lllo~. h:1 sido t raducido al portugués.

t:J;::l ~

or-" z oe-') ~

Los estudios moleculares de la célula han alcanzado logros tan significativos que convierten a la biología celular en el basamento de la mayoría de las asignaturas de las ciencias biológicas.

~-----~

:J.-

e-)

r-r 1

r.-·

.

Los veintitrés capítulos que componen esta nueva edición han sido revisados, ampliados y actualizados en consonancia con los espectaculares avances registrados en la mayor parte de los temas. Todos han sido presentados en forma concisa y didáctica, encabezados por códigos que agilizan la búsqueda de los contenidos y permiten su integración. Además se ha cambiado el formato del libro y se ha recreado su diseño mediante la incorporación de ilustraciones nuevas y el empleo de colores.

.r-

:;o

En lo que atañe a los estudios médicos, el texto se adecua tanto a los programas tradicionales como al aprendizaje basado en la resolución de problemas, pues ha sido redactado de modo que el estudiante pueda comprender sus conceptos con razonable facilidad.

,,,

Editorial El At~~~J

~

111 111

Fundamentos de Biología Celular y Molecular de De Robertis

Fundamentos de Biología Celular y Molecular de De Robertis

Eduardo M. F. De Robertis . José Hib

e)Editorial El Ateneo

De Robertis, Eduardo Fundamentos de Biología Celular y Molecular de De Robertis De Robcni s, Eduardo-Hib. José 4' ed. - Buenos Aires- El Ateneo, 2004 444 páginas. 16 x 23 cm ISBN 950-02-0414-2 1. Biología Celular- 2 fl iología Molecular- l. José Hib JI. Título CDD 618.2

Prólogo Tercera edición publicada en ponugués con el título De Rober1is - Bases da Biolog ia Celular e Molecular Guanabara-Koogan, Río de Janciro. 2001

Diseño Tapa: Cla udia Solari Dise11o i nlcrior: Alejandro Ji. Dcmartini Cuana edición de Editorial El Ateneo © GRUPO ILHSA S. A .. 2004

l'atagoJJeS 2463 - (C 1282ACA) fluenos Aires - Argentina Tel. : (54 11) 4943 8200- Fax : (54 JI ) 4308 4 199 E-mai 1: ed itorial @cbtcnco.com Derechos exclusivos de edición en castellano reservados para lodo el mundo. Queda hecho el depósito 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"' ' " ll la membrana del RER.

( )hsé rvese el receptor de la I'I¡ 1 l lll

17.

Fig. 8-16. Reproducción d" las mitocondrias.

176 •

Membrana del retículo endoplasmático

Fig. 8-17. Transferencia de fosfolípidos desde la bicapa lipídica del retículo endoplasmático a la bicapa lipídica de la membrana mitocondrial extema.

8. LAS MITOCONDRI AS •

FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR

(~ \ CITOSOL

\__~J

externa

1

Proteína intercambiadora "descargada'

Para tomarlos de l RE, la mitocondria recurre a proteínas citosólicas llamadas intercambiadoras, que los sustraen de la membrana del retículo y los descargan en la monocapa citosólica de la membrana mitocondrial externa del modo ilustrado en la figura 8-17. Una parte de los fosfolípidos pasa a la monocapa opuesta gracias a movimientos de "fl ip-flop" (cap. 3-3). Finalmente, el traspaso de fosfolípidos de la membrana ex terna a la me mbrana interna se produce a través de puntos de contacto que se crean entre ambas membranas para tal fin. Algunos glicerofosfolípidos que llegan a la membrana mitocondrial ínterna experimentan modificacio nes. Por ejemplo, se unen de a dos y forman difosfatidilglicerol (sección 8-1 1).

3) Es muy pequeño, pues posee 37 genes solamente. En casi todos los tipos celulares la suma de los ADN tomados de todas las mitocondrias representa no más del .1% del ADN nuclear. 4) Posee muy pocas y a la vez muy cortas secuencias no génicas, es decir, que no se transcriben. 5) Genera 22 tipos de ARNt, en lugar de los 31 que transcribe el ADN del núcleo. 6) Las dos clases de ARNr (12S y 16S) que codifica dan lugar a ribosomas que poseen un coeficiente de sedimentación de 55S, inferior al de los ribosomas de los procariotas (70S) y del citosol (80S). 7) En su código genético existen 4 codones cuyas instrucciones difieren de las de sus pares del ADN nuclear (cap. 13-4). Se trata de los codones AGA, AGG, AUA y UGA. En el ADN nuclear los dos primeros corresponden al aminoácido arginina, mientras que en el ADN mitocondrial se comportan como codones de terminación. En el ADN nuclear el codón AUA determina a la isoleucina, y en el ADN m itocondrial a la metionina. En el ADN nuclear el codón UGA es un codón de terminación y en el ADN mitocondrial determina al triptófano. 8) Se transcriben sus dos cadenas. Los genes de los 2 ARNr, de 14 ARNt y 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 A RNm, se localizan en la otra cadena. 9) Las moléculas de ARN que transcribe el ADN se procesan mientras se sintetizan. El procesamiento comprende la remoción de partes de los ARN. 10) Como se señaló, la mitocondria posee varias copias de un mismo ADN y no dos como el ADN nuclear. Debe señalarse que las mitocondrias de cualquier individuo son de origen materno, pues todas provienen del ovocito (cap. 19-19).

8-25. Algun as prote ín as mitocond riales se fab rican e n la mat riz La mayor parte de las proteínas de la mitocondria provienen del citosol, en tanto unas pocas se producen en el territorio del propio organoide, que cuenta con los recursos para elaborarlas. Efectivamente, la mitocondria posee varias unidades idénticas de un ADN circular, a partir del c ual se transcriben los genes de 13 ARNm (base para la síntesis de otras tantas proteínas), de 22 tipos de ARNt y de 2 clases de ARNr (uno correspondiente a la subunidad mayor de los ribosomas mitocondriales y otro a la subunidad menor). Todas estas moléculas se encuentran en la matriz mítocondrial; las de los ADN circulares se hallan adosadas a la membrana interna del organoide (figs. 8-9 y 8-1 6). Con aminoácidos llegados desde el citosol, en los ribosomas mitocondriales se sintetizan las siguientes 13 proteínas, la mayoría pertenecientes a la cadena respiratoria: siete subunidades del complejo NADH deshidrogenasa, una del complejo b-c 1, tres del complejo citocromo oxidasa y dos subunidades de la ATP sin tasa.

8-27. La s íntesis de la s proteínas mítocondríales requiere u na adecuada coordinación Aunque la mitocondria posee ADN, ARN m, ARNt y ribosomas propios, las proteínas que fa brica son muy pocas, 13 en total. Por consiguiente, lamayor parte de las que necesila para su reproducción debe importarlas desde el

" Giu

8- 26. El ADN m itocondria l es d iferente del ADN nuclear El ADN mitocondrial presenta las siguientes particularidades que lo diferencian del ADN nuclear (fig. 8-18): 1) Es circular y carece de histonas. 2) Posee un solo origen de replicación (cap. 17-3), en ·1 cual una eh- las ':tden:ts hijas COitticn:r.:t a sinteli:r.ars(' :111IC:s ljtll' la olr:t 111 l ~: u · ,· 11 Jllnlil ,¡,. , 11 11111110 dilc•¡('lllt' ¡J¡•l i'II IJ'lt'illlll 11111 i 11 /.l 'j' lllll li l ,

A

177

Fig. 8-18. A. ADN circular de la mitocondria humana en el

que se representan los 37 genes presentes en sus dos cadenas. Se señalan los genes de los 22 ARNt (rojo), de los 2 ARNr (marrón) y de los 13 ARNm. Estos últimos corresponden a dos subunidades de la ATP sintasa (naranja), a siete del complejo NADH deshidrogenasa (verde), a una del complejo b-e , (celeste) y a tres del complejo citocromo oxidasa (viole/a). Puede verse también el área donde se halla el origen de replicación (grisado). B. ADN mitocondrial de una célula de rata observado con la técnica de extendido y sombreado metálico. (Cortesía de B. Stevens.)

178 •

FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR

ATP~

. ADP

8. LAS MITOCONDRIAS •

citosol. Más aún, debido a esa doble procedencia se requiere una perfecta coordinación entre las actividades de los genomas mitocondrial y nuclear a fin de que todos los componentes de la mitocondria sean producidos en las proporciones adecuadas. Las proteínas importadas son sintetizadas en ribosomas citosólicos libres (no asociados al RE). Entre las más importantes se encuentran las enzimas del complejo piruvato deshidrogenasa, las responsables del ciclo de Krebs y de la P-oxidación de los ácidos grasos, muchas de las proteínas que participan en la fosforilación oxidativa, los canales iónicos y las permeasas de la membrana mitocondrial interna, la ADN polimerasa, la ARN polimerasa, las proteínas de los ribosomas mitocondriales, etcétera.

Trans locación

Escisión del péptido señal

8-29. Probablemente las mitocondri as deriven de bact erias aeróbicas 8-28. La incorporación de proteínas a las membranas y a los compartimi entos mit ocondriales es el resultado de un proceso complejo

Fig. 8-19. Ingreso de las proteínas en la mi10condria a través de translocones de las membranas mitocondriales externa e interna y acción de las c haperonas hsp70 de la matriz mitocondrial.

Conforme surgen de los ribosomas, las proteínas mitocondriales producidas en el citosol se asocian con chaperonas de la familia hsp70. Estas mantienen desplegadas a las proteínas hasta que aniban a la mitocondria, a cuyo cuerpo no podrían incorporarse si llegaran plegadas (cap. 4-5). El pasaje de las proteínas a través de las membranas externa e interna de la mitocondria es un proceso complejo. Cuando una de ellas se pone en contacto con la membrana mitocondrial externa, se desprende de las chaperonas hsp70 citosólicas, atraviesa ambas membranas y se asocia con chaperonas ligadas a la membrana mitocondrial interna. Estas chaperonas, que también pertenecen a la familia hsp70, atraen a la proteína hacia el interior de la mitocondria por un mecanismo que consume ATP, tal vez de la manera mostrada en la figura 8- J9. Una vez en la matriz mitocondrial, la proteína se pliega sin · ayuda o con la asistencia de una chaperona de la familia hsp60 (cap. 4-5). Las proteínas se incorporan a la mitocondria a través de los translocones denominados con las siglas TOM y TIM (por translocase of the outer y of the inner mitochondrial membrane), presentes en las membranas mitocondriales externa e intema, respectivamente (cap. 7-12). Como muestran las figuras 8-19 y 8-20, para que la proteínas puedan ingresar es necesario que ambos translocones estén juntos y sus luces alineadas, Jo que obliga a las membranas externa e interna a acercarse mutuamente. Todas las proteínas importadas desde el citosol incluyen en su extremo amino un péptido señal que las conduce hasta la mitocondria y que es reconocido por un receptor específico asociado al translocón externo (caps. 4-4 y 16-17) (tabla 4-1 y fig. 8-20). Si el paradero de la proteína es la matriz mitocondrial, apenas atraviesa los translocones pierde el péptido señal y se libera en su interior (el péptido señal es escindido por una proteasa de la matriz) (fig. 8-20). En cambio, las proteínas destinadas a las membranas externa e interna poseen ~eñale~ adicionales, distinta~ entr · ~r. las ·n;tks n·1 i 'llrn a ambos lipos tk pro1 d 11as c 11 la lllt' llti>rmta t¡tlt' sido trifosfato complementario -será el primer nucleótido de lamol, ' 111:1 de ARN- y su base establece una unión no covalente con la base del ,¡, .nxirribonucleótido (fig. 14-2). Luego se arrima un segundo ribonucleósi,¡,, ¡,¡ fosfato --complementario del segundo desoxirribonucleótido expuesto ' 11 ,.¡ i\DNy sus bases se unen. Pero lo más importante es que los dos riil" ""rleótidos que concu1rieron a la burbuja quedan juntos, lo cual permite '1'" •'litre ellos se produzca -mediante la ARN polimerasa- una unión fosl>ldi•·stcr y se genere un dinucleótido (figs. 14-1 y 14-2). Con él se inicia la 1111•'-'•is del ARN, que prosigue en dirección 5'~3' a medida que se acercan v ¡¡,· 1111en entre sí- los ribonucleósidos trifosfato imlicados por el ADN. 11.1 alargamiento progresivo del ARN es conducido por la misma ARN po11'"''" '-'a. Esta, además de catalizar las uniones fosfodiéster, se desliza sobre 1,, 1lN ·n dirección 5' ~3' y hace avanzar la burbuj a. Lo logra porque sepa111 " ¡, >N 11ut:leótidos 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 último es posible porque allí el 11N •w d ·sliga de los ribiHIUCI ·ótidos. No obstante, el ARN -cada vez más ''"1'" ,.,¡1'11\.' 1111ido a ln~ta n te porque cuando las bacterias crecen en presencia de glucosa tienen '"·nos moléculas de AMPc que cuando lo hacen, por ejemplo, en un medio ' k o en lactosa, que como se sabe proporciona menos energía que la glucosa. 1~ ~~ consecuencia, si la E. coli se desarrolla en presencia de glucosa y lactosa, " ·' ará sólo la primera. Este mecanismo le permite a la E. coli adaptarse a su 4 :25:l6.

n• l• p •uth, H '~\ lnn o l' thc htll llHil 1 • 1'' ' 11111• d ' "' hHIIVI' IY IHIIII tll(•

inactive X chromosome. Nature 349:38. Comai L. et al. ( 1994) Reeo nstitution of tra nseriptio n factor SLJ: Exclusive binding ofTBP by SLJ or TP!!D subunits. Science 266:1966. Conaway J. W. ancl Conaway R. C. ( 1991 ) Initiation of eukaryotie messenger RN A synthesis. J. Biol. Chem. 266: !7721. De li has N. and Anderson J. ( 1982) Generalizated structures of the SS riboso mal RNAs. Nucleic Acids Res. l 0:7323. Drapkin R., Merino A . and Reinberg D. (1993) Rcgulation of RNA polymerase !1 transcriptio n. Curr. Opin. Cell Bio l. 5:469. .Dynan W.S. and Tjian R. (1985) Control of eukaryotic messenger RNA synthesis by sequence-specific DNA-binding protein. Nature 316:774. Edmondson D.G. and Roth S. Y. (1996) C hromati n and transcription. FASEB J. 10: 1173. Garrcl J. uncl ampuza no S. ( 199 1) Th • hclix-loop hclix dnnmin: 11 (.'O IIl iii(Ul lliCitif f01· hristlt·•:, llltn.c h". nnd '•t'X. l l ioi 'I·J.'WVI~ 1 t:•l1 ) \,

268 •

FUNDAMENTOS DE BIOLOGIA CELULAR Y MOLECULAR

Geiduschek E.P. and Kassavetis G.A. ( 1992) R.J"'A polymerase lii transcription complexes. In: Transcriptional Regulation. Cold Spring Harbar Laboratory, New York. Gilbert W. and Müller-Hill B. ( 1967) The Iac operator is DNA. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 58:2415. Grunstein M . (1992) Histones as regulators of genes. Sci. A m. 267 (4):68. Harrison S.C. (1991) A structura l taxonomy of DNA-binding domains. Nature 353:7 15. Harrison S.C. and Aggarwal A.K. ( !990) DNA recognition by protei ns with the he lix-turn-helix motif. Annu. Rev. Biochem. 59: 933. Heintz N., Sive H.L. and Roeder R.O. (1983) Regulation of histone gene expression. Mol. Cell Biol. 3:539. Heix J. and Grummt l. ( 1995) Species specificity of o·anscription by RNA poli merase l. C urr. Opin. Genet. Dev. 5:652. 1-lernández N. ( 1993) TBP, a universal eukaryotic transcription factor? Genes Dev. 7: 129 1. Jackson M.E. ( IY9 1) Negative regulmion of eukaryotic transcription. J. Cell Sci. 100: 1. Jacob F. and Monod J. (1961) Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins. J. Malee. Biol. 3:318. Jacobson R.H. ancl Tjian R. ( 1996) Transcription factor !lA: a structure with multiple functions. Science 272:827. Kornberg R.D. ancl Lorch Y. (1992) Chromatin structure and transcriplion. Annu. Rev. Cell Biol. 8:563. Lamb P. and McKnight S.L (199 1) Diversity and specificity in transcriptional regulation: the benefits of heterotypic dimerization. T!BS [6:417. Lyon M.F. ( 1999) X-chromosome inactivalion. C urr. Biol. 9:R235. Maniatis T. and Ptashne M. ( 1976) A DNA operator-repressor system. Sci. Am. 234 ( 1):64. Martienssen R.A. and Richards E.J. ( 1995) DNA methylation in eukaryotes. Curr. Opin. Genet. Dev. 5:234. McKnight S.L. (1991) Molecular zippers in gene regulation. Sci. Am. 264 (4):54. Meller J.H. a nd Reznikoff W.S. ( 1978) The Operan. Cold Spring Harbar Laboratory, New York. Nakajima N., Horikoshi M. and Roeder R.G. ( 1988) Factors involved in specific transc...