Organismos Unicelulares - La Explosión Cambriana - Nano Máquinas -4

Síntesis de Proteínas

Las proteínas representan grandes estructuras moleculares compuestas de muchos átomos de un grupo relativamente selecto de elementos. Estos forman largas cadenas de aminoácidos, conocidos como polímeros. Al examinar la composición elemental de los organismos vivos, nos sorprende la sorprendentemente estrecha selección de elementos que constituyen la gran mayoría de los átomos de las proteínas. El agua es, con mucho, el compuesto más frecuente en los organismos vivos responsable del 80 al 90% del peso corporal. Como resultado, el hidrógeno es de lejos el elemento más frecuente, responsable de aproximadamente el 50% de todos los átomos en los organismos vivos, con el oxígeno el segundo elemento más común. Los otros elementos comunes en orden descendente de frecuencia son carbono, nitrógeno, fósforo y azufre. Los elementos adicionales ocasionalmente encontrados incluyen calcio, potasio, hierro, zinc, magnesio, manganeso, flúor y yodo. Todos estamos familiarizados con la anemia por deficiencia de hierro y bocio debido a la deficiencia de yodo. El número total de elementos esenciales en los seres humanos es de 26, y para las bacterias es de aproximadamente 16.

Las proteínas se componen de diferentes combinaciones de 20 aminoácidos básicos, nueve de los cuales se consideran esenciales en los seres humanos. Un aminoácido esencial es uno que el cuerpo humano es incapaz de sintetizar de otras fuentes de proteínas y por lo tanto debe ser suministrado en la dieta sobre una base diaria regular. Nuestros cuerpos son capaces de sintetizar los restantes 11 aminoácidos básicos de las proteínas ingeridas. Sin embargo, es importante obtener una ingesta adecuadamente equilibrada de los nueve aminoácidos esenciales diariamente. La síntesis de proteínas depende de un suministro adecuado de todos los aminoácidos específicos requeridos. Si hay cantidades insuficientes de uno o más de los nueve aminoácidos esenciales, la síntesis de proteínas se reducirá en consecuencia. Un análisis cuidadoso de las proteínas vivas indica más de 100 aminoácidos diferentes presentes como resultado de modificaciones de los 20 aminoácidos básicos por fosforilación, glicosilación, hidroxilación, metilación, carboxilación y acetilación.

      Figura 4 Cortesía de Protein Data Bank

La síntesis de proteínas se produce en cuatro etapas generalmente reconocidas. (Véase la Figura 4). La etapa primaria se produce en ribosomas que son organelos grandes altamente complejos localizados dentro de esencialmente todas las células. Funcionan como fábricas de proteínas. Consisten en proteínas complejas masivas con cantidades significativas de ARN. Pueden estar localizados dentro de las mitocondrias y el retículo endoplásmico, pero la mayoría se encuentran en el citosol. Los ribosomas reciben directivas para producir una proteína específica por medio de un ácido ribonucleico mensajero (mRNA) enviado desde el núcleo de la célula. Se produce por transcripción, en el núcleo, y representa una copia exacta de una única cadena corta seleccionada de ADN, excepto que los nucleótidos de timidina en el ADN, son reemplazados por nucleótidos de uridina en ARN. El ARNm proporciona información exacta, en cuanto a la secuencia de aminoácidos específicos que se deben enlazar, el número de copias a producir y las directivas sobre dónde y cómo debe distribuirse la nueva proteína producida. Los polımeros de menos de 40 aminoácidos de longitud, usualmente se denominan péptidos. funciones de ARN mensajero como un plano, y los ribosomas fabrican las partes del cuerpo correspondientes, a las especificaciones exactas.

La etapa secundaria se produce como resultado de diversas interacciones no covalentes tales como enlaces de hidrógeno, interacciones iónicas, fuerzas de Van der Waals y empaquetamiento hidrófobo. Estos dan lugar al plegado del polímero en varias configuraciones, más comúnmente, una bobina aleatoria, una hélice alfa o una hoja beta.

La etapa terciaria es una continuación de la secundaria en la que se produce un plegado adicional como resultado de interacciones adicionales de las fuerzas no covalentes. La inversión del plegamiento molecular de la etapa terciaria puede ser causada por temperaturas superiores a la normal y por fluctuaciones anormales del nivel de pH. El despliegue interferirá con el funcionamiento normal de las proteínas. Este proceso se conoce como desnaturalización y puede revertirse corrigiendo la causa subyacente.

La etapa cuaternaria generalmente se realiza mediante macromoléculas complejas de gran tamaño llamadas chaperones, muchas veces mostrando una configuración similar a un barril en la cual las proteínas terciarias se insertan en la cavidad donde la chaperona realiza maniobras de plegado específicas resultando en la conformación adecuada de la molécula. El proceso de plegado puede requerir más de una etapa, en cuyo caso puede ser entregado a una segunda chaperona o co-chaperona para completar el proceso de plegado.

Está bien establecido que las proteínas idénticas pueden realizar funciones completamente diferentes dependiendo de cómo se pliega la molécula. Este proceso de plegado cuaternario frecuentemente requiere energía tal como una molécula de ATP para completar el proceso de conformación y liberación de la molécula de proteína ahora funcional en el citosol.

Las chaperonas son generalmente macromoléculas altamente complejas que se han sometido a síntesis de proteínas cuaternarias por un chaperón especializado. Por lo tanto, tenemos una situación "pollo vs huevo". Aquí tenemos una forma especial de complejidad irreducible en la síntesis de proteínas que depende de un sistema en el que el propio sistema que se necesita debe haber sido sintetizado previamente.

Compartimentación intracelular

La compartimentación intracelular es un tema de gran interés para los biólogos celulares, bioquímicos y biólogos moleculares. Se ha producido un cambio de paradigma en nuestra visión de la morfología celular y la fisiología. Durante los últimos 40 años ha habido una explosión de nuestro conocimiento de los procesos intracelulares, prácticamente todos los cuales estaban ocurriendo en una "caja negra" durante el tiempo de Darwin. Nuestras ideas actuales sobre las actividades moleculares en las células vivas han sido posibles gracias a una serie de impresionantes imágenes moleculares y otras técnicas de investigación que continúan avanzando rápidamente. En 1976 la radiografía se convirtió rápidamente en la herramienta principal para examinar la actividad molecular. Esto fue seguido a mediados de 1980 por la adición de la resonancia magnética nuclear (RMN) y, a finales de 1990, por microscopía electrónica (EM). La rápida aplicación de estas herramientas al estudio de la biología celular ha dado lugar a que el número de nuevas estructuras intracelulares descubiertas por año desde mediados de los años 70 haya crecido exponencialmente de diez a varios miles.

Hace cincuenta años el concepto general de una célula viva era el de un pequeño paquete de fluido proteináceo, encerrado en una membrana fosfolipídica bicapa, en la que se podían observar flotantes estructuras discretas como un núcleo y varios organelos pequeños. Ahora reconocemos que esencialmente todo el interior de la célula está ocupado por estructuras distintas que realizan funciones precisas. Está bien establecido el concepto de un citoesqueleto que consiste en microtúbulos que proporcionan vías o cables en los que los motores de transporte de diversos tipos mueven o transportan carga intracelular de un punto a otro. Ahora sabemos que el citoesqueleto es una estructura extremadamente dinámica, constantemente construida, desmantelada y reajustada para acomodar las actividades intracelulares. Esta condición ha generado el concepto de inestabilidad dinámica.Los dominios funcionales separados dentro de la célula están asociados con las proteínas transmembranales específicas, usualmente en forma de hélices alfa, responsables de permitir que entran o salen restos específicos que, en la mayoría de los casos, es mediante transporte activo a través de la membrana celular. Las hélices alfa son proteínas de forma tubular, frecuentemente con un canal central a través del cual el agua, los iones y otros fragmentos pequeños pueden entrar o salir de la célula bajo un control cuidadoso. Proporcionando así un conducto a través del cual los restos pasan sin contacto con los fosfolipidos que comprenden la membrana celular.
No se entiende bien por qué estos cambios dinámicos se requieren constantemente para mantener la función celular. Se sabe que antes de la mitosis hay un marcado aumento de la actividad microtubular en preparación para la formación del huso, compuesta de microtúbulos, necesaria para separar los cromosomas emparejados. También se ha observado que las mitocondrias están sufriendo constantemente alteraciones en las que los filamentos cortos se fusionan para producir un patrón de banda extensa seguido de fragmentación de nuevo en segmentos cortos. Esto puede ser un medio para eliminar mitocondrias disfuncionales o porciones de las mismas, que representan un proceso de cicatrización o reemplazo de proteínas disfuncionales.

La compartimentación intracelular es principalmente un resultado de la distribución de organelos dentro de la célula. Los orgánulos se agrupan dependiendo de sus funciones específicas y del grado en que sus funciones están interrelacionadas. Los orgánulos están esencialmente rodeados por membranas altamente especializadas. En la mayoría de las células, el retículo endoplasmático liso y el retículo endoplásmico rugoso, ambos constituidos por membranas plegadas extensamente, el aparato de Golgi, también una estructura plegada, y los endosomas temprano y tardío, están todos funcionalmente interrelacionados y tienden a agruparse, ocupando un compartimento principal dentro de la celda. Las membranas de estos orgánulos tienden a ser compatibles, permitiendo que las moléculas de proteína y otros restos pasen de uno a otro.

Los ribosomas son macromoléculas complejas que funcionan como fábricas de proteínas y pueden unirse a una superficie membranosa tal como el retículo endoplásmico que puede entonces servir como área de almacenamiento o canal de distribución para las proteínas recientemente sintetizadas. Otros están asociados con las mitocondrias. Sin embargo, muchos ribosomas están situados independientemente en el citosol y liberan sus proteínas directamente. Una función principal del aparato de Golgi es marcar y preparar proteínas recién fabricadas para su suministro dentro de la célula o empaquetarlas para su paso a través de la membrana celular y su administración a un sitio distante dentro del organismo a través del torrente sanguíneo.

El núcleo suele estar situado centralmente dentro de la célula y tiene grandes poros en su membrana externa bicapa, permitiendo que el ARNm se desmonte llevando instrucciones específicas a los ribosomas sobre exactamente qué tipo de proteína y cuántas copias necesitan ser fabricadas. Además, el ATP, varios iones y otros restos pequeños pueden pasar al núcleo a través de estos poros.
Las mitocondrias también se comunican directamente con el citosol, liberando el ATP fabricado directamente. ATP es la fuente de energía para esencialmente todas las funciones celulares. Vamos a examinar ATP sintasa que es una macromolécula de gran complejo que ha sido estudiado con gran detalle y representa una de las nano-máquinas más notables descubiertas hasta la fecha. Las vesículas que contienen proteínas específicas u otros restos tienden a asociarse con el retículo endoplásmico, donde frecuentemente surgen de la pared de la membrana como una secuencia en ciernes.

Otros organelos relativamente independientes incluyen lisosomas que se ocupan principalmente de desmantelar y reciclar material intracelular incluyendo membranas de organelos viejas. Contienen un interior ácido requerido para descomponer las proteínas en péptidos y aminoácidos. Los peroxisomas descomponen los ácidos grasos y juegan un papel en la neutralización de las toxinas intracelulares. Las vesículas secretoras representan otro orgánulo único que contiene proteínas secretadas de diversas fuentes y actúan como material de empaque durante el tránsito a un sitio distante. Pueden fusionarse con la membrana celular o con ciertas membranas de organelos, lo que les permite descargar sus proteínas almacenadas. Otra estructura de la membrana celular, considerada una organela es microvilli. Representan una elegante adaptación que aumenta en gran medida el área de absorción de las membranas celulares. Casi todo el intestino delgado está revestido con células endoteliales conocidas como enterocitos, en las que la superficie absorbente está completamente cubierta de microvillos. Las áreas de la superficie de la célula se teclean literalmente con las proyecciones pequeñas del dedo como, al igual que las fibras de una alfombra de la felpa. Aumentan el área de absorción del intestino delgado.

En el pasado se pensaba que la distribución intracelular se producía principalmente a través de la difusión pasiva. Ahora sabemos que existe un método preciso altamente específico y bien organizado para distribuir proteínas y secreciones. Ahora reconocemos al menos tres sistemas de transporte específicos que operan en prácticamente todas las células vivas: (1) transporte cerrado, (2) transporte transmembrana, (3) transporte vesicular.

-El transporte cerrado se refiere al paso de las moléculas a través de los poros de la membrana nuclear que simula el pasar a través de una puerta abierta.

-El transporte transmembranar se produce principalmente entre los organelos membranosos y el citosol circundante a través de un sistema de transporte activo.

-El transporte vesicular es bastante espectacular ya que se trata de un transporte activo de vesículas, de distintos tamaños, transportadas o arrastradas por una familia de proteínas motoras. Se trata de grandes macromoléculas con proyecciones tubulares pareadas que "caminan a lo largo" de los microtúbulos. -Pueden ajustar su paso dependiendo del tamaño y la carga. Estos motores de transporte macromoleculares representan otra espectacular nano-máquina recientemente descubierta que está ampliamente distribuida en todo el reino animal.

El descubrimiento de los sistemas de transporte intracelulares anteriores ha transformado la percepción de la dinámica intracelular de un entorno relativamente silencioso, inactivo, de lento movimiento, a uno que se parece mucho más a una autopista ocupada donde la carga de varias formas y tamaños se están transportando aquí y allá a altas velocidades, mientras que simultáneamente se desmontan las mismas autopistas y se construyen otras nuevas.

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Fuente: http://www.urantia.org/study/seminar-presentations/unicellular-organisms-cambrian-explosion-nano-machines